孫天青，梁學(xué)玉，趙 慧

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

山西省渾源縣王千莊水庫泥沙研究

孫天青，梁學(xué)玉，趙 慧

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

王千莊水庫壩址多年平均懸移質(zhì)含沙量為34.8 kg/m3，總輸沙量56.5萬t，水庫庫沙比約8.4，工程泥沙問題十分突出。通過研究提出合理的水庫泥沙調(diào)度運行方式，最大限度地延長水庫壽命，發(fā)揮工程效益。

水庫；庫沙比；調(diào)度運行

1 工程概況

王千莊水庫位于山西省渾源縣渾河一級支流王千莊峪出口處，壩址以上流域面積186 km2。水庫任務(wù)為工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、灌溉供水、防洪等，年均供水總量1 170萬m3。

2 入庫水沙

王千莊水庫多年平均徑流量為1 478萬m3。徑流年內(nèi)主要集中在6—9月，占年徑流量的48.5%，其中7—8月占年徑流量的30.7%。

水庫壩址以上流域內(nèi)植被較差，水土流失嚴重，每年有大量的泥沙輸送。水庫壩址以上流域懸移質(zhì)年輸沙量51.4萬t，年平均含沙量34.8 kg/m3。賈莊水文站位于王千莊水庫下游的渾河干流，集水面積989 km2，該站有1964—1991年共計28 a同期水沙資料系列。王千莊峪作為渾河的支流，水沙特性與干流渾河有一定的相似性，因此以賈莊水文站作為依據(jù)站進行流域水沙特性分析。

2.1 水沙量年際年內(nèi)分配不均

從年際變化情況來看，來水來沙分布不均，年最大來水量為10 994萬m3（1967年），年最小來水量為1 111萬m3（1987年）；年最大來沙量為495萬t（1967年），年最小來沙量為4.1萬t（1990年）。

流域年內(nèi)水沙分配很不均勻，基本上與降水在年內(nèi)分配一致，即水、沙多集中在汛期6—9月，主汛期7—8月來沙集中程度更甚于來水。1964—1991年系列結(jié)果可以看出，7—8月水量1 372萬m3、占全年水量的30.7%，沙量91.9萬t、占全年沙量的78.5%；6—9月水量2 171萬m3、占全年水量的48.5%，沙量108萬t、占全年沙量的92.5%；10—5月水量2 304萬m3、占全年水量的50.3%，沙量8.76萬t、占全年沙量的7.92%。該地區(qū)非汛期泥沙量很少，泥沙主要集中在汛期6—9月，尤其是7—8月（80%左右），這為水庫排沙提供了有利條件。

2.2 含沙量高

賈莊水文站1964—1991年平均含沙量為26.2kg/m3，汛期平均含沙量為45.9 kg/m3，7月平均含沙量最高、為78.8 kg/m3，8月次之、為60.1 kg/m3。賈莊水文站實測最大斷面含沙量為966kg/m3（1970年7月31日）。

3 水庫水沙調(diào)度運用分析

王千莊水庫庫區(qū)為峽谷型河槽，兩岸山坡陡峻，河道自然比降大（庫區(qū)25.3‰），壩高和庫容受地形條件限制，均較小，河流泥沙含量較大，屬多沙河流水庫。正常蓄水位下對應(yīng)有效庫容為359萬m3，壩址以上年總來沙量為43.0萬m3，庫沙比8.36，水庫泥沙問題十分嚴重。在不采取任何排沙措施情況下，水庫運行9 a后正常蓄水位以下庫容將全部淤滿。因此，合理的運用方式和足夠的泄流規(guī)模是多沙河流水庫長期保持有效庫容的主要條件。

3.1 水庫運用方式

王千莊水庫為綜合利用水庫，按照水庫任務(wù)要求和入庫水沙特點，擬定水庫運用方式為“蓄清排渾、空庫迎洪”運用方式。每年10月—翌年5月水庫蓄水調(diào)節(jié)徑流，滿足供水和灌溉運用；主汛期7—8月按汛期排沙汛限水位1 237 m控制運行，當主汛期發(fā)生中小洪水（5 a一遇及以下）時，可適度打開泄洪排沙閘泄洪排沙，此時庫水位保持在汛期排沙汛限水位，當主汛期發(fā)生較大洪水（5 a一遇以上）時，根據(jù)預(yù)報水庫提前放空蓄水，空庫迎洪，敞泄滯洪排沙運用；同時，為滿足后期供水灌溉需要，汛初、汛末適當抬高水位，攔蓄部分峰后洪水以增加水庫蓄水量。該運用方式主導(dǎo)思想是充分利用大水排沙，小水兼顧興利。

