冲沙隧洞研究与实践——第一届冲沙隧洞国际研讨会总结报告

[瑞士]　M.海格曼 等



冲沙隧洞研究与实践

——第一届冲沙隧洞国际研讨会总结报告

[瑞士]M.海格曼 等

2015年，瑞士举办了第一届冲沙隧洞国际研讨会，12个国家参会者就冲沙隧洞建设、运行、维护研究与实践进行了研讨交流。研讨会由主旨报告、最新研究报告、已建(在建)冲沙隧洞综述，以及实验室参观与现场考察等内容构成。在简要介绍水库淤积概况与冲沙隧洞对减少水库淤积的作用的基础上，系统总结了冲沙隧洞水工设计、过流能力、运用频率、冲沙粒径、倒坡衬砌、维护修复、监测技术、输沙效率与生态响应等方面的经验与教训。

冲沙隧洞(SBT)；水库淤积；“旁侧”输沙；倒坡磨蚀；瑞士

2015年，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)水工水文冰川实验室(VAW)，联合日本京都大学防灾研究学院(DPRI)水资源研究中心(WRRC)和苏黎世联邦电力公司(EWZ)，举办了第一届冲沙隧洞国际研讨会，来自12个国家的参会者就冲沙隧洞建设、运行、维护的研究与实践进行了研讨交流。

水库淤积对世界各地蓄水水库的影响越来越大，冲沙隧洞(SBT)是减少水库淤积的有效方法。通过“旁侧”输沙过坝至尾水河段，一方面减小了水库泥沙淤积，另一方面可重构泥沙的连续性。泥沙连续性可以带来生态效益——阻止(至少显著减缓)大坝下游的河床冲刷，增强河床演变的多样性；冲沙隧洞可输送上游河段的来沙，但一般不会冲刷水库累积淤积泥沙，因此大坝尾水含沙量不会出现与水库或天然洪水特性“相逆”的变化。

1　主旨报告

本次苏黎世研讨会共作了3份主旨报告。波多黎各岛GLM工程公司G.L.莫里斯博士对可持续泥沙治理进行了综述，通过世界各地系列实例与案例演示，将可持续泥沙治理方法概括为如下几类：

(1) 减少上游来沙；

(2) 泥沙调度；

(3) 泥沙清淤；

(4) 采用适应性方法，例如大坝加高、取水口改造(泥沙无需处置)等。

莫里斯最终得出的结论是：目前没有可行的超大库容维持方法，只能借助于适应性方法处置多年调节水库。

日本京都大学防灾研究学院水资源研究中心T.须见教授报告了日本采用的水库淤积治理措施，一方面强调“旁侧”输沙、冲沙与泄洪，另一方面强调水沙调控恢复河流。关于后者，他指出，为应对下游河床冲刷并改善鱼类栖息地条件，日本多座大坝实施了下游泥沙补偿方案。日本最古老的冲沙隧洞启用于1908年，位于神户市附近，具有百年以上的运行经验。须见教授得出的结论是：为了更加广泛地采用冲沙隧洞，需要从研究隧洞的尺寸和长度着手来降低建设成本。

瑞士苏黎世联邦理工学院水工水文冰川实验室R.伯斯教授讲述了瑞士产沙区域、冰川流域面积近期扩大及其对瑞士水库的影响，并通过实例介绍了水库淤积治理的最新措施。措施包括：通过内置沉沙池取水口“旁侧”输沙(基于实时监测)增加死库容，通过底孔进行浑水排沙，以及水库水位消落冲沙等。这些措施的采用需要获得州市部门的批准，较为典型的前置悬移质浓度临界值为10 g/L。

2　最新研究报告

气候变化与永久冻土融退可能“释放”大量的可移动泥沙淤积物，导致流域泥沙输移增加，加重水库淤积问题，由此常常影响到发电、供水、运行安全与防洪问题。瑞士苏黎世联邦理工学院的I. 阿贝莱克报告了该学院水工水文冰川研究室针对这些新问题所正在进行的研究。首先，应该确定因冰川融退而增加的水电潜能；其次，应研发出经济且可持续的泥沙治理措施，该措施同时还应能确保河流生态形态得以提升至建坝前的自然状态。冲沙隧洞可以满足上述要求，但其性价比常常受到水力磨蚀破坏的限制。

