任紅卓,安新強(qiáng)

(咸陽市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 咸陽 712000)

亭口水庫是彬長礦區(qū)的供水骨干水源,主要解決彬縣、長武兩縣城鎮(zhèn)生活用水及礦區(qū)工業(yè)發(fā)展用水,由于亭口水庫在排沙期受泥沙限制不能供水,這就需要對(duì)亭口水庫的徑流調(diào)節(jié)過程進(jìn)行反調(diào)節(jié),以滿足工業(yè)及生活供水需求,并滿足設(shè)計(jì)供水保證率不小于90%和最大破壞深度控制在20%以內(nèi)的供水要求。亭口水庫在采用水位逐步抬高、汛期低水位相機(jī)排沙的水庫運(yùn)行方式時(shí),對(duì)不同反調(diào)蓄容量經(jīng)過徑流調(diào)節(jié)計(jì)算,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后,確定反調(diào)蓄工程調(diào)蓄容量為700×104m3;在此規(guī)模下亭口水庫年供水量 7 190.0×104m3,供水保證率94.07%,破壞深度19.996%。

反調(diào)蓄工程水資源利用方式為:在黑河亭口水庫壓力輸水洞壩后匯流池下游設(shè)抽水站,當(dāng)亭口水庫含沙量滿足引水沙限(＜8 kg/m3)且亭口水庫有棄水時(shí)引抽亭口水庫匯流池中的水,向調(diào)蓄庫供水;當(dāng)亭口水庫在排沙期或供水量不足時(shí)由反調(diào)蓄工程向礦區(qū)用水戶供水。

該反調(diào)蓄工程選定的壩址位于中塬溝內(nèi),中塬溝是涇河支流黑河最下游處的一條較大支溝,位于黑河干流尾閭段的右岸。主溝長約6 km,流域面積10.2 km2,主溝道比降為1.2%。溝道無常流量,溝內(nèi)兩岸草木茂盛,植被良好,土壤侵蝕輕微,該流域平面圖如圖1所示。

反調(diào)蓄工程洪水計(jì)算結(jié)果:300 a一遇校核洪水洪峰流量193.3m3/s,入庫平均流量80m3/s,入庫洪水總量162×104m3,經(jīng)調(diào)洪計(jì)算,最高庫水位為 921.0 m,總庫容986.00×104m3,平均庫水位920.8 m。

經(jīng)計(jì)算:壩址處天然年均輸沙量為3.366×104t/a,工程運(yùn)用50 a后溝道來沙量為129.45×104m3;入庫泵站50 a期間從引水所帶來的沙量5.67×104m3;工程蓄水后上覆黃土狀岸坡會(huì)有小規(guī)模崩塌發(fā)生,故對(duì)庫區(qū)進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè),塌岸總量預(yù)計(jì)約104.46×104m3。反調(diào)蓄水庫運(yùn)用50 a后總的來沙量 239.58×104m3。

1 橫向淤積分布

反調(diào)蓄庫壩址處河床高程859.5 m,正常蓄水位920.3 m,校核洪水位921.0 m,即滯洪水位較高,庫內(nèi)水深很大,淤積將使河道整個(gè)斷面全面淤高,故淤積橫向分布形態(tài)按不分灘槽計(jì)算[1～4]。

2 縱向淤積形態(tài)判別Ⅰ

2.1 淤積形態(tài)

根據(jù)判別式

判別,此公式為清華大學(xué)水利系及西北水利科學(xué)研究所公式[5]。

式中:α為淤積形態(tài)的判別系數(shù),當(dāng)α＞0.3,為三角洲淤積;當(dāng)α＜0.3時(shí),為錐體淤積;V為汛期平均庫水位以下的庫容,V=975×104m3;W為入庫水量,用汛期平均來水量,W=162×104m3。

圖1 中塬溝水庫庫區(qū)平面圖

由于計(jì)算α=6.02＞0.3,故為三角洲淤積形態(tài),根據(jù)亭口水庫泥沙資料,平均懸移質(zhì)顆粒級(jí)配的中值粒徑為0.018 mm,類比到中塬溝流域,則中塬溝水庫汛期來沙量較細(xì),容易產(chǎn)生異重流,三角洲淤積按會(huì)產(chǎn)生異重流情況對(duì)待。

