水库横向冲蚀的初步研究

康 锋，侍克斌，陶春洁

（1．河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳 455000；2．新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）

水库横向冲蚀的初步研究

康 锋1，侍克斌2，陶春洁1

（1．河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳 455000；2．新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）

水库泥沙淤积一直是阻碍水库功能正常发挥的一个严重问题。在各种水库排沙的方法中，水库横向冲蚀技术就是一种很好的水库排沙方法，以往人们没有对该方法进行系统的总结与概括。依据头屯河水库2001年运用高渠排沙的成功经验，通过数据总结和规律分析，提出适合于该水库高渠排沙的宽深经验公式。同时，根据水库横向冲蚀的特性及规律，推导出用管道拉淤时，冲滩流量控制的一套简单公式及操作方法。其研究成果不仅有利于头屯河水库今后泥沙的管理，而且为相似水库的排沙提供了依据，更为水库横向冲蚀技术深入研究提供了理论依据。

横向冲蚀；水库淤积；管道拉淤；经验公式；头屯河水库

1 水库横向冲蚀概述

众所周知，采用泄空冲刷只能在水库淤积面上拉出一条槽，滩库容仍不能恢复。横向冲蚀是利用辅助设施截引河水至待冲库段。凭借高滩深槽形态所形成的横向大比降，依靠水力冲刷及重力侵蚀作用，对库区前期淤沙进行破离与输移。横向冲蚀排除淤沙不用机械、不耗电力、成本低、效率高，加之操作方便，很受水库管理部门的欢迎。

1．1 横向冲蚀的特点

首先，横向冲蚀的排淤效率很高。横向冲蚀技术的出现，使得长期淤积且已经沉积固结在库中的泥沙排出，库容迅速恢复，实现了排沙的高效率。

其次，能形成远距离输送的高浓度水流。横向冲蚀的过程，实质上就是对水流进行加沙造浓的过程。高含沙水流随着含沙量不断增大，泥沙颗粒将以群体形式下沉，其沉速较单颗粒泥沙的沉速小几百倍。所以，在横向冲蚀过程中进行高渠输沙时，其泥沙不致在渠道中大量淤积。

最后，排沙的成本低。排沙成本是衡量经济效益的重要指标之一。横向冲蚀是依靠水力冲刷和重力侵蚀来破离、输移泥沙。工程设施也比较简单，故清淤成本十分低廉［1］。

在实际应用中，不一定要求水库每年泄空，而是每隔几年泄空一次。这样以来，地处干旱或半干旱地区的水库，特别是新建的水库，可采取“多年蓄水”运用，以提高径流调节能力。当淤积发展到一定程度后，再采取横向冲蚀方式进行拉沙，恢复库容。

1．2 横向冲蚀的技术分类

水库横向冲蚀技术一般可分为高渠泄水冲滩技术和管道拉淤技术。

2 水库高渠泄水冲滩

2．1 水库高渠泄水冲滩的特点

当选用的输水设施为渠道或明槽时，此类横向冲蚀称为高渠泄水冲滩。当冲刷水流由高渠泄水入滩时，因滩高槽深，横向比降较大，水流湍急，故发生剧烈的淘刷与下切，引槽两侧的淤土体在重力作用下坍塌，大量的淤泥和泥团随水流一起进入主槽，并排出库外。高渠泄水冲滩，首先是从滩面比降由缓变陡处一片一片开始冲刷，自下而上溯源推进。同时，由于被冲的淤土为层状结构，且每层淤土具有从上到下，其粒径由细到粗，干重度由大到小的分布特点，在每层层面处，粒径细，粘度大，难以冲刷。因此，高渠泄水冲滩为跌坎状“切豆腐”式的冲刷［2］。

其跌坎溯源推进示意图如图1所示。

2．2 水库的高渠泄水冲滩布设

高渠泄水冲滩的辅助设施包括挡水低坝和输水高渠2部分。水库高渠排沙始终要遵循2条原则：①高渠排沙的过程必须按先坝前后库尾，逐步向上发展的原则进行；②每条横向排沙冲刷槽的切深扩宽工作台完成彻底后，才允许移向下一条冲刷槽的造槽工作。在水库造槽工作全部完成后，可以关闸蓄水浸泡冲刷槽间的脊梁，使其水下自然塌落，降低淤积高程。高渠排沙清淤主要工程项目有挡水坝、高渠、集流槽3大项，具体如图2所示。

图1 高渠横向冲蚀横断面Fig．1 High channel lateral erosion at a transverse section

图2 高渠横向冲蚀布置图Fig．2 Tall canal lateral erosion arrangement

冲滩设施的作用在于将输水高渠的水流，有计划地分配和导引至淤滩表面，以利冲滩拉淤。集流槽在滩面上的位置，一般应大致正交于原主槽或水流流向，并与泄水口相对应。集流槽断面尺寸，则取决于入滩流量，应以容纳下入滩水流为限［3］。