为了解决这一问题，日本京都大学C.奥尔博士(曾与苏黎世联邦学院水工水文冰川实验室有过合作)采用实验室物理模型，进行了水流与泥沙输移特性以及急流状态下磨蚀时间和空间演变的试验研究。基于试验成果，研发了一种易于应用的磨蚀预测模型。

瑞士苏黎世联邦学院水工水文冰川实验室M.海格曼描述了为确定高抗蚀强度和高性价比现场应用材料而进行的原观试验。初步研究成果表明：磨蚀主要源自于推移质，悬移质影响很小。20世纪90年代，瑞士朗科赫兹水库冲沙隧洞进行过类似试验，其更多观测成果于2014年有过报道。

瑞士TFB公司F.雅各布斯博士认为：高强度虽然可以提高隧洞倒坡防护材料的抗蚀性能，但是施工和修复与材料选择本身同等重要，初期损害部位取因于不连续性与易损性，这一部位可能会扩大而导致更大破坏。

目前，针对索利斯(Solis)水库的一个研究项目正在开展冲沙隧洞对环境影响的研究，瑞士苏黎世联邦学院水工水文冰川实验室M.法科尼就此研讨了冲沙隧洞对下游河流系统生态形态的影响。初步研究成果表明：洪水期间运用冲沙隧洞可能导致河流形态与床沙粒径级配的变化。该研究项目的目标是基于现场验证的数值模型，确定冲沙隧洞的运用对河道水流、河流形态最终至河流生态质量的影响。

瑞士联邦水质科学技术研究所(Eawag)的E.马丁正在开展生态现状分析。研究表明：河流栖息地质量受溢洪道泄洪与冲沙隧洞运用双重影响，影响程度随洪水频率强度的增加而增加；相对于多年频率洪水，河流恢复历时较短(数周至数月量级)，有必要对这些演变及其与无坝天然河流演变之间的差异开展深入的评估与定量化研究。

3　已建(在建)冲沙隧洞综述

研讨会对瑞士、日本、法国7座已建(在建)冲沙隧洞进行了描述。

瑞士联邦铁路公司(SBB)的B.穆勒对由该公司负责运行的瑞士普法芬斯普朗(Pfaffensprung)水库冲沙隧洞进行了描述。隧道总长282 m，4月初至10月底运用，其功能是“旁侧”输送罗伊斯(Reuss)河高含沙水流。自1922年隧洞投运以来，粗颗粒推移质与高速水流引发了严重的倒坡磨蚀，相应的维修费用巨大。近期运营商决定在隧洞倒坡上铺垫1 m2花岗岩块以减小磨蚀。

瑞士OFIMA公司A.鲍默和R.拉多哥拉共同描述了瑞士帕拉格内德拉(Palagnedra)水库冲沙隧洞(1977年投运)。隧洞总长1 760 m，OFIMA公司负责运行，分流梅莱佐(Melezza)河洪水。1978年特大洪水致使水库完全淤满，水库修复期间冲沙隧洞不得不连续数月运用，造成严重的倒坡磨蚀(磨深达4.8 m)。在过去的30多年中，该隧洞每年大约运用5次，均没有出现严重的运行问题。2011～2013年间，修复了20%隧洞倒坡以确保运行稳定。

瑞士苏黎世联邦电力公司C.欧特力描述了由该公司负责运行的瑞士索利斯水库冲沙隧洞(2012年投运)。该工程隧洞取水口没有设置在水库坝段,而是位于大坝上游450 m处，由此引起的隧洞运用问题是隧洞取水为有压流。洪水之前需要部分降低库水位以保证水库上游输沙能力足够大，隧洞运用成败有赖于天气预报精度。隧洞倒坡采用高性能混凝土衬砌，运用3 a基本无磨蚀。

日本关西电力公司H.中岛描述了由该公司负责运营的朝日(Asahi)水库冲沙隧洞。自1998年投运以来，隧道输送约80%来沙，证明了该项泥沙淤积措施的高效率。由于推移质数量较大，隧洞出现了较为严重的倒坡磨蚀，需要进行周期性修复。隧洞修复采用的是高性能混凝土，与其他可用的倒坡修复材料相比较，其造价在使用寿命周期内最低。

2004年投运的日本美和(Miwa)水库冲沙隧洞由日本土地、基础设施、运输与旅游省负责运营，日本公共工程研究院T.樱井在报道中指出，与其他大多数已建(在建)冲沙隧洞相比较而言，该隧洞(长约4 km)仅分流悬移质泥沙，推移质泥沙则由上游拦沙坝拦截或疏浚。

