牤牛河河口拦门沙成因分析及解决措施

罗海龙

（辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000）

白石水库所在大凌河流域及主要支流牤牛河流域气候干燥、土壤松散、暴雨集中，洪水期河流含沙量很大，存在着严重的泥沙淤积问题。水库库沙比为69.3，按DL/T-1999《水利水电工程泥沙设计规范》确定为泥沙问题严重的水库（库沙比小于100）。

泥沙主要源于地处大凌河左侧内蒙古自治区奈曼旗、库伦旗半移动沙丘、黄土丘陵的多沙支流牤牛河，其平均含沙量高达40 kg/m3，实测最大含沙量172 kg/m3，年均输沙量1160 t，占大凌河水文站年均输沙量的54.2%。白石水库上游阎王鼻子水库建成后，拦蓄了大凌河流域水流中的大部门泥沙，随之牤牛河年均输沙量占白石水库入库沙量比例增加到62.8%。

1 牤牛河河口拦门沙演变模式

牤牛河河口口门地区的拦门沙演变及淤积模式是由牤牛河来水来沙条件、大凌河水动力条件及两河交汇处边界条件等多种因素所决定。受白石水库蓄水的影响，牤牛河河口地区水深增加，比降、流速减小，因此交汇区泥沙必然淤积，加上白石水库蓄水后常年蓄水运用，加重了河口的累积淤积。牤牛河汇流段的淤积表现出与一般汇流段不同的演变模式，首先是牤牛河河口口门处的淤积明显大于上下游河段，其次是淤积后的河床横向上呈现左高右低的形态，第三是牤牛河汇流段的淤积显著大于凉水河的淤积。

1.1 拦门沙纵向演变模式

为了系统研究白石水库泥沙淤积变化情况，从1998年开始就进行了白石水库泥沙淤积断面测量工作，测量范围由坝址开始向库区内至127 m淹没线，断面间距按照能够控制正常高水位127 m以下的整个库区为原则，大凌河设置56个断面，牤牛河布置13个断面，凉水河6个断面，总计断面75个，平均间距约0.9 km，每隔两年汛后进行一次库区断面淤积测量。

通过采用水位库容法对1998—2010年库区各测控断面测量数据计算得出，127 m高程下淤积总量为5419万m3，平均淤积厚度0.52 m。泥沙淤积计算成果见表1。

表1 白石水库1998—2010年库区泥沙淤积计算成果表

由白石水库1998—2010年淤积纵剖面图（如图1）可以看出，库区河床发生了累积性淤积，尤其是在牤牛河河口口门附近推移明显，并形成了拦门沙，并有逐年抬高之势。

牤牛河河口段的淤积强度、平均淤积厚度比大凌河干流上的其它区段要大。牤牛河河口段的淤积强度是其上游干流段的1.8倍、下游段的2.3倍。牤牛河河口段的平均淤积厚度是牤牛河河口上游干流段的2.2倍、下游干流段的2.6倍。

对比库区总体与牤牛河河口段年均淤积速度如表2所示，可以看出牤牛河河口段的年均淤积速度要远大于库区总体年均淤积速度，最大时牤牛河河口段的年均淤积速度是库区总体年均淤积速度的5倍。

表2 年均淤积速度m/a

1.2 拦门沙横向演变模式

白石水库库区断面总体淤积为累积性的平行淤积，淤积后河道河床整体趋于水平，但是牤牛河河口段的淤积与总体淤积分布不同，淤后河床左侧高右侧低，河道断面有横比降，比降在0.1%～0.2%之间。在牤牛河河口，牤牛河从左侧入汇，入汇后水流受水库蓄水以及过水宽度突然增加的影响，流速迅速降低，泥沙沿程落淤，导致泥沙淤积左多右少，产生横比降。

图1 大凌河1998—2010年淤积纵剖面图

2 拦门沙形成原因分析

2.1 来水来沙条件

牤牛河来水来沙因受降雨影响，输沙率年内分布极不均匀，5—10月占全年的99.5%，而且绝大部分集中在汛期的几场洪水期间。牤牛河入汇水流含沙量大，表3给出了水库蓄水后大凌河干流和支流牤牛河的来水来沙条件。从表3中可以看出，牤牛河流量较大凌河小，但牤牛河的含沙量显著大于大凌河。

表3 大凌河 牤牛河来水来沙统计表

2.2 干支流洪水遭遇期

大凌河干流洪水与牤牛河洪水遭遇几率较低是形成拦门沙主要原因。见表4。

由表4可看出，除了2004年、2006年外，大凌河洪水与牤牛河洪水基本没有遭遇，这导致牤牛河洪水带来的泥沙在进入大凌河干流后，集中淤积在口门段，后期大凌河洪水很难将已经常年淤积在库区的泥沙带往下游库段，从而在牤牛河河口口门处淤成坎，进而形成拦门沙。

