[瑞士]　M.海格曼 等

?

沖沙隧洞研究與實(shí)踐

——第一屆沖沙隧洞國際研討會(huì)總結(jié)報(bào)告

[瑞士]M.海格曼 等

2015年，瑞士舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會(huì)，12個(gè)國家參會(huì)者就沖沙隧洞建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)研究與實(shí)踐進(jìn)行了研討交流。研討會(huì)由主旨報(bào)告、最新研究報(bào)告、已建(在建)沖沙隧洞綜述，以及實(shí)驗(yàn)室參觀與現(xiàn)場(chǎng)考察等內(nèi)容構(gòu)成。在簡(jiǎn)要介紹水庫淤積概況與沖沙隧洞對(duì)減少水庫淤積的作用的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了沖沙隧洞水工設(shè)計(jì)、過流能力、運(yùn)用頻率、沖沙粒徑、倒坡襯砌、維護(hù)修復(fù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、輸沙效率與生態(tài)響應(yīng)等方面的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

沖沙隧洞(SBT)；水庫淤積；“旁側(cè)”輸沙；倒坡磨蝕；瑞士

2015年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室(VAW)，聯(lián)合日本京都大學(xué)防災(zāi)研究學(xué)院(DPRI)水資源研究中心(WRRC)和蘇黎世聯(lián)邦電力公司(EWZ)，舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會(huì)，來自12個(gè)國家的參會(huì)者就沖沙隧洞建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)的研究與實(shí)踐進(jìn)行了研討交流。

水庫淤積對(duì)世界各地蓄水水庫的影響越來越大，沖沙隧洞(SBT)是減少水庫淤積的有效方法。通過“旁側(cè)”輸沙過壩至尾水河段，一方面減小了水庫泥沙淤積，另一方面可重構(gòu)泥沙的連續(xù)性。泥沙連續(xù)性可以帶來生態(tài)效益——阻止(至少顯著減緩)大壩下游的河床沖刷，增強(qiáng)河床演變的多樣性；沖沙隧洞可輸送上游河段的來沙，但一般不會(huì)沖刷水庫累積淤積泥沙，因此大壩尾水含沙量不會(huì)出現(xiàn)與水庫或天然洪水特性“相逆”的變化。

1　主旨報(bào)告

本次蘇黎世研討會(huì)共作了3份主旨報(bào)告。波多黎各島GLM工程公司G.L.莫里斯博士對(duì)可持續(xù)泥沙治理進(jìn)行了綜述，通過世界各地系列實(shí)例與案例演示，將可持續(xù)泥沙治理方法概括為如下幾類：

(1) 減少上游來沙；

(2) 泥沙調(diào)度；

(3) 泥沙清淤；

(4) 采用適應(yīng)性方法，例如大壩加高、取水口改造(泥沙無需處置)等。

莫里斯最終得出的結(jié)論是：目前沒有可行的超大庫容維持方法，只能借助于適應(yīng)性方法處置多年調(diào)節(jié)水庫。

日本京都大學(xué)防災(zāi)研究學(xué)院水資源研究中心T.須見教授報(bào)告了日本采用的水庫淤積治理措施，一方面強(qiáng)調(diào)“旁側(cè)”輸沙、沖沙與泄洪，另一方面強(qiáng)調(diào)水沙調(diào)控恢復(fù)河流。關(guān)于后者，他指出，為應(yīng)對(duì)下游河床沖刷并改善魚類棲息地條件，日本多座大壩實(shí)施了下游泥沙補(bǔ)償方案。日本最古老的沖沙隧洞啟用于1908年，位于神戶市附近，具有百年以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。須見教授得出的結(jié)論是：為了更加廣泛地采用沖沙隧洞，需要從研究隧洞的尺寸和長(zhǎng)度著手來降低建設(shè)成本。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室R.伯斯教授講述了瑞士產(chǎn)沙區(qū)域、冰川流域面積近期擴(kuò)大及其對(duì)瑞士水庫的影響，并通過實(shí)例介紹了水庫淤積治理的最新措施。措施包括：通過內(nèi)置沉沙池取水口“旁側(cè)”輸沙(基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè))增加死庫容，通過底孔進(jìn)行渾水排沙，以及水庫水位消落沖沙等。這些措施的采用需要獲得州市部門的批準(zhǔn)，較為典型的前置懸移質(zhì)濃度臨界值為10 g/L。