日本最新的冲沙隧洞是将于2016年投运的小涩(Koshibu)水库冲沙隧洞，日本大坝工程中心J.柏井在报道中指出，该隧洞建设已处于最后阶段，其水工结构重大改进均基于水力学模型优化试验。

法国电力公司(EDF)E.拉彼鲁萨兹对位于地中海科西嘉岛1条总长133 m的隧洞进行了描述。该工程将大坝施工导流洞改建为冲沙隧洞。受工程场地的限制，闸门设置在隧洞下游而不是在取水口，由此导致了隧洞流态由自由流向有压流变化(基于运用工况)。

中国台湾石门、雾社、曾文和南华等多座水库均发生严重水库淤积，对上述水库的泥沙淤积问题进行了综述，并对遭受2004年艾利台风影响的多功能石门水库的规划对策措施进行了重点分析。2012年对该水库厂房的两个水闸之一进行了改造，增加了其浑水泄流能力。另外，提议了4处冲沙隧洞位置。研究了改造后水闸的浑水泄流效果。针对2座拟建的冲沙隧洞，采用实体模型进行了试验研究，数值模拟了艾利台风水流工况下其对下游河道的影响。

中国台湾赛美特公司C-S.龚(Kung)博士介绍了其研究成果及其解决措施。由于遭受海欧台风(2008年)和莫拉克台风(2009年)的影响，位于台湾南部的南华水库因泥沙淤积损失了38%的库容。为此，设计了一座含沙水流流量1 000 m3/s的大型冲沙隧洞。采用水力学和数值模型试验，对隧洞设计进行了核实与优化。

另一座规划中的冲沙隧洞位于厄瓜多尔瓜拉班巴(Guayllabamba)河，是切斯皮-帕尔马-雷亚(Chespi-Palma Real)工程泥沙治理的组成部分，冲沙隧洞浑水“旁侧”分流量为158 m3/s。瑞士隆巴尔迪(Lombardi)工程公司的C.格里马尔迪博士介绍了该项目的概况和冲沙隧洞的详细设计。瑞士EPFL公司的G.德切萨雷博士报道了实体模型试验成果：试验复核了冲沙隧洞初步设计，优化了隧洞结构与运行方案，以满足各频次洪水下推移质100%“旁侧”输出效率。

装机容量150 MW的帕特灵(Patrind)水电站位于巴基斯坦北方的昆哈(Kunhar)河与杰赫勒姆(Jhelum)河之间，目前正在进行工程水工设计与泥沙治理方案的实体模型试验。瑞士苏黎世联邦理工学院水工水文冰川实验室C.贝克提出如下建议：洪水期间通过冲沙隧洞输移粗颗粒泥沙，隧洞设计流量为650 m3/s；对于淤积在泄水闸与围堰坝之间水库区域的细颗粒泥沙则采用年度冲沙。

4　经验总结

本次研讨会取得了若干成果，会议组织者从如下几个主要方面进行了总结。

4.1水库淤积概况

与会者一致认为：泥沙淤积治理方法多种多样，最适合方法的选择依具体工程实际情况而定；初步选择应该基于库容-径流比CIR(水库库容与年均径流量之比)和水库寿命指数(水库库容与年均来沙量之比)。可持续泥沙治理经常需要综合多种治理方法，通过水库与大坝的合理选址与布置，尽可能开始就最小化水库淤积风险；对于高产沙流域，可能可行的选项是引水式水库，主要通过安置有沉沙设施的取水口蓄水。

4.2冲沙隧洞对减少水库淤积的作用

对于库容-径流比和水库寿命指数较小的水库，冲沙隧洞效果最佳，它们既可以替代水库冲沙，也可以作为辅助措施与水库消落冲沙共同使用。如果在天然洪水期间运用冲沙隧洞，冲泄泥沙对于下游河道环境的不利影响便会最小。

