卡拉貝利樞紐工程上游水庫泥沙淤積特征研究

陶 晨

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

泥沙作為水利工程建設(shè)與運(yùn)營中不可忽視的重要介質(zhì)，其懸浮特性、淤積特點(diǎn)均會(huì)影響水利工程的長久運(yùn)營穩(wěn)定性，為此，開展泥沙淤積影響研究、水沙演化特征研究對推動(dòng)水利工程運(yùn)營指導(dǎo)具有重要價(jià)值[1-3]。一些專家與學(xué)者根據(jù)物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)有水利大壩、溢洪道等多類型水利工程的原型[4-6]，配備以相應(yīng)的實(shí)際工況分析，討論模型試驗(yàn)下水利設(shè)施的水力特征、滲流場演化特征等，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)參數(shù)。當(dāng)然水沙演化作為一種二相體，基于水動(dòng)力學(xué)分析理論建立水力模型，施加工況邊界約束荷載，研究模型在不同水位工況條件下的滲流或應(yīng)力變形特征，為工程安全運(yùn)營研究提供重要計(jì)算支撐[7-9]。不論是水動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，或是物理模型試驗(yàn)，一定程度上均是對理論中水利工程模型開展研究，而實(shí)際上工程環(huán)境較為復(fù)雜，滲流或水沙演化特征均有較大出入，因而朱文祥等[10]、王文山[11]、曹貫中等[12]在已建工程中安裝相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，研究工程水位、滲透參數(shù)等演變規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供實(shí)際原位數(shù)據(jù)參考。本文根據(jù)卡拉貝利樞紐工程上游水庫運(yùn)營與洪水位，對不同工況下的泥沙淤積演化特征分析，為卡拉貝利樞紐工程上游水庫蓄水、防洪等運(yùn)營提供重要參考。

1 工程分析

1.1 工程介紹

卡拉貝利樞紐工程乃是區(qū)域內(nèi)重要水利設(shè)施，其控制流域面積13700km2，運(yùn)營水位年平均徑流量21.687億m3，上游水庫總庫容262億m3，對地區(qū)防洪調(diào)度、農(nóng)田灌溉及市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提升，均具有重要作用。水文資料監(jiān)測表明卡拉貝利樞紐工程過流最大洪峰流量為2220m3/s，平均含沙量為7.58kg/m3，運(yùn)營年監(jiān)測懸浮質(zhì)泥沙量為75.5萬t，年均泥沙輸送量達(dá)1585萬t?？ɡ惱麡屑~工程上游水庫乃是蓄水發(fā)電、灌溉、防洪等重要來源，其設(shè)計(jì)防洪水位高程為1767.7m，最大防洪庫容為7200萬m3，另有灌溉用水儲蓄庫容8000萬m3，死水位為1762m，確保地區(qū)用水安全及水文穩(wěn)定性。

由于卡拉貝利樞紐工程乃是泥沙含量較高的水利設(shè)施，上游水庫泥沙淤積嚴(yán)重將導(dǎo)致蓄水能力降低，減少庫容，目前，工程設(shè)計(jì)部門考慮對卡拉貝利上游水庫在多維度工況下泥沙淤積影響性開展模擬分析，為該工程運(yùn)營及水沙調(diào)節(jié)控制提供重要預(yù)判參考。

1.2 MIKE建模分析

本文采用MIKE水動(dòng)力學(xué)模擬平臺進(jìn)行后期處理計(jì)算[13-14]，前期模型建立主要采用GIS進(jìn)行卡拉貝利樞紐工程地形繪制，后在MIKE計(jì)算平臺中進(jìn)行計(jì)算單元網(wǎng)格劃分，共獲得網(wǎng)格單元48252個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)25864個(gè)，所建立的上游水庫模型如圖1所示。

