克孜爾水庫(kù)異重流排沙分析及塑造技術(shù)探究

木合塔爾·坎吉

(新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 工程概況

克孜爾水庫(kù)是以灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等一體化的水利樞紐。正常蓄水位在1 149.5 m，庫(kù)容量則為6.04×108m3，電站的裝機(jī)容量為4×6.5 MW。當(dāng)?shù)氐乃畮?kù)管理局對(duì)其開(kāi)展了7次左右的淤積測(cè)量，具體如下表1所示。從表中可以看出，運(yùn)行20年的泥沙淤積值和初期的預(yù)測(cè)值對(duì)比，死水位和汛限水位高達(dá)2.5倍左右，而正常的蓄水位同樣也達(dá)到2倍左右，進(jìn)而說(shuō)明，泥沙淤積值高于當(dāng)初的設(shè)計(jì)值，表明淤積的問(wèn)題十分的嚴(yán)重。

表1 水庫(kù)泥沙淤積的測(cè)量

2 克孜爾水庫(kù)異重流排沙的規(guī)律

2.1 異重流潛入的條件分析

根據(jù)以現(xiàn)有研究的資料結(jié)果相結(jié)合來(lái)講，異重流和洪泛之間存在較大的聯(lián)系，其是低速且保持時(shí)間較長(zhǎng)，并且大于一定的密度的低密度準(zhǔn)穩(wěn)定濁流，而形成異重流則是由于地形和氣候以及密度差的控制，當(dāng)水體的密度過(guò)小，并且地形的高差較大且構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈的湖盆更加容易出現(xiàn)異重流。形成異重流最根本的條件即為：深度的清水、庫(kù)底坡降、入庫(kù)的水流含沙量。

2.1.1 水庫(kù)異重流潛入臨界的水沙條件分析

通過(guò)綜合性的對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行分析，把水庫(kù)出現(xiàn)異重流臨界的水沙條件總結(jié)果如下：(1)入庫(kù)流量大于120 m3/s；(2)水位保持1 140.0 m，且高于1 135.0 m；(3)入庫(kù)的流量為120 m3/s，且含沙量為25 kg/m3；(4)當(dāng)入庫(kù)的流量高于900 m3/s時(shí)，含沙量則應(yīng)當(dāng)在15 kg/m3左右；(5)入庫(kù)的流量在120～900 m3/s時(shí)，渾水含沙量和水流量表現(xiàn)為單調(diào)減小的關(guān)系，而兩者則可以運(yùn)用S≥27-0.015Q進(jìn)行表示，其中S代表水流的含沙量，而Q則代表水流的流量。

2.1.2 水庫(kù)的臨界底坡分析

通?？梢园旬愔亓鳟?dāng)作為比較特殊的明渠流，因而計(jì)算時(shí)將其簡(jiǎn)化為均勻流。根據(jù)異重流正常的水深以及潛入點(diǎn)的水深得出：

(1)

式中：hn為為異重流正常的水深；h0為異重流潛入點(diǎn)的水深；λ′為綜合阻力；J0為庫(kù)底的坡降。

由于在異重流潛入中存在綜合阻力，因此在渾水的水深高于異重流的正常水深時(shí)潛入為不成功。根據(jù)資料選擇范圍為0.02～0.03。在上述公式(1)中的左邊值為1時(shí)，即得出異重流庫(kù)底的坡降范圍：

J1=0.001 5～0.002 2

(2)

根據(jù)水庫(kù)的庫(kù)底坡降的相關(guān)條件表明，庫(kù)底的坡降J0>J1時(shí)異重流潛入只需要達(dá)到潛入的表達(dá)公式便可。

2.2 水庫(kù)異重流的持續(xù)運(yùn)行條件分析

2.2.1 持續(xù)運(yùn)行水沙的條件

通過(guò)綜合性的對(duì)現(xiàn)有異重流排沙的相關(guān)資料進(jìn)行分析，總結(jié)異重流持續(xù)運(yùn)行臨界水沙的條件如下：(1)入庫(kù)的流量大于200 m3/s，且懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50<0.025 mm百分比≥65%；(2)入庫(kù)的流量在200～1 000 m3/s時(shí)可以運(yùn)用S≥42-0.006Q來(lái)計(jì)算兩者關(guān)系；(3)和水庫(kù)形成異重流時(shí)的含沙量對(duì)比，水流含沙量在持續(xù)運(yùn)行時(shí)較大，由此證明異重流能夠保持持續(xù)運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)自水流泥沙。

2.2.2 異重流的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間

為準(zhǔn)確掌握異重流在持續(xù)運(yùn)行到泄水的建筑時(shí)確保泄水閘開(kāi)啟的時(shí)間，進(jìn)而提升排沙的工作效率，因此需要明確水庫(kù)異重流的運(yùn)行到泄水建筑的所用時(shí)間。本文則以入庫(kù)段的洪水參數(shù)構(gòu)建計(jì)算運(yùn)行時(shí)間的公式。

異重流的運(yùn)行時(shí)間：

(3)

式中：L為異重流運(yùn)行的距離；S0為入庫(kù)段洪水的含沙量；Jb為水庫(kù)的底坡比降；q為入庫(kù)水流的單寬流量；C為庫(kù)容的系數(shù)；