2．3 头屯河水库2001年高渠排沙方案

头屯河水库库区滩地平缓，质地疏松，位高而面大，有利于布置高渠排沙，其横向冲蚀、溯源冲沙条件极佳。为此，经多方面论证我们2001年选择了高渠排沙方案。

头屯河水库淤积滩地高，为采取高渠水力冲刷排沙创造了有利的地形条件。在右岸淤积河滩上开挖一条顺水流方向贯穿库区的人工引水渠（高渠），利用左岸河槽可人为调节高渠引水量的大小，从而可以控制高渠水力冲刷排沙的全过程。当上游河道来水量较小时，高渠排掉的泥沙很难被输移至下游河道。这时通过控制水库库水位，使泥沙暂时积存在水库坝前的区域，水库蓄水到一定程度时，迅速加大泄水流量，利用高水头将积存在坝前的泥沙搬运至水库下游河道。当上游河道发生较大洪水时，迅速降低库水位，加大高渠引水量，同时加大水库涵洞泄水量，高渠水力冲刷排沙力度将随之增大。高渠排掉的泥沙在洪水的作用下，可以很畅通地输移至下游河道［4］。选择高渠拉沙方式排沙，可以人为控制排沙过程，是合理可行的。

2．4 高渠排沙宽深经验公式的确定

冲刷口或引槽间的间距取决于冲刷槽两侧淤土滑塌的范围，而滑塌范围又与土的力学性质有关。由土力学原理可知，土体稳定程度可以用C／γH值表示［5］（C为粘聚力；γ为湿重度；H为深度）。

因此，冲刷宽度B受着冲刷深度H的制约，以函数关系表示如下，

式中：B为冲刷槽冲刷宽度，H为冲刷槽的深度。

因此，相邻冲刷口或引槽间的间距L应小于最大冲刷宽度Bm，即

式中Bm为相应于最大冲刷深度下所对应的冲刷宽度。

由于各库的淤土性质不尽相同，式（1）的具体表达式也有所差别。头屯河水库2001年高渠排沙时高渠宽深变化情况见表1。

表1 水库高渠宽深变化情况表Table 1 W idening and deepening in a reservoir high canal

因为研究的是高渠冲滩技术，所以以出口段为研究对象，将其宽深进行点绘如图3所示。

图3 高渠出口段宽深关系Fig．3 W idth depth relationship in exit reach of the high canal

根据点绘点，用Excel进行计算机拟合，最终得出槽深与槽宽的关系式为

即

式（4）为头屯河水库高渠冲滩宽深经验公式。

3 水库输水管道拉淤

3．1 水库输水管道拉淤概述

对于库岸陡峻的峡谷型水库，如仍采用高渠拉淤，势必因高渠开挖工程量浩大，从而失去应用价值。这时，应因地制宜选用输水管道拉淤。所谓输水管道拉淤，多为水泵取水，管道输水，在管道上每隔一定距离布设闸阀，以控制拉淤部位与入滩流量。

3．2 水库输水管道拉淤计算

3．2．1 输水管道闸阀处水头损失计算

沿程水头损失常用的计算公式为

式中：hfi为从压力泵出口断面到第i个闸阀断面之间的沿程水头损失；λ为沿程水头损失系数，λ＝8g／C2，其中C＝R1／6；li为第i个闸阀处管道长度；R为水力半径，圆管有压流R＝D／4，其中D为圆管直径；vi为第i个闸门处断面平均流速．。

管道内的糙率系数可按表2取值［6］。

表2 糙率系数n取值Table 2 Roughness coefficient n for different pipe ducts

局部水头损失的计算公式为

式中：hji为第i个闸阀处的局部水头损失；ξ为局部水头损失系数。

3．2．2 压力泵扬水高度计算

因为水库横向冲蚀的输水管道为压力管道，结合其运用特点，按简单管长，大气自由出流情况进行计算。当我们需要在滩面某处进行冲滩时，首先确定需要冲滩的流量，这个流量要根据需要冲滩的多少及淤滩的变化情况确定。然后依据下面公式计算该冲滩闸阀处需要的水头。

式中：hi为第i个闸阀处的需要水头；Q为流量；K为流量模数，K＝ωC，其中ω为断面尺寸。

则压力泵需要扬水高度H可用下式计算：

根据上述计算公式，我们可以根据淤滩的实际情况，通过对压力泵扬水高度及闸阀的开启实现对冲滩部位及冲刷流量的控制，从而有效控制冲刷范围和冲刷量。

4 结 语

本文阐述了水库淤积以后采用横向冲蚀的重要性，并对横向冲蚀进行了详细介绍，通过其冲刷的特点说明了其冲刷的优越性，从而使我们对横向冲蚀作用有更深刻的了解。通过对新疆头屯河水库的高渠排沙部分数据，得出高渠冲刷时的宽深经验公式，为今后头屯河水库进行高渠冲刷提供依据，也为其它水库的高渠排沙工作提供参考。同时，介绍了水库输水管道拉淤，提出管道拉淤时对冲滩部位及冲滩流量控制的方法，该方法及公式对一些不适于进行高渠排沙的地区有相当重要的作用，为这些地区提供新的排沙思路。该文也对中小型水库的管理和运行提供了依据。