圖1 上游水庫模型

根據(jù)上游水庫工況狀態(tài)，設(shè)計(jì)水位初始流速為0，按照水庫上、下游斷面水位與流量控制確定邊界條件，卡拉貝利樞紐工程攔水大壩及堤防大壩作為多項(xiàng)約束邊界，流速設(shè)置為0，MIKE水動(dòng)力學(xué)求解計(jì)算所涉及的糙率重要參數(shù)按照模型率定方法求解，在圖1計(jì)算模型中劃分出監(jiān)測斷面，以監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)展開率定對比。

本次模型率定采用2種工況對比計(jì)算，分別為水庫枯水位與豐水位工況，2個(gè)水位上游流量分別設(shè)定為950、1680m3/s，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果獲得2種工況下各斷面處水位線特征，如圖2所示。

圖2 2種工況各斷面處水位線特征

從圖2中可看出，上游水庫枯水位工況中，根據(jù)設(shè)定糙率0.022計(jì)算出各斷面水位分布為1759.6～1762.53m，其中以斷面X1為最高水位，達(dá)1762.53m，相比實(shí)測水位增大了0.03m；實(shí)測各斷面水位分布范圍為1759.6～1762.5m，其中誤差最大的為X2斷面，誤差值為0.04m，滿足模型試驗(yàn)要求。豐水位工況中計(jì)算水位最大為1766.56m，隨上游至下游水位遞減，最大降低幅度為0.09%，誤差分布為0.01～0.05m，最大誤差亦滿足模型計(jì)算要求，故所設(shè)定糙率滿足要求。

另根據(jù)設(shè)定糙率計(jì)算特征斷面流速，本文以斷面X3為例，該斷面上軸線距離上計(jì)算流速與實(shí)測流速變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 斷面軸距上計(jì)算流速與實(shí)測流速關(guān)系

不論是計(jì)算值亦或是實(shí)測值，均表明X3斷面上橫軸線流速均為“倒V”型，其中流速最大均指向距離1465.3m處；流速實(shí)測值與計(jì)算值誤差不超過0.4m/s，流速曲線形態(tài)及量值均可體現(xiàn)計(jì)算模型所選糙率合理性。

2 運(yùn)營年工況水庫泥沙淤積模擬分析

2.1 庫床高程變化

運(yùn)營年工況主要根據(jù)上游水庫在已運(yùn)營期間內(nèi)水位、流量變化進(jìn)行設(shè)計(jì)的工況，該工況中最大水位為1752m，依據(jù)工況條件計(jì)算出X2斷面上各距離的庫床高程變化特征，如圖4所示，斷面距離起點(diǎn)為水庫左岸。從圖4可看出，X2斷面上高程在泥沙淤積前為“U”型，中部庫床高程基本均穩(wěn)定在1753.5m左右，而近庫岸邊高程較大，表明上游水庫整體水位以中部為最大，兩岸邊庫床較高，水位較低，最大高程為1765.37m。當(dāng)運(yùn)營至6a時(shí)，X2斷面整體上仍具有“U”型高程曲線，但在斷面1375.5～3300m區(qū)段中高程穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，無淤積前穩(wěn)定性好，此此主要為受岸邊泥沙淤積影響，逐步由兩岸邊向庫中部靠攏發(fā)展，導(dǎo)致中部出現(xiàn)局部泥沙淤積，高程出現(xiàn)波動(dòng)，在運(yùn)營6a中，泥沙淤積厚度最大為0.64m，位于斷面1780m，斷面上總體泥沙淤積厚度為0.5～0.6m左右。當(dāng)上游水庫運(yùn)營至第12年，此時(shí)X2斷面上庫床高程曲線仍然保持一定程度上的“U”型特征，但在斷面中部處高程波動(dòng)相比運(yùn)營6a時(shí)更為波動(dòng)，運(yùn)營6a時(shí)斷面距離2000m與距離500m間高程差距為7.67m，而在運(yùn)營12a時(shí)兩者為7.35m；運(yùn)營12a后水庫泥沙預(yù)計(jì)最大厚度相比6a時(shí)增大了2.68倍，達(dá)2.32m，總體淤積厚度亦增長為1.1～2.3m，淤積厚度最顯著區(qū)域位于斷面1300～2700m。當(dāng)水庫運(yùn)營至第25年時(shí)，X2斷面上水位曲線已由“U”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型特征，在中部區(qū)域水位無穩(wěn)定性，泥沙淤積在整個(gè)斷面上均產(chǎn)生較大影響，25a運(yùn)營下泥沙淤積厚度最大為4.34m，位于斷面距離1128m處，斷面各個(gè)距離點(diǎn)均有較顯著泥沙淤積，厚度分布為2～4.3m。經(jīng)計(jì)算泥沙完全淤積后，其高程曲線與運(yùn)營25a有所接近，均為“V”型特征，泥沙淤積最大厚度基本接近，但厚度分布范圍有所擴(kuò)大，為2.2～4.5m，主要為斷面右?guī)彀冻霈F(xiàn)較大泥沙淤積影響。綜上筆者分析認(rèn)為，在上游水庫多年泥沙淤積影響下，卡拉貝利樞紐工程上游水庫水位會(huì)受到泥沙淤積顯著影響，隨運(yùn)營年份延長，其淤積影響逐步從兩庫岸延伸至中部，最終導(dǎo)致水庫庫床高程曲線發(fā)生較大改變[15-16]。