3.2 泄流規(guī)模

水庫泄流規(guī)模的主要任務(wù)是保持足夠大的灘庫容和槽庫容，對于王千莊水庫這類高含沙洪水的水庫，必須要有足夠的泄流能力，才能做到洪水入庫后減少滯洪程度，縮短滯洪時間，控制洪水上灘淤積的機遇和淤積量，從而延長水庫壽命。泄流規(guī)模包括水庫死水位、主汛期限制水位、水庫淤積相對平衡后的平灘水位等泄流規(guī)模。

（1）水庫死水位泄流規(guī)模。水庫死水位是庫區(qū)沖刷平衡河床縱剖面的侵蝕基準面水位，按照泥沙設(shè)計要求，水庫死水位泄流規(guī)模應(yīng)相當于庫區(qū)新河床的造床流量。

（2）水庫主汛期限制水位泄流規(guī)模。水庫主汛期限制水位是庫區(qū)淤積平衡河床縱剖面的侵蝕基準面水位，按照泥沙設(shè)計要求，水庫主汛期限制水位泄流規(guī)模應(yīng)相當于3～5 a一遇洪峰流量或多年平均洪峰流量。

（3）水庫淤積相對平衡后的平灘水位泄流規(guī)模。多沙河流水庫淤積相對平衡后形成高灘深槽平衡形態(tài)，為保持庫區(qū)灘庫容的穩(wěn)定性，在不考慮槽庫容調(diào)蓄洪水的作用下，其平灘水位的泄流規(guī)模要求相當于10～20 a一遇洪峰流量；在考慮槽庫容調(diào)蓄洪水的作用下，其平灘水位的泄流規(guī)模要求相當于20～30 a一遇洪峰流量。

（4）水庫總泄流規(guī)模。水庫總泄流規(guī)模要滿足在水庫沖淤平衡后校核洪水位不超過水庫最高蓄水位要求。

綜上，王千莊水庫死水位1 230 m時泄流規(guī)模為371 m3/s、水庫主汛期限制水位1 237 m左右時泄流規(guī)模為443 m3/s、水庫淤積相對平衡后的平灘水位1 245 m時泄流規(guī)模為514 m3/s，均滿足多沙河流興建水庫對泄流規(guī)模的指標要求。因此，通過控制水庫泥沙的淤積速度和淤積面高程，能使水庫泥沙淤積處于平衡狀態(tài)，從而保持一個長期的有效庫容以實現(xiàn)水庫興利任務(wù)。

4 泥沙淤積計算方案

按照混凝土重力壩主汛期排沙限制水位1 237 m考慮，計算斷面采用庫區(qū)1:2 000實測橫斷面資料。

5 庫區(qū)淤積形態(tài)設(shè)計

5.1 水庫泥沙淤積形態(tài)

其形態(tài)判別式為：

式中：V為水庫總庫容（m3）；Ws為多年平均入庫沙量（m3）；J0為庫區(qū)原始河道比降（以萬分率計）。

水庫原始河道縱比降為25.3‰，經(jīng)計算得到水庫淤積形態(tài)判別指數(shù)α=0.03＜2.2，因此本水庫淤積形態(tài)為錐體淤積。

5.2 庫區(qū)縱向淤積形態(tài)

水庫運用初期泥沙首先在水庫上段淤積，此時只有較細的沖瀉質(zhì)隨水流到達壩前，其中一部分隨水流排出庫外，一部分淤積在壩前，隨著水庫運用年限的增加，泥沙淤積逐漸發(fā)展至泥沙沖淤平衡狀態(tài)，樞紐沉沙作用逐漸減少，樞紐壩前淤積物也隨之由細變粗。

庫區(qū)淤積縱剖面大體分為3段，即壩前沖刷漏斗段、過渡段及水庫正常淤積段。

（1）水庫正常淤積段庫區(qū)平衡河槽比降選用水電部第十一工程局設(shè)計院公式，即：

式中：S為汛期平均含沙量（kg/m3），取 68.7 kg/m3；Q汛為汛期（6、7、8、9月）平均流量（m3/s），取0.66 m3/s。

經(jīng)計算，得到庫區(qū)平衡河槽比降Jk=2.45‰。

（2）沖刷漏斗形態(tài)設(shè)計。底孔一般布置較低，由于過流作用，在底孔上游附近形成局部沖刷漏斗。其形成是由于孔口附近流線集中，流速驟增，河床沖深，但孔口附近流線收縮影響范圍以外的區(qū)域流速較小，泥沙淤高，從而形成前低后高的局部沖刷漏斗。

根據(jù)三門峽等水庫深水孔口門前局部水下地形實測資料，沖刷漏斗的坡度不等于淤積物水下休止角，而且漏斗順水流方向的坡度J小于漏斗側(cè)向坡度J'，王千莊水庫泄洪排沙閘底板高程為1 210 m，汛期排沙限制水位為1 237 m，27 m高差會在壩前形成沖刷漏斗。