2.2 三角洲和異重流的淤積量分配

已知D50=0.018 mm,則大于0.018 mm的泥沙占全部來沙的α%=1-50%=50%,同時(shí)考慮在三角洲淤積的泥沙中有10%小于該粒徑(根據(jù)官廳水庫淤積資料估算),設(shè)參加三角洲造床的小于0.018mm的泥沙占全部來沙的x%,則x符合下式[5]:

式中:Ws為壅水期的入庫總沙量,Ws=129.45×104m3,則異重流淤積量:129.45-71.97=57.48×104m3。

2.3 淤積三角洲頂坡和前坡的確定

根據(jù)中塬溝溝道的自然比降,主溝平均比降1.2%,左支溝比降2.9%,右支溝比降2.3%,采用公式J頂=λj·J0[5]計(jì)算,此公式是從淤積前后河床組成的變化來確定淤積三角洲頂坡比降的,其中λj因?qū)偾鹆甑貐^(qū)沙質(zhì)河床,取0.5～0.7,頂坡比降取1.5%。J0為庫區(qū)原河道比降。

采用經(jīng)驗(yàn)估算法公式J前=(1.6～1.9)J0計(jì)算[5],前坡比降取4.3%。

2.4 三角洲頂點(diǎn)高程的確定

根據(jù)汛期入庫平均流量(Q=80 m3/s)、三角洲頂坡比降(J頂=1.5%)、河床糙率(n=0.035)及所剖橫斷面,可求得平均水深h0=2.0 m,則三角洲頂點(diǎn)高程為汛期平均庫水位920.8減去平均水深2.0得918.8 m。

2.5 試擺確定三角洲淤積體

根據(jù)所剖的溝道縱斷面、20個(gè)橫斷面(主溝2個(gè),左支溝9個(gè),右支溝9個(gè)),在縱剖面圖上前后擺動(dòng)頂點(diǎn)A位置,A點(diǎn)向上的坡比取頂坡比降1.5%,向下的坡比取前坡比降4.3%,進(jìn)行試算,試算的三角體體積應(yīng)等于三角洲淤積量,試算結(jié)果:三角洲最下游距壩軸線距離1360 m,溝底高程891.3 m,頂點(diǎn) A距壩軸線2 000 m。

2.6 異重流淤積體分布

由于中塬溝庫底比降比較陡,庫區(qū)回水短,可近似將異重流淤積量57.48×104m3按壩前平鋪對(duì)待,淤積比降為0,由此查庫容曲線,異重流淤積壩前高程為883.9 m。

2.7 塌岸量與引水來沙量分布

塌岸量與引水來沙共計(jì)110.13×104m3,而壩前部分塌岸量84.51×104m3,引水來沙量5.67×104m3,即壩前總淤積量為90.18×104m3,按錐體形態(tài)疊加在上述兩種淤積體上對(duì)待,經(jīng)計(jì)算,壩前高程為885 m,淤積比降 i左=1.55%,i右=1.35%。

結(jié)論:三角洲淤積形態(tài)在考慮異重流情況下,三角洲頂點(diǎn) A距壩軸線2 000 m,經(jīng)計(jì)算壩前50 a后淤積高程為885.0 m,泄洪洞口處淤積面高程為887.0 m。

三角洲淤積形態(tài)在不考慮異重流情況下,溝道淤積量129.45×104m3,用上述方法計(jì)算,結(jié)果是:三角洲頂點(diǎn)A距壩軸線1 700m,三角洲最下游距壩軸線形距離950 m,塌岸量與引水來沙共計(jì)110.13×104m3,其中壩前總淤積量為90.18×104m3,按疊加在三角洲淤積體上對(duì)待,經(jīng)計(jì)算,壩前塌岸淤積高程為881.0 m,泄洪洞口處淤積面高程883.0 m,塌岸淤積比降i=1.55%。

3 縱向淤積形態(tài)判別 Ⅱ

3.1 淤積形態(tài)

根據(jù)判別式

判別,此公式為清華大學(xué)水利系及西北水利科學(xué)研究所公式[5]。式中:α′為淤積形態(tài)的判別系數(shù),當(dāng) α′＞2.2,為三角洲淤積;當(dāng) α′＜2.2時(shí),為錐體淤積;V為汛期平均庫水位以下的庫容,V=975×104m3;Ws為入庫沙量(m3),多年平均入庫沙量 W=2.589×104m3;J0為庫區(qū)原河道平均比降,以萬分率計(jì)為245?。