2　最新研究報(bào)告

氣候變化與永久凍土融退可能“釋放”大量的可移動(dòng)泥沙淤積物，導(dǎo)致流域泥沙輸移增加，加重水庫淤積問題，由此常常影響到發(fā)電、供水、運(yùn)行安全與防洪問題。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的I. 阿貝萊克報(bào)告了該學(xué)院水工水文冰川研究室針對(duì)這些新問題所正在進(jìn)行的研究。首先，應(yīng)該確定因冰川融退而增加的水電潛能；其次，應(yīng)研發(fā)出經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的泥沙治理措施，該措施同時(shí)還應(yīng)能確保河流生態(tài)形態(tài)得以提升至建壩前的自然狀態(tài)。沖沙隧洞可以滿足上述要求，但其性價(jià)比常常受到水力磨蝕破壞的限制。

為了解決這一問題，日本京都大學(xué)C.奧爾博士(曾與蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室有過合作)采用實(shí)驗(yàn)室物理模型，進(jìn)行了水流與泥沙輸移特性以及急流狀態(tài)下磨蝕時(shí)間和空間演變的試驗(yàn)研究?；谠囼?yàn)成果，研發(fā)了一種易于應(yīng)用的磨蝕預(yù)測(cè)模型。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室M.海格曼描述了為確定高抗蝕強(qiáng)度和高性價(jià)比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用材料而進(jìn)行的原觀試驗(yàn)。初步研究成果表明：磨蝕主要源自于推移質(zhì)，懸移質(zhì)影響很小。20世紀(jì)90年代，瑞士朗科赫茲水庫沖沙隧洞進(jìn)行過類似試驗(yàn)，其更多觀測(cè)成果于2014年有過報(bào)道。

瑞士TFB公司F.雅各布斯博士認(rèn)為：高強(qiáng)度雖然可以提高隧洞倒坡防護(hù)材料的抗蝕性能，但是施工和修復(fù)與材料選擇本身同等重要，初期損害部位取因于不連續(xù)性與易損性，這一部位可能會(huì)擴(kuò)大而導(dǎo)致更大破壞。

目前，針對(duì)索利斯(Solis)水庫的一個(gè)研究項(xiàng)目正在開展沖沙隧洞對(duì)環(huán)境影響的研究，瑞士蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室M.法科尼就此研討了沖沙隧洞對(duì)下游河流系統(tǒng)生態(tài)形態(tài)的影響。初步研究成果表明：洪水期間運(yùn)用沖沙隧洞可能導(dǎo)致河流形態(tài)與床沙粒徑級(jí)配的變化。該研究項(xiàng)目的目標(biāo)是基于現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的數(shù)值模型，確定沖沙隧洞的運(yùn)用對(duì)河道水流、河流形態(tài)最終至河流生態(tài)質(zhì)量的影響。

瑞士聯(lián)邦水質(zhì)科學(xué)技術(shù)研究所(Eawag)的E.馬丁正在開展生態(tài)現(xiàn)狀分析。研究表明：河流棲息地質(zhì)量受溢洪道泄洪與沖沙隧洞運(yùn)用雙重影響，影響程度隨洪水頻率強(qiáng)度的增加而增加；相對(duì)于多年頻率洪水，河流恢復(fù)歷時(shí)較短(數(shù)周至數(shù)月量級(jí))，有必要對(duì)這些演變及其與無壩天然河流演變之間的差異開展深入的評(píng)估與定量化研究。

3　已建(在建)沖沙隧洞綜述

研討會(huì)對(duì)瑞士、日本、法國7座已建(在建)沖沙隧洞進(jìn)行了描述。

瑞士聯(lián)邦鐵路公司(SBB)的B.穆勒對(duì)由該公司負(fù)責(zé)運(yùn)行的瑞士普法芬斯普朗(Pfaffensprung)水庫沖沙隧洞進(jìn)行了描述。隧道總長(zhǎng)282 m，4月初至10月底運(yùn)用，其功能是“旁側(cè)”輸送羅伊斯(Reuss)河高含沙水流。自1922年隧洞投運(yùn)以來，粗顆粒推移質(zhì)與高速水流引發(fā)了嚴(yán)重的倒坡磨蝕，相應(yīng)的維修費(fèi)用巨大。近期運(yùn)營商決定在隧洞倒坡上鋪墊1 m2花崗巖塊以減小磨蝕。