2.3 汇流比

牤牛河汇流比大是导致牤牛河河口口门段淤积较大的另一个主要原因。汇流比是指支流流量与干支流合流后流量的比值，不同汇流比条件下，由于库区水深的沿程变化，流速沿纵向衰减较快，直接导致泥沙大量淤积在牤牛河河口段。大凌河来洪水时，交汇区的断面流速增加，到汇流口以下流速又逐渐减小。故大凌河上游来的洪水不具有将淤积在口门处的泥沙冲刷带往下游的水动力条件。牤牛河、凉水河汇流比见表5。

表4 各年份大凌河 牤牛河洪水发生日期

表5 牤牛河 凉水河汇流比%

从表5中可以看出，2001—2010年间牤牛河的汇流比基本上都超过20%，洪水时汇流比很多年份均超过50%，在2010年甚至达到95.86%。牤牛河的水动力条件较强，干流大凌河受到支流牤牛河挤压作用较大，大凌河干流来水下行受阻，上游水位壅高，流速减小，泥沙落淤。而支流牤牛河下行水流在汇流段受到水库回水的顶托作用，支流上游水位壅高，水面比降降低，水流流速减小，泥沙淤积。同时由于牤牛河出入汇口处后，水流分散，流速迅速沿程减小，挟沙能力降低，使上游挟带的泥沙在河口处淤积。

3 解决拦门沙的措施探讨

由于白石水库的运用方式不会发生明显改变，牤牛河与大凌河干流的交汇角、汇流比、洪水遭遇几率等变化不会很大，牤牛河年均来沙量虽然近年来有所减小，但洪水挟带的泥沙依然保持较高的状态，因此牤牛河交汇区的淤积将会继续发展，牤牛河河口横向上的凸起高度将会越来越大，会将大凌河干流库区分成上下两部分，即形成库中库。随着水库的运行，牤牛河河口处泥沙淤积厚度与上下游的差别将会进一步加大，影响水库有效库容的正常运行，降低水库设计效益。

3.1 设计排沙方式

白石水库运行不仅需要考虑防洪和兴利要求，还必须考虑排沙，以保持有效库容，延长水库寿命。经过理论计算和模型试验研究，在白石水库大坝右侧设计12个泄洪排沙底孔满足排沙需要。遇大水大沙年10000 m3/s（20年一遇）以上洪峰时，则24 h内预泄到死水位108 m，空库迎洪集中排沙。20年一遇以下中小洪水利用弃水异重流排沙；其它年份则蓄洪运用，以实现水库排沙率在35%左右，满足库沙比大于100，达到规范标准保证水库有效寿命超过百年以上。

3.2 工程措施排沙

在牤牛河交汇口门上游牤牛河内挖槽淤沙，定期清除可以显著减少库区泥沙淤积总量，对牤牛河河口交汇区淤积发展也有一定的减缓作用。也可以修筑拦砂坝、管道（输水洞）排沙及挖沙造地等其他减淤方案。

3.3 绞吸式挖泥船

绞吸式挖泥船，其工作原理就是通过绞刀旋转切削土体，造成土体结构的瓦解和破坏，使切削下来的土颗粒与水混合形成泥浆，通过设在绞刀后的泥浆泵吸口吸入泥浆泵吸泥管，再通过排泥管道输送到堆沙区。挖出的泥沙可以置于临岸洼地，将其垫平，淤改土壤。

4 结语

白石水库主要支流牤牛河是一条多泥沙河流，河口口门处拦门沙的消长与大凌河、牤牛河来水来沙、洪水发生期遭遇频率、汇流比等因素密切相关，而拦门沙的发展变化将白石水库库区分为上下两个部门，形成库中库，使得白石水库的有效库容较设计时有所减少，降低了水库的设计效益。因此，应根据拦门沙形成与演变的规律，既要利用设计的异重流排沙方式，又要采用一定的工程措施疏浚拦门沙。工程措施宜采用挖槽淤积，修筑拦砂坝，挖泥船等方式，将挖出的泥沙用来淤临造滩、淤改土地、维护河岸等。

[1]辽宁省水利勘察设计研究院，白石水库初步设计报告[R].

[2]董伟，魏伟，周茜.浅谈黄河河口拦门沙疏浚综合技术[J].南水北调与水利科技，2010，8（3）∶142-145.

[3]吉祖稳，胡春宏.黄河口拦门沙演变分析[J].泥沙研究，1995（3）∶1-9.