經(jīng)計(jì)算,α′=1.54＜2.2,故判別為錐體淤積形態(tài)。

3.2 淤積末端位置的確定

根據(jù)溝道縱剖面圖,壩址處河床位置為B,即B點(diǎn)高程為859.5 m。

該庫最高庫水位921.3 m與原庫底線的水平交點(diǎn)A′的位置,從溝道縱斷面可知:L左=2.28 km,L右=2.86 km。

根據(jù)公式L=k·L0計(jì)算淤積末端距壩址距離L。

式中:L0為交點(diǎn)A′到B的水平距離;k為一系數(shù),一般取1.0～1.3,從對(duì)該庫淤積資料分析,由于該庫來沙量小、滯洪持續(xù)時(shí)間短、淤積量小,故選用小值即k取1.0,則淤積末端位置A距壩址距離為:

3.3 試擺確定淤積部位

從淤積末端A出發(fā),試作幾條淤積縱剖面線,交于壩軸線于 O,即壩前淤積高程,使錐體 AOB體積等于淤積量129.45×104m3,其淤積面AO線即為所求的淤積面。

根據(jù)所剖的溝道縱斷面、20個(gè)橫斷面(主溝2個(gè),左支溝9個(gè),右支溝9個(gè))計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)壩前淤積高程為877.0 m時(shí),錐體淤積體積為129.25×104m3,與實(shí)際的129.45×104m3接近,此時(shí)淤積面坡降i右=1.55%,i左=1.99%。

3.4 塌岸量與引水來沙量分布

塌岸量與引水來沙共計(jì)110.13×104m3,按疊加在上述兩種淤積體上對(duì)待,經(jīng)計(jì)算,壩前高程為 885 m,此時(shí)淤積面坡降 i右=1.35%,i左=1.8%。

結(jié)論:錐體淤積形態(tài)情況下,經(jīng)計(jì)算壩前淤積高程為885.0 m,泄洪洞口處淤積面高程887.0 m。

4 用經(jīng)驗(yàn)面積減少法計(jì)算淤積分布[5～8]

4.1 確定水庫淤積分布的類型

淤積分布的經(jīng)驗(yàn)面積減少法,是以運(yùn)用多年的水庫淤積分布的實(shí)測(cè)資料為依據(jù),并加以概化得出水庫沿高程的淤積量分布。

影響水庫淤積分布的因素很多,如入庫泥沙顆粒及其組成、進(jìn)出庫流量關(guān)系、水庫大小、形狀及水庫運(yùn)用方式等,這些因素相互影響,經(jīng)驗(yàn)方法確定水庫淤積分布,即抓住了影響淤積分布的主要因素乃是水庫的地形。

水庫的容積與水深的關(guān)系,即水庫的庫容曲線一般可以用下面公式來表達(dá):

式中:V為相應(yīng)水深h的庫容(m3);N為系數(shù);h為從原河床算起的壩前水深(m);m為庫容沿高程增加的指數(shù),是反映水庫地形特性的一個(gè)指標(biāo)。

從美國的30個(gè)水庫的淤積資料中,把水庫淤積量沿高程分布用相對(duì)值繪于一張圖上,得出淤積分布可以按水庫地形特性的指標(biāo)m值分為4種類型(如圖2所示);它們基本上概括了各類水庫淤積分布的特點(diǎn),這4種類型是:Ⅰ.湖泊型水庫:m ＞3.5;Ⅱ.山麓型水庫:2.5＜m ＜3.5;Ⅲ.丘陵型水庫:1.5＜m＜2.5;Ⅳ.峽谷型水庫:m＜1.5。

圖2 按水庫地形分類的淤積分布圖

根據(jù)中塬溝水庫地形資料,將水庫庫容水深關(guān)系點(diǎn)繪制在雙對(duì)數(shù)紙上,即庫容曲線的雙對(duì)數(shù)曲線,量取其斜率,由于m=2.23,根據(jù)典型經(jīng)驗(yàn)曲線判別該水庫屬于丘陵型水庫,即第 Ⅲ型淤積分布曲線。

4.2 確定壩前淤積深度h0

設(shè)幾個(gè)壩前淤積深度h0,分別查算其相應(yīng)的V0,A0及值。

式中:V0為壩前淤積面以下的淤積體積(m3);Vs為水庫的總淤積量(m3);H為壩址原河床至正常高水位的總深度(m);A0為水庫深度h等于壩前淤積面以下的深度h0(即h=h0)處的淤積面積(m2)。

