泥沙沉积管理的创新性进展

［瑞士］ G.德赛萨尔等

1 泥沙沉积

1.1 水库泥沙沉积

泥沙沉积是全世界水库的一项最重要的课题。在较深的大型水库中，泥沙沉积主要与混浊流输送泥沙的现象有关。建造大型水坝会显著改变人工湖内和水坝下游原天然河流的水流情势。考虑到在洪水期间泥沙浓度通常较高，入库水流较之周围的流体有着更高的密度，因而悬移质可以混浊流的形式沿着水库底部一路被挟带至水坝(附近)。当混浊流的强度足够大时，能够侵蚀和搬运大量水库自身的泥沙。其结果是大量的沉积物有可能快速覆盖水库底部泄水孔，影响发电进水口的运行，减少水库的容积。

虽然大力建造水库的目的是蓄水，但是被入流所挟带的部分固体物质往往在水库内沉积下来。修建水坝会显著改变水流的性能，使河流水流变成湖泊水流，来流中的固体颗粒沉积。水库和天然的湖泊一样，会以不同的速度渐渐淤塞。在一些极端的情况下，水库有可能仅在几年内就被泥沙完全填满。只有通过适当的管理对泥沙沉积加以控制，水库才是可持续的，才能继续充当可再生能量的来源。

1.2 混浊流

流域或河床中土壤的侵蚀是河流输送的大部分泥沙物质的源头。侵蚀的过程通常开始于海拔较高的山区，随后发生在高地和平原，最终在湖泊或海洋以沉积的形式结束。河流通常搬运一定粒径范围的泥沙颗粒，具体情况取决于流域的泥沙补给和水流强度(以流速和水流紊动程度表示)。在洪水期间，细小泥沙的比例可能占到河流所输移总泥沙量的80%～90%，而且总的泥沙排放量通常相当大。如果悬浮泥沙浓度足够高，水流就可变为混浊流。

图1 泥沙沉积类型和受泥沙沉积影响的区域

混浊流是泥沙重力流的一种，通过这种形式，挟沙水流在其他静止的水中沿斜坡向下运动(图1)。混浊流的驱动力来自悬浮的物质(细小的固体物质)，这些悬浮物使得流动的混浊水比其上部的清水更重。当挟沙河流进入一座大型水库时，较粗的颗粒逐渐沉积下来，并在水库上游入口地带形成一个三角洲，随着沉积过程继续进行，三角洲向水库深处扩展。较细的、保持悬浮状态的颗粒流经三角洲，越过三角洲的边界。如果过了边界之后，湖中清水与入流河水的密度之差足够大，就可能使入流的水(沿水库底部)潜行，并可能引起混浊流。混浊流可能在水库内其路径上清除悬浮的粒状物质，甚至也可使颗粒状物质重新悬浮。随着混浊流横断面面积的增加，流速减小，泥沙沿混浊流路径沉积下来。通常只有细小的泥沙(粘土和淤泥质土颗粒)能在足够长的时间里保持悬浮状态，这些细小泥沙沿水库底部深泓线长距随流潜行，穿过水库的蓄水，到达湖底最深处，这里往往靠近大坝的泄水孔。挟沙水流一旦到达大坝处，就形成一层泥浆并在这里沉淀下来。

1.3 防止水库泥沙沉积的措施

为了保证水库的可持续使用，非常需要限制泥沙在水库内积累。阿尔卑斯地区各水库的泥沙管理不可能通过某个标准的、普遍的规则或程序来完成。此外，泥沙管理不仅仅限于水库本身，因为泥沙形成于流域的起点，并扩展到水库下游的河流。每种情况都必须单独加以分析，以确定要采用的解决措施的最佳组合方案。图2中归纳总结了一些可行的措施，并根据这些措施适用的范围加以分组。

图2 水库泥沙管理措施

为了平衡通过水库的泥沙量，需要一个包含了各种可行策略的泥沙管理的综合方法。综合泥沙管理包括对整个泥沙问题的分析，应用适合于现场的各种泥沙管理策略。这种方法意味着(泥沙管理)方案的实施必须与可持续的长远利益的保护保持一致。

一个可持续的泥沙管理策略还应该包括对下游河道泥沙的管理。监测数据应该包括(泥沙沉积)对下游的影响，以及水库内的泥沙沉积过程。

2 实例研究

本文以两座水库为例说明了不同解决方案的差异和相似之处，以及解决泥沙沉积问题所采取的方法。两座水库都位于瑞士阿尔卑斯山，分别是伯尔尼奥勃兰的格里姆瑟尔(Grimsel)水库和提契诺的吕宋尼(Luzonne)水库。