瑞士OFIMA公司A.鮑默和R.拉多哥拉共同描述了瑞士帕拉格內(nèi)德拉(Palagnedra)水庫沖沙隧洞(1977年投運(yùn))。隧洞總長(zhǎng)1 760 m，OFIMA公司負(fù)責(zé)運(yùn)行，分流梅萊佐(Melezza)河洪水。1978年特大洪水致使水庫完全淤滿，水庫修復(fù)期間沖沙隧洞不得不連續(xù)數(shù)月運(yùn)用，造成嚴(yán)重的倒坡磨蝕(磨深達(dá)4.8 m)。在過去的30多年中，該隧洞每年大約運(yùn)用5次，均沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的運(yùn)行問題。2011～2013年間，修復(fù)了20%隧洞倒坡以確保運(yùn)行穩(wěn)定。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦電力公司C.歐特力描述了由該公司負(fù)責(zé)運(yùn)行的瑞士索利斯水庫沖沙隧洞(2012年投運(yùn))。該工程隧洞取水口沒有設(shè)置在水庫壩段,而是位于大壩上游450 m處，由此引起的隧洞運(yùn)用問題是隧洞取水為有壓流。洪水之前需要部分降低庫水位以保證水庫上游輸沙能力足夠大，隧洞運(yùn)用成敗有賴于天氣預(yù)報(bào)精度。隧洞倒坡采用高性能混凝土襯砌，運(yùn)用3 a基本無磨蝕。

日本關(guān)西電力公司H.中島描述了由該公司負(fù)責(zé)運(yùn)營的朝日(Asahi)水庫沖沙隧洞。自1998年投運(yùn)以來，隧道輸送約80%來沙，證明了該項(xiàng)泥沙淤積措施的高效率。由于推移質(zhì)數(shù)量較大，隧洞出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的倒坡磨蝕，需要進(jìn)行周期性修復(fù)。隧洞修復(fù)采用的是高性能混凝土，與其他可用的倒坡修復(fù)材料相比較，其造價(jià)在使用壽命周期內(nèi)最低。

2004年投運(yùn)的日本美和(Miwa)水庫沖沙隧洞由日本土地、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)輸與旅游省負(fù)責(zé)運(yùn)營，日本公共工程研究院T.櫻井在報(bào)道中指出，與其他大多數(shù)已建(在建)沖沙隧洞相比較而言，該隧洞(長(zhǎng)約4 km)僅分流懸移質(zhì)泥沙，推移質(zhì)泥沙則由上游攔沙壩攔截或疏浚。

日本最新的沖沙隧洞是將于2016年投運(yùn)的小澀(Koshibu)水庫沖沙隧洞，日本大壩工程中心J.柏井在報(bào)道中指出，該隧洞建設(shè)已處于最后階段，其水工結(jié)構(gòu)重大改進(jìn)均基于水力學(xué)模型優(yōu)化試驗(yàn)。

法國電力公司(EDF)E.拉彼魯薩茲對(duì)位于地中?？莆骷螎u1條總長(zhǎng)133 m的隧洞進(jìn)行了描述。該工程將大壩施工導(dǎo)流洞改建為沖沙隧洞。受工程場(chǎng)地的限制，閘門設(shè)置在隧洞下游而不是在取水口，由此導(dǎo)致了隧洞流態(tài)由自由流向有壓流變化(基于運(yùn)用工況)。

中國臺(tái)灣石門、霧社、曾文和南華等多座水庫均發(fā)生嚴(yán)重水庫淤積，對(duì)上述水庫的泥沙淤積問題進(jìn)行了綜述，并對(duì)遭受2004年艾利臺(tái)風(fēng)影響的多功能石門水庫的規(guī)劃對(duì)策措施進(jìn)行了重點(diǎn)分析。2012年對(duì)該水庫廠房的兩個(gè)水閘之一進(jìn)行了改造，增加了其渾水泄流能力。另外，提議了4處沖沙隧洞位置。研究了改造后水閘的渾水泄流效果。針對(duì)2座擬建的沖沙隧洞，采用實(shí)體模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，數(shù)值模擬了艾利臺(tái)風(fēng)水流工況下其對(duì)下游河道的影響。

中國臺(tái)灣賽美特公司C-S.龔(Kung)博士介紹了其研究成果及其解決措施。由于遭受海歐臺(tái)風(fēng)(2008年)和莫拉克臺(tái)風(fēng)(2009年)的影響，位于臺(tái)灣南部的南華水庫因泥沙淤積損失了38%的庫容。為此，設(shè)計(jì)了一座含沙水流流量1 000 m3/s的大型沖沙隧洞。采用水力學(xué)和數(shù)值模型試驗(yàn)，對(duì)隧洞設(shè)計(jì)進(jìn)行了核實(shí)與優(yōu)化。