結(jié)論:經(jīng)驗(yàn)面積減少法計(jì)算出壩前淤積高程889.16 m,泄洪洞口淤積高程891.0 m。

表1 面積減少法淤積深度試算表

5 淤積形態(tài)分布計(jì)算方法分析與比較

上述三種計(jì)算方法結(jié)果見表2。

表2 泥沙淤積形態(tài)分布計(jì)算成果表

從表中可以看出,三角洲淤積形態(tài)在考慮異重流情況下的洞前淤積高程887.0 m,經(jīng)驗(yàn)面積減少法計(jì)算的洞前淤積高程為891.0 m,錐體淤積形態(tài)下的洞前淤積高程為887.0 m,而三角洲淤積形態(tài)在不考慮異重流情況下的洞前淤積高程為883.0 m,考慮到中塬溝水庫為小(Ⅰ)型水庫,總庫容為986.0×104m3,而經(jīng)驗(yàn)面積減少法是從美國30個(gè)水庫淤積資料總結(jié)概括的,資料的范圍是:庫容從0.4×108m3～386×108m3,所以該方法不太適合中塬溝的淤積形態(tài)計(jì)算;錐體淤積判別式中考慮的因素較多,用來沙量Ws代替來洪量較為合理,同時(shí)兼顧到庫區(qū)自然河道比降,但該種淤積形態(tài)一般都是在滯洪壅水時(shí)庫水位變幅較大、來沙量又多的情況下產(chǎn)生,而中塬溝水庫為亭口水庫的反調(diào)蓄庫,長期處于滿庫狀態(tài),水位變幅小,且來沙量不大,故錐體淤積形態(tài)不符合中塬溝水庫的情況;此次采用的三角洲淤積形態(tài)判別式中參數(shù)雖然僅考慮總庫容與來洪量因素,沒有考慮到庫形因素,為最簡(jiǎn)單的判別公式,但考慮到中塬溝水庫庫內(nèi)水位長期保持在高水位,比較穩(wěn)定,變幅較小,相對(duì)于入庫的洪量來說,庫容又比較大,同時(shí)溝道回水短,比降陡,這些情況下庫區(qū)淤積多為三角洲淤積形態(tài),即三角洲淤積形態(tài)比較適合中塬溝溝道泥沙形態(tài)分析。

同時(shí)考慮到中塬溝水庫平均入庫流量(Q平均=80 m3/s)和含沙量(ρ=21 kg/m3)不大,根據(jù)亭口水庫工程在水庫采用汛期相機(jī)敞泄排沙的運(yùn)行方式下,分析產(chǎn)生異重流時(shí)的排沙沙限為50 kg/m3,類比到中塬溝水庫,即 qs＜qs最小,故不易產(chǎn)生異重流。

綜上所述,此次水庫泥沙淤積形態(tài)分布計(jì)算采用三角洲淤積形態(tài)不考慮異重流情況下的計(jì)算結(jié)果,即壩前淤積高程為881.0 m,推算至泄洪洞口前,淤積高程為883.0 m。

6 結(jié) 論

從上述淤積形態(tài)分析與計(jì)算成果來看,在三角洲淤積形態(tài)下,中塬溝水庫泄洪洞口前的淤積高程為883.0 m,同時(shí)發(fā)現(xiàn)影響壩前淤積面高程的主要因素不是溝道來沙,因?yàn)闇系纴砩尘鄩屋S線距離較遠(yuǎn)(三角洲頂點(diǎn)A距壩軸線1 700 m,三角洲最下游距壩軸線距離950 m),而主要是壩前區(qū)塌岸,而塌岸形成的淤積面坡比近似等于溝道比降的50%。

[1] 錢寧,張 仁,周志德.河床演變學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1989.

[2] 謝鑒衡.河床演變及整治(第2版)[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[3] 涂啟華,楊賚斐.泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 劉月蘭,韓少發(fā),吳 知.黃河下游河道沖淤計(jì)算方法[C]//黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究論文集.鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[5] 陜西省水利科學(xué)研究所河渠研究室和清華大學(xué)水利工程系泥沙研究室合編.水庫泥沙[M].北京:中國水利水電出版社,1983.

[6] 韓其為,向熙瓏,王玉成.床沙粗化[C]//第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京:中國水利水電出版社,1983.

[7] 國家電力公司水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院主編.水電水利工程泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,1999.

[8] 武漢水利電力學(xué)院河流泥沙工程教研室.河流泥沙工程學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,1983.