浅谈人工辅助排沙在克孜尔水库中的运用

张宏科

（克孜尔水库管理局 拜城 842313）

1 工程概况

克孜尔水库是渭干河流域上一座以灌溉、防洪为主，兼顾水力发电的综合性利用的大型水利枢纽工程，水库坝址位于渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河汇合口以下约500m处，水库控制集水面积16637km2。水库于1992年主体完工并投入蓄水运行，因泥沙淤积严重导致防洪库容减小，于2007年大坝安全鉴定确定为三类坝，2009年6月进行除险加固工程施工；克孜尔水库除险加固设计总库容7.25亿m3，水库正常蓄水位1149.6m，相应库容4.28亿m3。水库控制下游库车、沙雅、新和三县灌区，设计灌溉面积为21.33万hm2，工程为一等大（1）型工程，主要建筑物为1级，整个枢纽由主坝、副坝、溢洪道、泄洪排沙涵洞与发电站组成。 电站总装机26MW（4×6.5MW），多年平均年发电量 1.34亿 kW·h。

2 克孜尔水库泥沙淤积现状

1991年8月，克孜尔水库开始蓄水并投入运行，至今己运行20年。根据新疆水利水电勘测设计院于2007年1月份完成的库区泥沙淤积观测结果表明：至2006年年底,克孜尔水库泥沙淤积总量已高达1.79亿m3，剩余库容4.28亿m3，库容损失率为29.0%。其中，死库容淤积0.858亿m3，剩余死库容0.442亿m3；有效库容淤积0.932亿m3，剩余有效库容3.84亿m3。

克孜尔水库设计运行20年的泥沙淤积总量为1.26亿m3，库容损失率为20%；其中死库容淤积0.4478亿m3，有效库容淤积0.817亿m3。因此，克孜尔水库实际运行16年的泥沙淤积总量已超过了设计运行20年的泥沙淤积总量1.26亿m3。

3 泥沙调度现状及排沙不畅的主要原因

3.1 泥沙调度现状

为解决克孜尔水库日趋严重的泥沙淤积问题，依据历次模型试验主要结论，结合克孜尔水库实际供水调度、泥沙调度运行状况，水库现状能够实现排沙调度的方式有两种，即：低水位浑水排沙、异重流排沙。从近年来克孜尔水库泥沙调度实际情况看：低水位浑水排沙受工程枢纽布局、水库运行水位及泄流量等因素的影响，其排沙效果并不理想；支流克孜尔河异重流排沙效果较为明显，异重流可以抵达坝前并排出库外，但因洪水过程历时较短、洪量小，所以排沙量也十分有限；而干流木扎提河入库泥沙难以以异重流形式到达坝前,所以干流泥沙几乎全部落淤。悬移质泥沙监测资料显示，克孜尔水库自1992年蓄水运行以来，18年入库悬沙总量为21611万t，出库总沙量仅为1266万t，实际排沙比5.9%，其中观测记录了14场次异重流排沙调度，测算累计出库总沙量仅140万t。因此，与入库沙量相比排沙十分有限，效果并不理想。

3.2 支流克孜尔河形成的“拦沙底坎”是导致干流排沙不畅的主要原因

目前，库区泥沙淤积的速率已远远超过原设计预估的淤积水平，水库的淤积形态已由带状淤积逐渐转化为三角洲淤积形态。据2007年水下地形图实测资料表明，干流木扎提河库段的三角洲淤积顶点位置已位于坝前7.5km左右，三角洲淤积顶点高程也高于设计淤积水平年的顶点高程；而支流克孜尔河库段的锥体淤积顶点位置约位于坝前1.5km处；水库运行过程中干、支流河道水流的相互顶冲作用，并在两河交汇处的“鱼嘴”附近形成拦沙底坎，阻塞了干流木扎提河原河槽的泥沙输送通道，并在坝前3km以上形成“库中库”（见图1），致使干流水流所携带的泥沙在其上形成“浑水水库”难以排出。

图1 克孜尔水库2007年泥沙淤积数字模型

因此，支流泥淤积推进速度过快，在干流方向形成的“拦沙底坎”也是克孜尔水库干流排沙不畅的主要原因之一，而且这一工况将随着“拦沙底坎”的继续推进和增长，其上“浑水水库”的库容亦随之增加，干流排沙将趋于更加困难，直接影响到水库引水工程的正常运行。

鉴于利用异重流排沙和低水位浑水排沙在实际运用中效果均不甚理想，经多次论证后认为：解决克孜尔河库段的泥沙淤积对干流木扎提河库段首部的阻塞问题，关键是要将克孜尔河库段与木扎提河库段的泥沙运行路径进行分离，使之各行其道；同时利用克孜尔河自然纵坡较大的优势，在水库汛期6～8月初的低水位运行期，将支流克孜尔河高含沙洪水通过滩地直接输送至泄洪排沙底孔进口处排出库外，不仅减轻了支流在库盘内的泥沙淤积，同时也抑制了支流在干流上形成的拦沙底坎的推进。

4 人工辅助排沙措施的可行性研究

4.1 支流克孜尔河水沙特性分析

根据阿克苏水文水资源勘测局《克孜尔河洪水及悬移质泥沙时空分布规律分析》资料知，支流克孜尔河多年平均径流量为3.27亿m3，其中6～8月份的水量占全年径流总量的53.1%；洪水资料表明，6～8月份出现最大洪峰流量在90%以上，其中7月份出现洪水的频次50%（见下表）。