［1］ 高 柯，张 敏，许杰庭．横向冲蚀排沙技术在头屯河水库中的运用［J］．人民珠江，2005，（3）：66－67．（GAO Ke，ZHANG Min，XU Jie ting．Lateral erosion of flushing technology in Toutunhe reservoir［J］．People’s Pearl River，2005，（3）：66－67．（in Chinese））

［2］ 陕西省水利水土保持厅．水库排沙清淤技术［M］．北京：水利电力出版社，1989．（ShanxiWater Conservation Hall．Reservoir Bait casting Technology［M］．Beijing：Hydraulic Power Press，1989．（in Chinese））

［3］ 水利部西北水利科学研究所，水利水电科学研究院泥沙所，山西省水利科学研究所．中小型水库设计与管理中的泥沙问题［M］．北京：科学出版社，1983．（Sci entific Research Institute of Water Conservancy North west，Scientific Research Institute ofWater Conservancy，Hydroelectricity and Sediment，ShanxiWater Science in stitute．Small and Medium sized Reservoirs in the Design and Management of Sediment Problems［M］．Beijing：Science Press，1983．（in Chinese））

［4］ 于进江，许杰庭．头屯河水库调水调沙技术研究与应用［R］．乌鲁木齐：新疆水利厅头屯河流域管理处，2006．（YU Jin jiang，XU Jie ting．Toutunhe reservoir water sediment regulation technology research and appli cation［R］．Urumqi：the Office of Toutunhe Basin of Xinjiang Bureau，2006．（in Chinese））

［5］ 卢廷浩．土力学［M］．南京：河海大学出版社，2002．（LU Ting hao．Soil Mechanics［M］．Nanjing：Hehai U niversity Press，2002．（in Chinese））

［6］ 高速水力学国家重点实验室（四川大学）．水力学［M］．北京：高等教育出版社，2003．（High speed Hy draulics State Key Laboratory（Sichuan University）．Hy draulics［M］．Beijing：Higher Education Press，2003．（in Chinese））

（编辑：刘运飞）［6］ 范昊明，蔡国强，杨传强．柳河流域沙量平衡分析［J］．农业工程学报，2005，21（2）：52－55．（FAN Hao ming，CAIGuo qiang，YANG Chuan qiang．Sediment budget for Liuhe River drainage basin［J］．Transactions of the Chi nese Society of Agricultural Engineering，2005，21（2）：52－55．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Abstract：On the basis of the annual series of data of hydrological stations in themiddle and lower reaches of Liaohe River and the sediment budgetmethed is used to research the temporal and spatial distribution of sediment in the middle and lower reaches of Liaohe River．Study results show that the reach from Juliuhe to Liujianfang is a strong deposition district of themiddle and lower reaches of Liaohe River．The correlation between the deposition amount of the reach from Juliuhe to Liujianfang and the water and sediment volume from different sediment districts in the upper reaches of Liaohe River is researched using statisticalmethods．The results show that the deposition of the reach from Juliuhe to Liujianfang and sediment yield of Liuhe River have a good correlation．Changes of sediment yield area of Liuhe River play amajor role in controlling to changes of sedimentation volume in the lower reaches of Liaohe River and the unitwater and sediment of flood season makes a greater contribution rate to the basin deposi tion．Therefore，in order to alleviate the problem of deposition in the lower reaches of Liaohe River，the governance of soil erosion should be strengthened in Liuhe River basin．

Key words：sediment source area；river sedimentation；themiddle and lower reaches of Liaohe River

Prelim inary Study on Reservoir Lateral Erosion

KANG Feng1，SHIKe bin2，TAO Chun jie1
（1．Water Conservancy，Survey and Design Institute，Anyang 455000，China；2．Water Conservancy and Civil Engineering College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Reservoir sedimentation is a serious problem to gradually lose normal function of a reservoir．Lateral ero sion in reservoir flushing technologies is a kind of very good method to flush reservoir sediment deposition．In the past，themethod was not summarized systematically．On the basis of the experience and data obtained by themeth od in the Toutunhe Reservoir in 2001，and through analysis，an empirical formula was given．At the same time，according to the reservoir characteristics of lateral flushing and regularity，with a pipe flushing，a simple formula used for controlly flushing discharge and several operationalmethodswere proposed．This research result is notonly beneficial to the Toutunhe Reservoirmanagement，but also provides the theory basis of applying lateral flushing in reservoir for other similar reservoirs．

lateral erosion；reservoir desilting；pipe flushing；empirical formula；Toutunhe Reservoir

Liaohe River W ater and Sediment Source Areas Effects on Sediment Deposition Downstream

CHEN Yang
（Higher Vocational and Technical College，Shenyang Agriculture University，Shenyang 110122，China）

TV145

A

1001－5485（2010）05－0001－03

2009 06 16；

2009 10 20

康 锋（1982 ），男，河南安阳人，硕士，主要从事水利水电工程设计、施工理论及方案优选研究，（电话）15294706216（电子信箱）kangfeng2128＠163．com。