另一座規(guī)劃中的沖沙隧洞位于厄瓜多爾瓜拉班巴(Guayllabamba)河，是切斯皮-帕爾馬-雷亞(Chespi-Palma Real)工程泥沙治理的組成部分，沖沙隧洞渾水“旁側(cè)”分流量為158 m3/s。瑞士隆巴爾迪(Lombardi)工程公司的C.格里馬爾迪博士介紹了該項(xiàng)目的概況和沖沙隧洞的詳細(xì)設(shè)計(jì)。瑞士EPFL公司的G.德切薩雷博士報(bào)道了實(shí)體模型試驗(yàn)成果：試驗(yàn)復(fù)核了沖沙隧洞初步設(shè)計(jì)，優(yōu)化了隧洞結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方案，以滿足各頻次洪水下推移質(zhì)100%“旁側(cè)”輸出效率。

裝機(jī)容量150 MW的帕特靈(Patrind)水電站位于巴基斯坦北方的昆哈(Kunhar)河與杰赫勒姆(Jhelum)河之間，目前正在進(jìn)行工程水工設(shè)計(jì)與泥沙治理方案的實(shí)體模型試驗(yàn)。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院水工水文冰川實(shí)驗(yàn)室C.貝克提出如下建議：洪水期間通過沖沙隧洞輸移粗顆粒泥沙，隧洞設(shè)計(jì)流量為650 m3/s；對(duì)于淤積在泄水閘與圍堰壩之間水庫區(qū)域的細(xì)顆粒泥沙則采用年度沖沙。

4　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

本次研討會(huì)取得了若干成果，會(huì)議組織者從如下幾個(gè)主要方面進(jìn)行了總結(jié)。

4.1水庫淤積概況

與會(huì)者一致認(rèn)為：泥沙淤積治理方法多種多樣，最適合方法的選擇依具體工程實(shí)際情況而定；初步選擇應(yīng)該基于庫容-徑流比CIR(水庫庫容與年均徑流量之比)和水庫壽命指數(shù)(水庫庫容與年均來沙量之比)?？沙掷m(xù)泥沙治理經(jīng)常需要綜合多種治理方法，通過水庫與大壩的合理選址與布置，盡可能開始就最小化水庫淤積風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于高產(chǎn)沙流域，可能可行的選項(xiàng)是引水式水庫，主要通過安置有沉沙設(shè)施的取水口蓄水。

4.2沖沙隧洞對(duì)減少水庫淤積的作用

對(duì)于庫容-徑流比和水庫壽命指數(shù)較小的水庫，沖沙隧洞效果最佳，它們既可以替代水庫沖沙，也可以作為輔助措施與水庫消落沖沙共同使用。如果在天然洪水期間運(yùn)用沖沙隧洞，沖泄泥沙對(duì)于下游河道環(huán)境的不利影響便會(huì)最小。

4.3沖沙隧洞水工設(shè)計(jì)

雖然自由水面流沖沙隧洞較優(yōu)，但是設(shè)計(jì)流量下有壓流也是可能的，這取決于閘門位置及其確定的控制斷面。自由水面流隧洞必須防止“氣噎”，需要預(yù)留足夠的過水?dāng)嗝嬗糜谕猓源_保安全的運(yùn)行條件。對(duì)于隧洞水流流速，存在著某種“均衡”，必須足夠大以避免泥沙淤積；但最大流速又要盡量小以最小化剪應(yīng)力、控制倒坡磨蝕范圍。通常建議取水口避讓漂浮物，防止閘門或隧洞其他部位出現(xiàn)樹木與草根阻塞；但在某些情況下，又需要允許樹木安全通過隧洞。采用垂直欄格柵需要謹(jǐn)慎，一旦木屑漂浮物滯留于這些構(gòu)筑物，就可能影響到泥沙的輸移。

4.4適當(dāng)?shù)倪^流能力與運(yùn)用頻率的選取

世界范圍通用的沖沙隧洞的典型過流能力大約相當(dāng)于1～10 a一遇洪水，隧洞運(yùn)用時(shí)段從每年幾天至每年超過100 d，取決于當(dāng)?shù)厮呐c水庫規(guī)模。

4.5沖沙粒徑設(shè)計(jì)

大多數(shù)沖沙隧洞的設(shè)計(jì)和運(yùn)用要求通過全部來沙(從粗沙推移質(zhì)到懸移質(zhì)細(xì)沙)，但某些隧洞(尤其是長(zhǎng)距離沖沙隧洞)采取的則是上游攔截和疏浚粗沙，僅讓懸移質(zhì)泥沙“旁側(cè)”過壩。當(dāng)來水流量超過沖沙隧洞設(shè)計(jì)流量時(shí)，細(xì)沙仍可能進(jìn)入水庫并淤積。