两座水库海拔高度相近，有着等量级的库容。格里姆瑟尔水库正常水位在海拔1908 m，而吕宋尼水库正常水位在1606 m。两座水库的容积分别为1.01亿 m3和1.08亿 m3。

2.1 潜坝的使用(格里姆瑟尔水库)

在建项目内容包括将现有的两座大坝加高23 m，这两座大坝形成了格里姆瑟尔水库。加高大坝所必须的开挖和爆破工作会产生将近15万m3破碎的混凝土材料。这些材料会在建筑工地附近某处堆积起来。为防止混浊流中的泥沙在取水构筑物附近沉积，提出以潜没堤坝的形式建造某种障碍物。对混浊流的产生过程和其对水库泥沙沉积的影响进行了调查研究，这种水下障碍物的拦沙效果已得到证实。

格里姆瑟尔水库全长将近5.5km，宽度约为300 m。水库的深度从河水入流点至水库中部呈规律的增加，水库的中部有一道狭窄的峡谷。取水建筑物和底部泄水建筑物设在最深的区域，该处水深约90 m，在峡谷的下游。

对典型洪水事件的数值模拟显示，混浊流一路进展传播，到接近大坝的水库最深处。在这样的洪水事件中，取水构筑物和底部泄水建筑物所在区域产生了大量的泥沙沉积物。水库最深处的上游，负坡度峡谷致使混浊流速度变缓，这样就产生泥沙沉积。

对障碍物的两种可能布置进行了数值评价。第1种布置由单个堤坝构成，堤坝高15 m，长150 m，位于峡谷上游一处水库的反坡上。第2种构造由位于水库中部的两道堤坝构成，两道堤坝在水平方向错开一定距离，使得混浊流必须绕行或从堤坝上越过。在这种情况下，两道堤坝将达到10 m高，210 m长。两种布置形式都没有将堤坝延伸到整个河谷宽度，这样在水库放空时能为水流留出一个畅通的通道。这种障碍物明显地对水流起到阻碍作用，尽管混浊流的一小部分流体越过障碍物，但障碍物折回了大部分的混浊流。其结果是，大量的泥沙沉积物出现在障碍物的上游。

对用加高格里姆瑟尔水坝施工中爆破和开挖所产生的材料建成的堤坝的效果进行了分析。结果表明，为了有效地拦截混浊流，堤坝高度应不小于接近堤坝的混浊流高度的两倍。堤坝高度达15 m足以满足要求，并能保证坝顶标高在水库最低运行水位以下。据估计堤坝后拦沙至少可持续20～50 a。

可以得出结论，将爆破和开挖所得材料回收利用来建造潜坝，对于控制由混浊流引起的水库泥沙沉积是一个绝佳的契机。

2.2 混浊流的排放(吕宋尼水库)

属于布伦诺水力发电公司的吕宋尼拱坝建于1958～1963年，在瑞士南部的奥利沃内村附近。坝体最大高度208 m，长530 m。

实验室水槽里的混浊流试验成果以及吕宋尼水库2个夏季的实地测量结果，被用来验证一个三维数值模型。为模拟模型中泥沙沉积与冲刷之间的平衡，对考虑了混浊流和已有泥沙沉积物之间相互作用的用户定义的冲刷和沉积模块进行了编程设计。

在水库较深的部位，其初始的几何形状呈一个V型河谷，现在积聚泥沙已超过40 a，平均底宽大约50 m。水库几何形状大致呈梯形断面。在靠近大坝的库段，底部的形状接近对称。沿水库底部的平均纵坡约为4%。大部分的泥沙沉积覆盖在库底约0.1km2的面积，或整个水库水面面积的8% 。

1985年，水库曾经完全放空，以便于在长达7周的自由库面冲沙期间，淤积的泥沙通过底部泄水孔得以排放。现在，定期的短时压力冲沙使水库底部泄水孔的进水口免受泥沙沉积的影响。尽管如此，为了使泥沙沉积导致堵塞的潜在风险降至最小，最近抬高了电站进水口。

为了阐述人工湖中河流引起的混浊流的流动机理，在水库及流入水库的主要河流中对混浊流进行了实地观测。采用实测边界条件对混浊流进行数值模拟，并将模拟结果与现场实测值进行比较。