圖4 X2斷面上各距離的庫床高程變化特征

2.2 流速特征

根據(jù)對長運(yùn)營年水位工況下水庫斷面上流速特征開展計(jì)算，獲得水庫泥沙淤積前、后流速變化曲線，如圖5所示。

圖5 斷面上各距離的流速變化特征

從圖5中可看出，無論是淤積前亦或是淤積后，斷面上流速特征均為“倒U”型變化特征，最大流速均出現(xiàn)在斷面1950mm處，淤積前達(dá)1.12m/s，而在靠近庫岸邊流速較小，在斷面325m處流速為0.04m/s，而斷面中部1300、2000m處流速相比前者分別提高了17.9倍、27.2倍。淤積前，流速為0出現(xiàn)在斷面距離192與3300m處，而在淤積后0流速往庫中心靠攏，分別位于390、3100m處，表明上游水庫岸邊泥沙淤積影響下，水庫滲流活動(dòng)面積均減小，降低了水庫蓄水庫容量。另一方面，泥沙淤積后斷面上最大流速相比淤積前增大了40.9%，水庫滲流活躍性加強(qiáng)，此會(huì)影響下游輸水灌渠流量控制，甚至造成水流紊亂等現(xiàn)象。從流速變化特征綜合分析可知，泥沙淤積會(huì)縮減0流速出現(xiàn)范圍，庫容受此減少，卡拉貝利樞紐工程應(yīng)在運(yùn)營過程中增設(shè)相應(yīng)的排沙設(shè)施，減小泥沙懸浮、淤積對水庫功能影響。