克孜尔河年最大洪水各月出现频次统计表

泥沙统计资料表明，支流克孜尔河是一条多泥沙河流，多年平均悬移质输沙量为179万t，平均含沙量为4.98kg/m3。悬移质泥沙年内分配很不均，夏季气候燥，加上地表岩石物理风化强烈，冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙进入河流，使得河流夏季输沙量高度集中，连续最大四个月输沙量均集中在6～9月份，多年平均四个月最大输沙量占全年的93.6%以上，其中7月份最高值可达43.8%以上。

因此，根据支流克孜尔河径流、洪水、泥沙在年内的时空分布特点，充分利用汛期水库低水位运行时机，能够将支流6～8月份的泥沙有效排出库外，是治理或缓解水库泥沙淤积的关键所在。

4.2 人工辅助排沙方案布置

为有效分离支流克孜尔河与干流木扎提河库段的泥沙运行路径，经地形勘测与实际调研，必须在克孜尔河水库段右岸布设挑流丁坝，将支流克孜尔河的主河道由库盘的右岸改向左岸；为尽可能缩短洪水输沙距离以减少落淤，可在左岸二阶台地上人工开挖输沙渠道，将泥沙输送至泄洪排沙明渠，并从排沙底孔直接排出库外。此外，为确保改道后的高含沙洪水能够完全汇入左岸二阶台地上的人工输沙渠道，需要在输沙渠道入口处修筑导流堤进行导流。通过以上三项配套工程（见图2），可以实现支流克孜尔河人工辅助排沙的目的。

图2 克孜尔水库克孜尔河库段人工辅助排沙工程布置图

5 克孜尔河水库段输沙水工模型试验

为了验证上述人工辅助排沙方案、工程布置及排沙效果，新疆农业大学于2010年4月依据当年实测水下地形图（1∶10000）、克孜尔河水沙特性、水库汛期运行等条件，完成了克孜尔河库段输沙水工模型试验。

模型试验结果表明，只要在合适位置布置丁坝就可解决克孜尔河库段水流沿右岸流向“鱼嘴”的问题，且挑流效果均较为理想。但考虑工程投资及施工技术难度，仍确定挑流丁坝总长为407m，位于坝址以上5.3km处，该位置具有河道相对较窄、河床稳定等优势，即是稀遇洪水发生时，漫坝水面高程也低于批准的水库淹没高程。试验获取丁坝上游坝脚处最大流速为2.93m/s，最大冲刷深度为5.6m，丁坝左端头冲刷槽最大宽度为130m，对原河道左岸的冲刷（吃进）宽度约40m，在水库淹没线控制范围之内。

通过模型试验对人工排沙渠方案进行优化：人工输沙渠轴线与原泄洪排沙明渠的轴线夹角为63°，总长600m，深 6m，横断面为梯形，边坡为 1∶1.5，人工排沙渠进口高程1134m，出口底部高程1132m，渠底宽40～50m，最大平均流速为1.25m/s。为提高输沙效果，在人工输沙渠进口右岸设置一座长约528m的淹没式导流顺坝，对改道后的左岸水流进行拦截并导入输沙渠。

试验过程及数据分析表明，汛期6～8月份库水位控制在1135m以下，上游河道来水和水库泄水流量均保持在750m3/s以内（相当于2～3年一遇流量），克孜尔河水库段就能够通过人工辅助排沙方案达到较为理想的排沙效果，即汛期排沙总量可达到152万t，占支流克孜尔河全年来沙量的85%左右。为避免泄洪排沙底孔洞口附近和人工输沙渠中的泥沙落淤或堆积，试验还建议低水位时宜采用脉动式开启闸门或更低水位的运行方式，对保持输沙渠及排沙底孔顺畅冲刷、排沙十分有利。

6 结语

a.克孜尔水库泥沙淤积十分严重，水库排沙日趋困难，特别是支流克孜尔河在干流方向形成的“拦沙门坎”是直接影响水库排沙效果的主要原因之一；而遏制拦沙门坎继续增长的关键是在于将支流与干流的泥沙运行路径进行分离，使之各行其道。

b.通过地形踏勘及调研分析认为，通过工程措施不仅可以将支流克孜尔河流向由现状的右岸改道至左岸，而且可利用左岸二阶台地优势，将汛期高含沙洪水直接输送至原排沙明渠，通过排沙底孔排出库外。

c.经过水工模型试验进一步验证了人工辅助排沙方案是可行的，支流克孜尔河经挑流改至左岸后，支流在干流方向形成的拦沙门坎得到了有效遏制；再通过导、引等措施，可以将汛期高含沙洪水在低水位时直接排出库外。初步测算年排沙量高达152万t左右，占支流全年入库沙量的85%，排沙效果较为理想，采用人工辅助排沙方案是目前能够减缓水库泥沙淤积的一项有效措施。

[1]新疆克孜尔水库克孜尔河库段输沙水工模型试验[R].乌鲁木齐：新疆农业大学,2010.

[2]新疆克孜尔水库泥沙淤积监测总结报告[R].乌鲁木齐：新疆水利水电勘测设计研究院,2007.