針對(duì)水庫(kù)而言，其大小不一，因此C也是不同，本研究的庫(kù)容系數(shù)率經(jīng)過(guò)計(jì)算得出為0.458。

3 水庫(kù)異重流的塑造分析

3.1 堤渠的布置

異重流在排沙時(shí)會(huì)導(dǎo)致克孜河和干流木扎提河于魚(yú)嘴區(qū)域形成交混的水流問(wèn)題，進(jìn)而致使克孜河的異重流大大的降低傳播的作用，由此導(dǎo)致泥沙淤積在了魚(yú)嘴的周?chē)⑿纬蓴r沙的底坎，阻止泥沙流向泄水建筑，最終減少異重流排沙的實(shí)際效果。

利用堤渠的形式來(lái)幫助塑造異重流進(jìn)行排沙的主體方案內(nèi)容如下：于克孜河的上游位置構(gòu)建導(dǎo)流堤，進(jìn)一步把帶有泥沙的水流方向改變至河道的左岸，根據(jù)水流則可以順勢(shì)而下通過(guò)順壩把泥沙導(dǎo)入至人工的排沙明渠，再流至壩前泄水建筑。詳細(xì)的布置如上圖1所示。

圖1 堤渠結(jié)合方案

3.2 水位的有效控制

依據(jù)實(shí)際的水流量對(duì)水位加以控制：

(1)1年一遇時(shí)控制在1 150.0 m以下。在順壩位置的兩側(cè)水位差距較小，并且排沙渠的進(jìn)水口的水流十分穩(wěn)定，出口也十分的平順，排沙的效果未受到水庫(kù)回水線的淤積造成的不利影響。

(2)5年一遇時(shí)控制在1 145.0 m以下。水流的提高而導(dǎo)致導(dǎo)流堤和沖刷槽的作用力加強(qiáng)，進(jìn)而致使一小部分的泥沙淤積在回水線的周?chē)?；而水位顯現(xiàn)回落時(shí)在沖槽中的淤積泥沙被沖掉，進(jìn)而沖刷槽完全有效的暢通。

(3)10年、20年、30年一遇時(shí)控制在1 140.0 m以下。在導(dǎo)流堤的上堤腳位置的沖刷深度高于5.0 m，最高時(shí)達(dá)到5.5 m；沖刷的流速高達(dá)2.9 m/s以上；沖刷槽的寬度則在80～130 m。

水庫(kù)在汛期時(shí)的沙量較高，大約占據(jù)全年的90.0%左右，而當(dāng)汛期過(guò)后，水庫(kù)的水位下降到1 135.0 m時(shí)，下泄的流量保持在750.0 m3/s時(shí)可以把沙量的85.0%有效的排出，進(jìn)而減少水庫(kù)的淤積。

3.3 實(shí)施的效果

自從塑造異重流的排沙使用后顯示，效果良好，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的觀察來(lái)看，主河槽已經(jīng)改道走向排沙孔的左岸位置，進(jìn)而異重流的距離顯著的縮短，在汛期的水位保持在1 140.0 m，泥沙完全可以跟隨異重流排出庫(kù)外。泥沙的出庫(kù)量如下表2的實(shí)際統(tǒng)計(jì)。

表2 汛期進(jìn)出庫(kù)泥沙分析表

泥沙大多發(fā)生在水庫(kù)的汛期，并且入庫(kù)的泥沙十分大，而用堤渠結(jié)合塑造異重流進(jìn)行排沙則同樣發(fā)生在汛中期和汛末期，此和形成異重流的相關(guān)特點(diǎn)所匹配，即主是泥沙較多可以多排，并且含量的沙水流非常容易導(dǎo)致異重流的形成。通過(guò)針對(duì)采用相應(yīng)的措施前后的排沙對(duì)比分析可以看出，在汛期時(shí)的排沙效果更加的明顯，在采取上述的解決措施后的排沙比沒(méi)有實(shí)施前高達(dá)6倍。

根據(jù)表3顯示出的汛期沙峰期排沙的實(shí)際效果數(shù)據(jù)可以看出，水位有效保持在1 140.0 m以下，平均的進(jìn)庫(kù)含沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出庫(kù)的，但是，平均的入庫(kù)流量則全部低于出庫(kù)時(shí)的流量，并且產(chǎn)生的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于含沙量的變化，因此，兩者作用的結(jié)果促進(jìn)出庫(kù)的泥沙總量遠(yuǎn)高于進(jìn)庫(kù)，并且排沙的比例均達(dá)到高于100%，極大值高達(dá)380.2%。通過(guò)觀測(cè)支流段所形成的溯源沖刷長(zhǎng)度為6.0 km，以及寬度40.0 m，并且平均深度高于3.0 m，排沙的效果十分明顯。

表3 汛期排沙的效果分析

4 結(jié)語(yǔ)

克孜爾水庫(kù)在汛期時(shí)，各項(xiàng)水沙的特性均達(dá)到形成異重流的各項(xiàng)要求，通過(guò)利用異重流來(lái)將水庫(kù)中的淤積泥沙進(jìn)行排出的效果十分顯著，并且能夠提升水庫(kù)的使用年限。通過(guò)對(duì)異重流的相關(guān)資料進(jìn)行分析，并總結(jié)了異重流的發(fā)生和運(yùn)行到泄水建筑的各項(xiàng)條件，以此為基礎(chǔ)提出用于計(jì)算入庫(kù)洪水的異重流持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間方法，進(jìn)而為異重流的排沙打下一定的基礎(chǔ)。然后再與水庫(kù)的特點(diǎn)相結(jié)合，最終開(kāi)展施行堤渠輔助塑造異重流的可行方案，進(jìn)而提升了水庫(kù)的排沙效果，并針對(duì)水庫(kù)前期的泥沙問(wèn)題得到有效的解決，由此為后續(xù)的相關(guān)工作提供一定的參考價(jià)值。