4.6隧洞倒坡襯砌

諸如環(huán)氧樹脂灰漿、橡膠鋼板等很多材料都可采用，但采用最多的仍然是高強(qiáng)度混凝土；最小抗壓強(qiáng)度必須達(dá)到50～70 MPa，以保證足夠的抗水力磨蝕能力。鑄玄武石、石英石等天然石料也可采用，對(duì)于取水口閘門附近水流加速段等超強(qiáng)水力磨蝕段已成功地采用過鋼板防護(hù)。為了選取合適的襯砌材料，應(yīng)同時(shí)考慮并權(quán)衡初期投資與使用壽命周期總造價(jià)等兩個(gè)方面，為此需要對(duì)磨蝕深度與各種材料的使用周期開展更多的和更為精確的預(yù)測(cè)研究。

4.7維護(hù)與修復(fù)

沖沙隧洞的功能維護(hù)可能需要耗費(fèi)大量的精力與資金，起始階段就應(yīng)該進(jìn)行磨蝕深度預(yù)估與使用壽命周期經(jīng)費(fèi)評(píng)估分析?；诘蛊履ノg范圍和隧洞穩(wěn)定危害等考慮，已建沖沙隧洞的修復(fù)工作既可以在每個(gè)枯水季節(jié)按計(jì)劃定期開展，也可以在運(yùn)用幾十年之后不定期實(shí)施。一開始就應(yīng)該設(shè)計(jì)好隧洞進(jìn)入通道。

4.8監(jiān)測(cè)儀器與監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代沖沙隧洞應(yīng)配備監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)水流流速、泥沙輸移等隧洞運(yùn)行特性，以便分析沖沙場(chǎng)次優(yōu)化隧洞運(yùn)行。如果采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，甚至可以調(diào)整每場(chǎng)次沖沙最大化沖沙量。另外，還可以有效地應(yīng)用3D激光掃描，對(duì)磨蝕方式進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

4.9沖沙隧洞輸沙效率與生態(tài)響應(yīng)

沖沙隧洞對(duì)下游影響與“旁側(cè)”輸沙效率越來越重要。應(yīng)通過對(duì)下游河道地形與生態(tài)的監(jiān)測(cè)，基于下游動(dòng)植物影響與“旁側(cè)”輸沙效率(“旁側(cè)”輸沙量與來沙量之比)兩個(gè)方面，優(yōu)化沖沙隧洞的運(yùn)行。應(yīng)通過下游狀況與水庫上游未擾動(dòng)河道斷面之間的對(duì)比，評(píng)估沖沙隧洞的生態(tài)影響。

5　實(shí)驗(yàn)室參觀與現(xiàn)場(chǎng)考察

參會(huì)代表應(yīng)邀參觀了水工水文冰川新實(shí)驗(yàn)室(2013年開始使用)，期間觀摩了若干實(shí)體模型試驗(yàn)，包括：巴基斯坦帕特靈水庫沖沙隧洞運(yùn)行工況的檢驗(yàn)與優(yōu)化，埃塞俄比亞大埃塞俄比亞復(fù)興(Grand Ethiopian Renaisance)大壩底孔的泄流能力復(fù)核與布置優(yōu)化，以及沖擊波與潰壩時(shí)空特性的研究項(xiàng)目等。

會(huì)后參觀了瑞士3座沖沙隧洞，分別位于格利桑斯州索利斯水庫、提契諾州帕拉格內(nèi)德拉水庫和烏里州普法芬斯普朗水庫。參觀期間，代表們了解到了3座沖沙隧洞的詳細(xì)信息，并有機(jī)會(huì)全程步行通過了索利斯水庫的沖沙隧洞，水庫調(diào)度人員詳細(xì)講解了取水口與隧洞建設(shè)情況。在蒂芬卡斯特爾(Tiefencastel)逗留一晚之后，代表們前往帕拉格內(nèi)德拉水庫，參觀了其大壩與沖沙隧洞取水口，水庫調(diào)度人員對(duì)1978年大洪水及其挑戰(zhàn)性修復(fù)工程進(jìn)行了介紹。參觀的最后一站是瑞士最古老的普法芬斯普朗水庫(Pfaffensprung)沖沙隧洞，有關(guān)人員介紹了最新的隧洞倒坡整體修復(fù)工程。

(編輯：朱曉紅)

2016-06-02

1006-0081(2016)08-0037-04

U45

A

董耀華，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，教授級(jí)高級(jí)工程師)