根據(jù)國內(nèi)一些已建工程的實測資料，壩前漏斗順水流方向的坡度為1/3～1/30，壩前漏斗的側(cè)向坡度約為1/2.5～1/7。一般而言，如底孔經(jīng)常過流，且過流量越大，其沖刷漏斗邊坡就越??；反之，如底孔不經(jīng)常過流，且過流量較小，其沖刷漏斗邊坡越陡。王千莊水庫汛期流量大，調(diào)節(jié)庫容小，汛限水位時單孔泄量達220 m3/s左右，過流能力大。但由于水庫主要任務(wù)是供水和灌溉，底孔并不經(jīng)常打開，泄流機會并不很多，王千莊水庫壩前漏斗的坡度應(yīng)較陡。

漏斗順水流方向的坡度計算公式為：

漏斗側(cè)向坡度計算公式為：

式中：U為喇叭口的平均流速（m/s），取11.4 m/s；Q為孔口流量（m3/s），按單孔死水位泄量185 m3/s計；H為門前淤積厚度（m），取27 m；Uc1為1 m水深時泥沙起動流速（m/s），按0.4～0.45 m/s計。

經(jīng)計算以及參考已建工程實測資料，王千莊水庫漏斗順水流方向的坡度下半段采用0.2、上半段采用0.033，側(cè)向坡度采用0.35。

5.3 橫斷面淤積形態(tài)

橫斷面淤積形態(tài)自上而下沿程變化，基本上由全斷面淤積到有明顯的灘槽。淤積斷面較寬淺，灘槽高差較小。在橫斷面上沖淤發(fā)展過程一般具有“死灘活槽”即灘地只淤不沖，而主槽則有沖有淤。含沙量較小的河流在水庫蓄水后橫斷面淤積寬度大，運用初期厚度小，基本上沿庫底濕周淤積。

（1）穩(wěn)定河寬。選用以下公式計算穩(wěn)定河寬：

式中：A為河岸不穩(wěn)定系數(shù)，類比青銅峽、鬧得海、官廳等水庫取1.7；Jk為庫區(qū)平衡河槽比降，取2.45‰；Q造為造床流量（m3/s），取83.6 m3/s。

經(jīng)計算，得到穩(wěn)定河寬B=51.74 m。

（2）穩(wěn)定水深。選用以下公式計算穩(wěn)定水深：

經(jīng)計算，得到穩(wěn)定水深h=0.57 m。

（3）依據(jù)我國已建工程實測資料，穩(wěn)定水深以下至河底的槽邊坡取1∶6，穩(wěn)定水深以上至平灘水位的灘邊坡取1∶5。

6 淤積計算成果

當壩型為混凝土重力壩，水庫沖淤平衡后，正常蓄水位1 252 m時庫容為161萬m3，淤積量為198萬m3；水庫沖於平衡后壩前灘面淤積高程為1 245 m，河底淤積高程為1 225 m。水庫壩址淤積橫斷面和縱剖面，如圖1所示。

7 結(jié)論

（1）水庫壩址以上流域內(nèi)植被較差，水土流失嚴重。壩址以上流域懸移質(zhì)年輸沙量為51.4萬t，推移質(zhì)輸沙量為5.14萬t，總輸沙量為56.5萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為34.8 kg/m3。

（2）水庫正常蓄水位1 252 m以下原始庫容約359萬m3，庫沙比為8.4，工程泥沙問題十分突出。水庫要保證年均供水總量1 170萬m3，就要保持150萬m3以上的有效庫容，為此，必須提出合理的水庫泥沙調(diào)度運行方式，以最大限度地延長水庫壽命，發(fā)揮工程效益。

（3）按照水庫工程任務(wù)要求和入庫水沙特點，擬定水庫運用方式為“蓄清排渾、空庫迎洪”運用方式，即：每年10月—翌年5月水庫蓄水調(diào)節(jié)徑流，滿足供水和灌溉運用。主汛期7—8月按汛期排沙汛限水位1 237 m控制運行，當主汛期發(fā)生中小洪水（5 a一遇及以下）時可適度打開泄洪排沙閘泄洪排沙，此時庫水位保持在汛期排沙汛限水位；當主汛期發(fā)生較大洪水（5 a一遇以上）時根據(jù)預(yù)報水庫提前放空蓄水，空庫迎洪，敞泄滯洪排沙運用。為滿足后期供水需要，汛初、汛末適當抬高水位，增加水庫蓄水量。

（4）水庫泥沙淤積呈錐體形態(tài)，庫區(qū)平衡河槽比降為2.45‰。水庫沖淤平衡后總淤積量為198萬m3，剩余有效庫容為161萬m3，因此王千莊水庫可長期滿足工程任務(wù)。

TV145

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1004-7328（2017）05-0040-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.014

2017—05—20

孫天青（1983—），男，工程師，主要從事水文水資源、泥沙研究設(shè)計工作。