3 設(shè)計(jì)洪水位工況水庫泥沙淤積模擬分析

3.1 庫床高程特征

設(shè)計(jì)洪水位工況根據(jù)卡拉貝利樞紐工程上游水庫洪水位1767.7m開展計(jì)算，獲得該水位下不同周期內(nèi)斷面各距離的高程曲線，如圖6所示。根據(jù)圖中高程曲線可知，庫床高程均低于運(yùn)營工況下，淤積前高程曲線亦為“U”型特征，穩(wěn)定區(qū)段內(nèi)高程相比運(yùn)營工況下降低了10.12m，洪水位工況下泥沙淤積變大，對庫床沖蝕作用加大，故淤積前穩(wěn)定段高程低于運(yùn)營工況。在水庫運(yùn)營第6年時(shí)高程曲線已為“V”型特征，斷面距離500～200m穩(wěn)定段波動(dòng)幅度較大，該區(qū)段內(nèi)高程變幅達(dá)1.1m，此與泥沙淤積在斷面不同距離處影響有關(guān)，最大淤積厚度位于斷面距離765m處，達(dá)1.87m，運(yùn)營6a時(shí)泥沙淤積厚度分布為0.4～1.87m，遠(yuǎn)高于運(yùn)營工況下。當(dāng)運(yùn)營為第12年時(shí)，由于是高水位工況下運(yùn)營，其高程曲線呈顯著“V”型特征，高水位一方面可提升水利沖蝕效應(yīng)，但與之同時(shí)長久工況下的泥沙懸浮沉降影響不得不考慮，當(dāng)達(dá)到一定界限后，泥沙在庫床上淤積顯著，最大淤積厚度達(dá)3.11m，且斷面上各距離處均已出現(xiàn)一定程度淤積。在水庫運(yùn)營第25年時(shí)，庫床高程曲線已完全為“V”型特征，斷面各距離處均有泥沙淤積，最厚處為斷面距離700m，達(dá)3.47m，水庫整體淤積厚度分布為0.5～3.5m左右，此厚度區(qū)間基本與淤積后接近。在泥沙淤積后，庫床高程曲線基本與運(yùn)營25a時(shí)為一致，僅改變了泥沙淤積最大厚度，增幅僅為0.05m，達(dá)3.52m，表明洪水位工況下，泥沙淤積完全有所提前，卡拉貝利樞紐工程上游水庫泥沙懸浮沉降作用超過庫床沖刷作用。

圖6 洪水位工況斷面各距離庫床高程曲線

3.2 流速特征

根據(jù)洪水位工況泥沙淤積前、后水力特征計(jì)算，獲得上游水庫在斷面軸向距離上的流速變化特征，如圖7所示。從圖中可看出，洪水位工況下高流速集中在斷面中部區(qū)域，且穩(wěn)定性較佳，最大流速位于斷面距離1765.5m處持續(xù)較為穩(wěn)定，達(dá)3.53m/s，在庫右岸流速較小，最低流速亦位于右?guī)彀?，整體符合上游水庫流速從中部向兩庫岸逐步擴(kuò)散減小的趨勢。泥沙淤積后，整體流速在中部有所增大，且0流速分布范圍在左庫岸相比淤積前縮短了145.5m，淤積影響主要影響庫岸邊0流速與中部大流速分布區(qū)段，最大流速可達(dá)3.94m/s。分析認(rèn)為，洪水位工況淤積后0流速出現(xiàn)的距離點(diǎn)更靠近庫中部，庫容量被縮減、水流滲流活動(dòng)區(qū)域均比運(yùn)營工況要更顯著。

圖7 洪水位工況斷面上各距離的流速變化特征

4 結(jié)論

本文主要獲得以下結(jié)論。

(1)模型率定驗(yàn)證枯水位、豐水位工況中水位線高程最大誤差分別為0.04、0.05m，斷面誤差分布分別為0.01～0.05m；斷面上橫軸線流速均為“倒V”型，其中流速最大均指向距離1465.3m處；流速實(shí)測值與計(jì)算值誤差不超過0.4m/s，模型糙率滿足要求。

(2)運(yùn)營工況中庫床高程由“U”型特征曲線逐漸演變?yōu)椤癡”型，運(yùn)營6、12a最大淤積厚度分別為0.64、2.32m，運(yùn)營25a淤積曲線與淤積后曲線基本接近；洪水位工況高程曲線演變特征與運(yùn)營水位工況一致，但泥沙淤積影響更為提前，庫容量縮減更為顯著，運(yùn)營第6、12年最大淤積厚度分別為1.87、3.11m。

(3)淤積前、后，運(yùn)營水位工況斷面流速曲線為“倒U”型特征，泥沙淤積后斷面最大流速相比淤積前增大了40.9%，淤積后0流速分布范圍縮減；洪水位下流速呈從庫中部向庫岸擴(kuò)散減小特征，淤積后最大流速達(dá)3.94m/s，洪水位工況下淤積影響更為顯著。