红石峁水库泥沙问题分析及减排技术设计研究

张越峰

﹙陕西省三门峡库区华华阴河务局，陕西 华阴715200)

红石峁水库地处陕北黄土高原区，水库所在河流水系属黄河一级支流清涧河左侧支流红石峁河。该区气象特征明显，冬季寒冷、漫长，夏季炎热、短暂;多年平均气温9.3℃，极端最低气温－24.1℃，极端最高气温39.0℃，冻土深度103 cm;年降水量500 mm左右，且时空分布不均，多集中在7～8月份，约占全年的70%左右。工程区地貌以黄土丘陵沟壑为主，支离破碎。植被呈灌木草被，黄土裸露，水土流失严重，土壤侵蚀模数在13 000 T/km2左右，产水量少，产沙量多，是该区的显著特点。

1 概况

1.1 来水

红石峁水库以上河道长15.3 km，河床平均比降10.8‰，流域面积77.0 km2。坝址处径流分析计算成果见下表:

表1 红石峁水库径流量表 万m3

多年平均径流量356万m。其中7月、8月径流量分别占全年径流量的23.8%和22.8%，较集中。

洪水主要由暴雨产生，也多发生在7、8月份，经分析计算，50年一遇洪水洪峰流量为748 m3/s，洪量335.4万m3;1000年一遇洪水洪峰流量为1 620 m3/s，洪量826.3万m3。

1.2 来沙

经分析计算，水库大坝断面多年输沙模数为13 165 T/km2，坝址多年平均输沙量74.8万m3。月输沙量见表2:

表2 红石峁水库多年平均月输沙量表

由上表可看出，4～10月份来沙量74.7万m3，接近全年来沙量，其中7、8月份来沙量63.5万 m3，占年来沙量的84.9%;4～10月份水流含沙量在4.73 kg/m3～394 kg/m3之间，7个月水流平均含沙量159.99 kg/m3，占年平均含沙量的71.4%;其中6、7、8月水流平均含沙量分别为198 kg/m3、394 kg/m3、329 kg/m3，平均含沙量 307 kg/m3。水流挟沙期主要集中在6、7、8三个月，三个月来沙量69.9 kg/m3，占全年来沙量的93.5%。

经对泥沙颗粒分析，中值粒径 D50=0.039 mm，D75=0.061 mm，D90=0.096 mm。泥沙颗粒级配见表3:

表3 泥沙颗粒级配表

2 泥沙危害及减排措施研究

红石峁水库流域降雨偏少，植被较差，水土流失严重;河流产水量小，产沙量大，年径流水沙比大于5∶1。水库在拦蓄来水的同时，亦拦蓄了上游来沙，经分析，坝址断面多年平均悬移质来沙量74.8万 m3，如若不采取措施，水库将在不到20年时间内被淤满，工程设计效益亦将会随之丧失。所以，研究其泥沙规律，制定理性的，较为合理的减排措施，是十分必要的。

针对水库淤积问题，尤其是现代建库蓄水，泥沙处理是必须要考虑的问题。目前国内外普遍采用的措施:一是上游拦截，即通过工程措施和生物措施，拦泥拦沙，增加植被覆盖，减少水土流失，仅可能的将泥沙拦截在水库水域以外，减少入库泥沙量;二是设置排沙设施，如排沙底孔(渠)，或采用机械挖除，将已人库泥沙尽可能的排(挖)出库;三是设计合理的运行方式，如蓄清排浑，如利用异重流排沙，如汛季畅泄冲沙等。不同的方法均应以不同的工程实际条件而合理选用。

就红石峁水库而言，采取上游水保措施，筑坝拦泥，生物保护，是可行的，但是，需要时间，见效较慢，与水库修建和运行不相同步，只能作为远期目标去实现;采取蓄清排浑，汛季畅泄排沙，对于这一严重缺水区也是不尽合适的;经综合分析认为，利用异重流排沙，以延长工程使用寿命，是符合红石峁水库工程实际的。

3 异重流排沙技术设计

3.1 异重流形成条件

由前边水流输沙过程分析可看出，水库输沙集中在汛季的6、7、8三个月，三个月悬移质来沙合计69.9万m3，占全年悬移质输沙总量的93.45%，输沙期相对集中，有利于实施异重流排沙。

6、7、8月洪水挟沙含量分别为:198 kg/m3、394 kg/m3、329 kg/m3，浑水密度较清水大1.2～1.4倍，有形成异重流体的密度条件。河床比降10.8/00，水库蓄水域相对平顺，潜入条件也是具备的。