水流一进入水库就出现了支流向下潜行的现象。在沿河床向下游流动的过程中，底部的混浊流流速加快。大约40 min以后，混浊流到达水坝所在的位置，被折回，并向上游流动，与还在向下游流动的混浊流水体相互作用。折回的混浊流向上游行进的距离大约是整个水库长度的2/3。

尽管大约历时1.5 h后停止沙泥流入，但大约要历时4 h后，湖中水流的全局运动才变得不明显。这时形成一个挟带泥沙的水下“泥浆湖”，然后泥浆湖中的颗粒物经过几个小时乃至数日后沉积下来。由于混浊流从已沉积的泥沙沉积物中又带出部分颗粒物，其浓度在流动中渐渐增加。混浊流总体上是呈侵蚀性的，因此在其前进的过程中变得越来越壮大。从水库底部带起的泥沙量大约为3.5万m3，与之相比，来自入库河流的泥沙量为0.9万m3。

模拟了混浊流出现总体上侵蚀和沉积的地点，将这些通过数值方法得到的结果和遍及整个水库的(实测)泥沙沉积层厚度进行比较，该厚度是水库运行31 a后通过深水测量得到的。

该数值模型可以作为水库管理的战略性评估工具，以便分析各种防止水库最薄弱的地方、水库底部泄水孔和取水构筑物出现泥沙沉积的技术解决方案。以该模拟为基础，可以进一步确定打开水库底部出水口的最优时间，以便能在泄洪期间排放远离大坝的大部分泥沙，从而减少总的泥沙沉积量。

作为第1步措施，加高了已经部分被泥沙覆盖的取水口，以保证其功能不受影响。在大坝加高17 m几年后，这个措施就已实施。泥沙样本和其特征显示，目前仍然能实行良好的压力冲沙，但是在接下来的几年里必须做出长期的战略性的决策，以保证电站进水口能在很长时期内运行。局部清除泥沙、在底部泄水孔和取水建筑物之间设置土工织物滤网和混浊流的排放措施相结合，可能得出一个可持续的解决方案。

3 排沙

3.1 排除细沙的革新方法

受水库泥沙沉积问题的启示，开展一项实验研究，目的是研发一个替代的有效方法，以便将泥沙从水库中排出。其概念是通过引水隧道和涡轮排出泥沙，由此在电站进水口上游区域的细沙上设定一个特别的重点区。专门的射流装置提供能量，产生最佳效果的环流，这样的环流正是使泥沙保持悬浮状态所需要的，并在水轮机工作中增加了带入电站进水口的泥沙量。

3.2 实验装置和主要结果

在一个宽2 m、高1.5 m、长4 m的矩形实验水池中，对该新思路通过实验加以验证。对布置在一个水平圆环上的4个喷射器组成的圆形喷射装置进行了系统研究。喷射器的特征值(喷嘴直径dj，喷射速度vj，射流量Qj，以及喷射角度θ)和几何形状参数对泥沙排放的影响也被加以研究。

作为初始条件，通过气泡混合作用造成近乎均一的泥沙浓度分布。这样的初始条件用来模拟因混浊流衰减消弭而在水坝前形成的泥浆层。在所有实验中，水位保持恒定，方法分别是使通过取水口排出的流量与由喷射器引入的流量相同(有喷射器实验);或通过后墙向试验水池补给相等的流量(无喷射器实验)。浊度测量与流速测量相结合，得出泥沙排放效率的信息。

泥沙排放(排出泥沙比，ESR)定义为已排出的泥沙质量Pout除以初始供给的泥沙的质量Pin，表示排出泥沙量的标准化时间累计值:ESR=Pout/Pin。类似的，沉积泥沙比是已沉积的泥沙质量除以初始供给的泥沙的质量Pin。

作为参照的布置，无喷射器的实验显示，排出泥沙比与实验范围内的泄水流量几乎呈线性关系:流量越大，排出泥沙比越高。对于某个恒定的泄水量而言，最终的排出泥沙比和沉积泥沙比都可通过一个简单的物理方法很容易地估计出来，该方法考虑了泥沙沉积的速度以及通过水池后墙和取水口的流量所产生的流场。在实验的流量范围内，参照布置的排出泥沙比为0.09 ～0.37。

喷射器有效地混合泥沙:在过了将近0.5 h以后，悬浮泥沙浓度的标准偏差大约是5%;就化学性质而言，可以认为这种悬浊液是均匀的。由此，仅有极少的泥沙沉积下来，所以泥沙排放量比没有喷射器的情况高，在实验最大泄水量(∑Qj=4050 L/h)时，可达到ESR=0.73，这几乎是没有喷射器的参照布置的2倍。

