冊田水庫清淤方案設計與研究

馮亞輝，李書友

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300202；2.南水北調(diào)中線實業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100176)

1 水庫概況

冊田水庫位于山西省大同縣境內(nèi)，屬海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境處的控制工程。冊田水庫是一座以城市供水、灌溉和防洪為任務的大(Ⅱ) 型水庫，防洪標準為 100 a設計，2000 a一遇校核，下游防洪標準為 20 a一遇，允許安全泄量 1 500 m3/s。冊田水庫下游為官廳水庫，壩址以上控制流域面積 1.67萬 km2，占官廳水庫以上總流域面積的 38.5%。水庫設計總庫容 5.8億 m3。水庫樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩等組成。水庫位于官廳水庫和北京市上游，位置十分重要，水庫的安危直接關系到北京市和下游人民群眾生命財產(chǎn)的安危。水庫最初建設就是作為官廳水庫的攔沙水庫。冊田水庫1960年建成，1970年進行二期擴建，至1976年完成了土壩和溢洪道施工，擴建后壩頂高程961.5 m。

2 水庫調(diào)度

水庫調(diào)度運用原則為：水庫汛限水位956.00 m；水庫洪水位低于956.31 m時，水庫只開啟正常溢洪道，并控制下泄量不超過1 500 m3/s，保障下游村莊、農(nóng)田安全；當水庫洪水位達到956.31 m，開啟正常溢洪道、非常溢洪道(兩孔閘門)進行泄洪；當水庫洪水位達到957.57 m時，開啟全部泄洪設施，保證大壩安全。

水庫水位-庫容關系曲線見圖1所示，庫容-面積關系曲線見圖2所示，水位-泄量關系曲線見圖3所示，調(diào)洪成果見表1所示。

圖1 冊田水庫水位-庫容關系曲線

圖2 冊田水庫水位-面積關系曲線

圖3 冊田水庫水位-泄量關系曲線

表1 冊田水庫調(diào)洪計算成果表

3 水庫清淤的必要性

冊田水庫1960年運用，至今已建成60 a，從未進行過清淤。水庫原設計總庫容5.8億 m3，淤積庫容3.6億 m3，目前水庫淤積量已達到2.5億 m3，占到總庫容的40%以上，占淤積庫容的70%，如未來遭遇連續(xù)大水、大沙年，會嚴重影響水庫的防洪安全；且由于水庫淤積影響，水庫汛限水位一直運行于低水位，2019年汛限水位953 m，2020年降到952.8 m，以保有效庫容，保證下游官廳、北京防洪安全。

水庫淤積導致庫區(qū)床面整體抬高，且淤積末端上延，河道縱坡變緩，抬高水庫回水，河道水位也會受到影響，勢必增加河道和庫區(qū)的淹沒、浸沒影響，灘涂及兩岸農(nóng)田的防洪安全也會受到影響。壩前堆淤特別是錐體淤積，將增加作用于水工建筑物上的泥沙壓力，影響壩體的穩(wěn)定性。另外，隨著泥沙淤積，上游面源的化學物質在庫里沉淀， 將污染水質，水質的富營養(yǎng)化，并影響水生生物的生長。

實施水庫清淤是水庫增效擴容的重要手段，可以增加水庫庫容，提高水庫調(diào)度的靈活性，更有效的配合下游官廳水庫運用和保障北京安全。水庫清淤同時可以增加行洪斷面，減小對河道自然水位的影響，保障兩岸群眾及耕地的安全；淤積泥沙可資源化利用，部分淤積物可作為有機肥料或建筑用砂，降低清淤成本。

綜上所述，冊田水庫清淤不僅必要而且緊迫。

4 水庫來沙及淤積情況

冊田水庫以上的來砂量很大。汛期沙量一般可占到總輸沙量的70%～90%。它的年際變化比年徑流大。如1939年懸移質輸沙量估計達到12 853萬 t，而少沙年尚不足100萬 t，可差百余倍。冊田以上來沙以黃土丘陵及土石山區(qū)最多，多年平均侵蝕模數(shù)在5 000 t/km2上下。平原區(qū)較小，僅只幾百噸每平方公里。按地區(qū)分，產(chǎn)沙量最高的是同渾鐵路以西的恢河、源子河、十里河、淤泥河一帶，其次是渾河。