4.3冲沙隧洞水工设计

虽然自由水面流冲沙隧洞较优，但是设计流量下有压流也是可能的，这取决于闸门位置及其确定的控制断面。自由水面流隧洞必须防止“气噎”，需要预留足够的过水断面用于通气，以确保安全的运行条件。对于隧洞水流流速，存在着某种“均衡”，必须足够大以避免泥沙淤积；但最大流速又要尽量小以最小化剪应力、控制倒坡磨蚀范围。通常建议取水口避让漂浮物，防止闸门或隧洞其他部位出现树木与草根阻塞；但在某些情况下，又需要允许树木安全通过隧洞。采用垂直栏格栅需要谨慎，一旦木屑漂浮物滞留于这些构筑物，就可能影响到泥沙的输移。

4.4适当的过流能力与运用频率的选取

世界范围通用的冲沙隧洞的典型过流能力大约相当于1～10 a一遇洪水，隧洞运用时段从每年几天至每年超过100 d，取决于当地水文与水库规模。

4.5冲沙粒径设计

大多数冲沙隧洞的设计和运用要求通过全部来沙(从粗沙推移质到悬移质细沙)，但某些隧洞(尤其是长距离冲沙隧洞)采取的则是上游拦截和疏浚粗沙，仅让悬移质泥沙“旁侧”过坝。当来水流量超过冲沙隧洞设计流量时，细沙仍可能进入水库并淤积。

4.6隧洞倒坡衬砌

诸如环氧树脂灰浆、橡胶钢板等很多材料都可采用，但采用最多的仍然是高强度混凝土；最小抗压强度必须达到50～70 MPa，以保证足够的抗水力磨蚀能力。铸玄武石、石英石等天然石料也可采用，对于取水口闸门附近水流加速段等超强水力磨蚀段已成功地采用过钢板防护。为了选取合适的衬砌材料，应同时考虑并权衡初期投资与使用寿命周期总造价等两个方面，为此需要对磨蚀深度与各种材料的使用周期开展更多的和更为精确的预测研究。

4.7维护与修复

冲沙隧洞的功能维护可能需要耗费大量的精力与资金，起始阶段就应该进行磨蚀深度预估与使用寿命周期经费评估分析。基于倒坡磨蚀范围和隧洞稳定危害等考虑，已建冲沙隧洞的修复工作既可以在每个枯水季节按计划定期开展，也可以在运用几十年之后不定期实施。一开始就应该设计好隧洞进入通道。

4.8监测仪器与监测技术

现代冲沙隧洞应配备监测仪器，监测水流流速、泥沙输移等隧洞运行特性，以便分析冲沙场次优化隧洞运行。如果采用实时监测技术，甚至可以调整每场次冲沙最大化冲沙量。另外，还可以有效地应用3D激光扫描，对磨蚀方式进行定期监测。

4.9冲沙隧洞输沙效率与生态响应

冲沙隧洞对下游影响与“旁侧”输沙效率越来越重要。应通过对下游河道地形与生态的监测，基于下游动植物影响与“旁侧”输沙效率(“旁侧”输沙量与来沙量之比)两个方面，优化冲沙隧洞的运行。应通过下游状况与水库上游未扰动河道断面之间的对比，评估冲沙隧洞的生态影响。

5　实验室参观与现场考察

参会代表应邀参观了水工水文冰川新实验室(2013年开始使用)，期间观摩了若干实体模型试验，包括：巴基斯坦帕特灵水库冲沙隧洞运行工况的检验与优化，埃塞俄比亚大埃塞俄比亚复兴(Grand Ethiopian Renaisance)大坝底孔的泄流能力复核与布置优化，以及冲击波与溃坝时空特性的研究项目等。

会后参观了瑞士3座冲沙隧洞，分别位于格利桑斯州索利斯水库、提契诺州帕拉格内德拉水库和乌里州普法芬斯普朗水库。参观期间，代表们了解到了3座冲沙隧洞的详细信息，并有机会全程步行通过了索利斯水库的冲沙隧洞，水库调度人员详细讲解了取水口与隧洞建设情况。在蒂芬卡斯特尔(Tiefencastel)逗留一晚之后，代表们前往帕拉格内德拉水库，参观了其大坝与冲沙隧洞取水口，水库调度人员对1978年大洪水及其挑战性修复工程进行了介绍。参观的最后一站是瑞士最古老的普法芬斯普朗水库(Pfaffensprung)冲沙隧洞，有关人员介绍了最新的隧洞倒坡整体修复工程。

(编辑：朱晓红)

2016-06-02

1006-0081(2016)08-0037-04

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董耀华，男，长江水利委员会长江科学院，教授级高级工程师)