此外，与无喷射器的实验相反，在有喷射器的实验中，可观察到已经沉积的泥沙的再悬浮现象。一旦到达循环流的稳态条件，再悬浮就开始了，这在流量高于实验确定的限值时可以检测到。实测的再悬浮率变化显示，在时间远大于泥沙驻留时间的条件下，所有最初供给的泥沙都可以被排出。

标准化的最优几何参数组合确定如下:喷射装置距离池底的净空C/B=0.175，取水口高度hj/B=0.25，喷射装置与水池前墙的距离 daxis/B=0.525，两个相邻喷射器距离lj/B=0.15，喷射角度θ=0°，池中水深h/B=0.6。在最优条件和实验最大喷射流量(∑Qj=4050 L/h)的条件下，4 h后，可达到排出泥沙比ESR=0.73。在无喷射器和取水口中通过同样的流量(4050 L/h)的条件下，排出泥沙比ESR=0.37。

相应的流态类似于轴向的混合器，据有关文献报道，这种形式有利于泥沙保持悬浮。

喷射器的效率是通过比较在不同条件下得到的排出泥沙比确定的:一个是在有喷射器的条件下，一个是在没有设置喷射器的条件下。对于喷射器最优配置，基于时间和流量之间独立的经验关系的喷射器效率预测值大约是1.7。通过实测数据可知，喷射器的效率依赖于流量，并随着时间增长。在暂态过程结束及再悬浮开始之时，喷射器的效率大约是1.5。在实验最高流量条件下(∑Qj=4050 L/h)，4 h后，效率接近2(近似等于1.7τm，τm是泥沙平均滞留时间)。

由于实验中使用泥沙颗粒的粒径细小，其实用范围主要针对大型水库。因为在大型水库中，沿深泓线，泥沙粒径得到很好地分配，只有细小的泥沙颗粒可能在水坝前面出现，如同混浊流输送泥沙的情况。

在瑞士莫瓦桑(Mauvoisin)水电站，250 m高的坝形成了一座大型水库，在该实例研究中，人们首次尝试将研究结果按比例扩大运用于实际，以现有输水隧道的有效流量和水头为基础，推荐采用一个初步的优化环状喷射器装置。尽管还没有进行过天然尺度的试验，可以预计，设置环状喷射器装置将比不设置该装置能排出更多的泥沙。此外，泄水构筑物附近区域的泥沙沉积将大为减少，从而可以避免堵塞。

一项经济分析显示，喷射器是一种费用较低的装置。已完成的实验证明，该装置对于达到提高泥沙排放及减少水库泥沙沉积的目标至关重要。

4 结论与展望

尽管人们对于水库泥沙沉积的原因和过程已经颇有认识，但是可持续的、预防性的措施在新建水库的设计中还是很少被考虑到。为了避免水电站的运行出现问题，现有水库中，人们往往采取短效措施解决泥沙沉积问题。由于大多数措施在短时间内会丧失其效果，可能因此威胁到水库的可持续运行和有价值的峰荷电能的生产。

目前全球水库每年由于泥沙沉积导致的平均库容损失，已经高于为灌溉、防洪、供水及水力发电而新建水库所增加的库容量。例如在亚洲，可以用于水力发电的80%的有效库容在2035年将消失。在阿尔卑斯地区，水库库容损失率明显低于世界平均水平，但是气候变化对将来的影响会进一步增加进入水库的泥沙产量。

在狭长水库中主要的泥沙沉积－输移过程是混浊流的形成过程。本文描述了混浊流引起的泥沙沉积过程，并列出一些实例研究的数值模拟结果。混浊流可以被位于水库上游部分的障碍物所拦截，并迫使其挟带的推移质沉积下来，以保持泄水建筑物免受泥沙堵塞。在某些情况下，排放混浊流是可行的——这意味着通过底部泄水孔排放混浊流。

一种创新性的技术被研发出来，用于通过电站引水隧道和水轮机排放细小的泥沙。通过喷射器促使水流呈类似轴向混合器状的环流，保持泥沙处于悬浮状态，悬浮泥沙被带入发电进水口的数量增加了，泥沙排放量也因此大大增加。

本文列举的几种措施的组合可提供最佳的解决办法。尽管目前尚未进行过自然比尺的试验，但通过取水建筑物排沙的新方法的实验结果仍有很大的前景。