我公司(原水利部天津水利水電勘測設計研究院)于1984-1988年期間進行了冊田水庫除險加固的勘測設計工作，在此過程中實測了冊田水庫庫區(qū)地形及大斷面。根據(jù)1984年實測結果顯示，當時大壩壩前庫底高程淤積深度24.8 m，從建庫前的920 m抬升到944.8 m；壩前向上游10 km淤積深度10 m；壩前上游20 km處淤積深度7 m；壩前向上游30 km處淤積深度達2.8 m，淤積范圍至固定橋，總淤積量約2.1億 m3。2009年，我公司又實測了冊田水庫庫區(qū)大斷面，根據(jù)斷面比對數(shù)據(jù)顯示，2009-1985年水期間水庫淤積量為0.27萬 m3，淤積主要發(fā)生在距離壩址10 km以上斷面至固定橋，其中淤積厚度較大的是距離壩址15 km和25 km附近，在1985年庫底縱斷起伏位置。至固定橋斷面河床基本與85年持平，未發(fā)生明顯淤積。2009年以后受氣象水文因數(shù)影響，桑干河河道上游并未來過大水，且近些年上游陸續(xù)開展生態(tài)修復和水土保持建設，水土流失大幅減小，入庫沙量很少。

根據(jù)實際情況分析，目前，冊田水庫的淤積量估計在2.5億 m3左右。

5 水庫清淤方案設計

依據(jù)《公路安全保護條例》(國務院令第593號)第二十條“禁止在公路橋梁跨越的河道上下游的下列范圍內(nèi)采砂：(一)特大型公路橋梁跨越的河道上游500 m，下游3 000 m；大型公路橋梁跨越的河道上游500 m，下游2 000 m。”第二十一條“在公路橋梁跨越的河道上下游各500 m范圍內(nèi)依法進行疏浚作業(yè)的，應當符合公路橋梁安全要求，經(jīng)公路管理機構確認安全方可作業(yè)?！?/p>

水庫庫區(qū)末端建有固定橋，橋長460 m，為大橋規(guī)模；在距離固定橋下游12 km處有天黎高速峰峪特大橋一座，橋長1 000 m。為保證天黎高速公路橋安全，本次清淤對于峰峪特大橋上游500 m，下游3 000 m及固定橋下游2 000 m不進行清淤。

5.1 清淤方法

水庫清淤目前有分流排沙、降落水位沖沙和水下疏浚三種方法。分流排沙和降落水位沖沙既浪費水資源，清除淤沙效果也不理想，本次清淤采用水下疏浚方式。水下清淤方案主要是應用在一定水深條件下的水庫、湖泊及河道的淤泥清理。對水庫而言，水下清淤的施工方案多，主要有抓斗式挖泥船、挖泥船及氣動泵船等施工設備，其技術要求較高，需要專業(yè)人員施工，淤泥清理單價較高，但清理較徹底，清淤效率較高。

表2 水下清淤方案比較表

絞吸式挖泥船是內(nèi)河、湖泊、港口等疏浚工程常用的一種船舶。它是利用裝在船前的絞刀，將河床泥沙進行切割和攪動，通過船上離心泵產(chǎn)生的吸人真空，使泥漿沿著吸泥管進入泥泵吸入端，再經(jīng)泥漿泵離心力將泥漿壓入排出端，沿著排泥管送到指定的卸泥區(qū)。它的挖泥、運泥、卸泥過程可以一次連續(xù)完成。環(huán)保絞吸式挖泥船方案采用面式開挖，清理較徹底，清淤效率較高，但淤泥清理單價較高。為盡可能降低清淤對河道、周邊環(huán)境的影響，本次采用環(huán)保絞吸式挖泥船方案進行清淤。

5.2 清淤范圍

本次擬定兩個清淤范圍進行比選，一是按校核水位960 m以下淹沒范圍實施清淤，清淤范圍從大壩至固定橋，跨河橋梁留出保護范圍，清淤長度約27 km；二是按水庫正常蓄水位952 m以下淹沒范圍實施清淤，清淤范圍從大壩至峰峪橋下游，跨河橋梁留出保護范圍，清淤長度約17.5 km。桑干河大同境內(nèi)河道平均縱坡為1.2‰，大壩建成后，壩上游河道縱坡減緩，現(xiàn)狀縱坡0.6‰，本次按河道平均縱坡1.2‰設計庫底縱斷面實施水庫清淤。水庫淤積斷面及設計清淤縱斷面見圖4所示。

圖4 水庫淤積及設計清淤縱斷面

表3 兩個清淤方案工程量及投資比較表

根據(jù)清淤方量和清淤費用等因素綜合比較分析，本次推薦正常蓄水位以下范圍實施清淤，清淤方量1.33億 m3。

6 結語

實施冊田水庫清淤工程意義重大，能夠增加水庫有效庫容，提高水庫調(diào)度的靈活性，更加有效的配合下游官廳水庫運用和保障北京安全；開展冊田水庫清淤具備技術可行性，將為防洪減災、改善庫區(qū)生態(tài)環(huán)境、促進水資源可持續(xù)重要作用。