3.2 异重流潜入点及潜入点止坝前距离

入库河床宽度38 m，水域河床平均宽度77 m，水面平均宽度270 m，河床比降10.8/00。设计洪峰流量 Q=748 m3/s，洪水总量 w=335.4万 m3，校核洪峰流量 Q=1 620 m3/s，洪水总量 w=826.3万 m3。

公式中:h为潜入点处水深;q为洪水单宽流量;ηg为重力修正系数;k为系数)。

经计算，红石峁水库遭遇设计洪水时，异重流潜入点处水深 h设 =13.4 m，校核洪水时，h校=22.4 m，潜入点距坝前距离分别为2 498.2 m和1 664.8 m，这也说明，设计洪水及校核洪水均有形成异重流的流动条件。

3.3 异重流有效排沙时间

异重流有效排沙时间，即是指某一场洪水自涨至落的持续时间，减去洪水自入库止潜入点的传播时间及自潜入点止坝前的推演历时后所剩余的时间。可用如下关系式表示:t=t0－t1－t2。(式中:t0为洪水持续时间;t1为洪水自入库止潜入点间的传播时间;t2为洪水自潜入点止坝前的时间;t即为异重流有效排沙时间。

洪水持续时间是由洪水过程分析计算而求得的，红石峁水库的设计洪水及校核洪过程历时分别为:t0设=11.5 h和t0校=12.8 h。

洪水自入库止潜入点这段时间，是由此段洪水流速及潜入点前的距离就可计算出的。

异重流自潜入点止到达坝前的历时，可由公式:t2=c求得。(式中:l2为异重流潜入点距坝前的距离;q为异重流单宽流量;s1为异重流含沙量;j0为河床比降;c为系数)。

经计算，红石峁水库设计洪水及校核洪水时，t2设=2 942秒;t2校=1 516秒。最终求得红石峁水库设计洪水和校核洪水分别形成异重流的有效排沙时间为t设=10.45h;t校=12.1 h。

4 排沙量分析

经对洪水分析，设计流域发生洪水过程以单次居多，连发洪水过程很少。所以排沙运行以单次洪峰过程排沙考虑，即每遇洪水入库形成异重流即排沙的运行方式。

影响水库排沙因素较多，涉及入库水流挟沙量，河床比降，糙率，水库清水域范围，排出孔口高程，出库流量等因素。

《泥沙手册》中介绍了多位学者关于异重流排沙的理论研究及国内外已成工程排沙实践研究，但就具体工程而言，还应顾及个性工程特点并合理地分析计算确定其排沙比。

根据红石峁水库产水产沙特性及工程条件，假定水库异重流中的关系在沿程为常数，再利用ν－D90关系及式就可分别求算出异重流分段流速，(式中:V为异重流流速;w为挟带泥沙的沉速;ν1为紊动流速;D90为异重流挟带的较粗粒径;ρ为流体密度;Δρ为相对清水的密度差;q为单宽流量;jb为计算段比降)。有了流速，就可由ν－D90关系中查算得D90值，再由泥沙级配曲线上求得与 D90相对的百分数(p)，即可求算出计算断面处的含沙量。

为便于计算，取平均流速ν1.64 m3/s，异重流平均含沙量 307 kg/m3。由 ν－D90关系求得 D90为 0.046 mm，由泥沙级配曲线查得D90=0.046 mm对应的p=60.5%，出库断面含沙量就可算出。并由此推算出排沙比为0.672;当j0=1/2 000 时，η =0.33。

经分析计算，红石峁水库初期运行时，其排沙比在0.7左右，这说明初运行期的排沙效果还是比较好的。随着水库运行期的延长，推移质及排后剩余的悬移质会逐年增多，这些泥沙会逐渐地改变着河床形态，改变着排沙条件，改变着排沙效果。当河床坡降达到1/2 000左右时，排沙比为0.194 ～0.33。

经过分析计算可得出这样的结论:对于蓄浑水库，尽管采取了排沙措施，但只能是减少，推迟淤积。尽管如此，采用异重流排沙对于多泥沙河流水库减淤运行，延长使用寿命，还是十分有意义的。

［1］中国水利学会泥沙专业委员会，泥沙手册(第一版)［M］北京，环境科学出版社，1989.

［2］沙玉清，泥沙运动学引论［M］，中国工业出版社，1965.

［3］范家骅，异重流泥沙淤积的分析﹝J﹞，中国科学，1980.

［4］韩其为等，异重流的输沙规律﹝J﹞，人民长江，1981.