泥沙淤积对肯斯瓦特水利枢纽工程的影响分析

高宗昌

（新疆生产建设兵团勘测设计院（集团）有限责任公司一分院，832000，石河子）

泥沙淤积对肯斯瓦特水利枢纽工程的影响分析

高宗昌

（新疆生产建设兵团勘测设计院（集团）有限责任公司一分院，832000，石河子）

泥沙淤积；影响分析；肯斯瓦特水利枢纽

一、工程概况

肯斯瓦特水利枢纽工程是玛纳斯河流域规划推荐的一期工程，位于玛纳斯河中游河段，坝址以上为高山区V形河谷。水库具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。水库控制灌溉面积 316.3万亩 （1亩=1/15 hm2），电站装机容量100MW，设计年发电量2.703亿 kWh。水库死水位955m，正常蓄水位990m，总库容1.88亿m3，为大（2）型Ⅱ等工程。

二、径流及泥沙特性

1.径流特性

玛纳斯河发源于天山北坡依连哈比尔尕山，是一条多沙山溪性河流，水库坝址断面集水面积4 637 km2，多年平均年径流量12.21亿m3。

玛纳斯河径流受气温和降水影响，主要来源于高山区积雪和冰川消融，因此气温较高的6—9月水量占全年径流量的80.16%，其中7—8月水量占全年径流量的55.31%，而枯水时段径流补给主要是冰川融水和地下潜流补给，径流量仅占全年径流量的10.88%。

洪水成因也是高温期积雪融化为主、降水为辅，洪峰不高但是量大，持续时间长，时间和水量都集中在7—8月。

玛纳斯河区间产流特性是高中山区冰雪消融和降雨补给河道，而中低山区由于降水量减少蒸发、渗漏量加大，径流量随集水面积增加不大，河流出山后径流量不断减少，为径流散失区，因此肯斯瓦特坝址以上为玛纳斯河径流的主产区。

2.泥沙特性

玛纳斯河的泥沙主要来源于降水、融雪汇流对流域面的侵蚀和水流对河道的冲刷，其中山区中下部为主要产沙段。而降水是泥沙产生多少的主导因素，降水强、次数多则输沙量就大。年内分配上6—8月是大沙期，含沙量大于2.5 kg/m3，输沙量占到全年输沙量的94.1%；7—8月含沙量高达4.0kg/m3，输沙量占到全年输沙量的80%以上。

肯斯瓦特断面径流、泥沙逐月分配见表1。

据多年实测值统计,玛纳斯河悬移质多年平均输沙量327万t，输沙率为106.8 kg/s，同期含沙量为2.678 kg/m3，侵蚀模数726.1 t/km2。多年平均推移质输沙量为45万t。

肯斯瓦特水库年均入库总沙量约为372万t，泥沙淤积是本枢纽工程需要重点研究和解决的问题。

三、对肯斯瓦特水利枢纽工程的影响分析

1.对水库库容的影响分析

肯斯瓦特断面多年平均输沙量372万t，库沙比59.64，属于泥沙严重河流，泥沙对水库库容及运行等的影响比较大。水库库容确定的三个要素包括：综合利用需要的调节库容、泥沙淤积库容和防洪调度库容，而泥沙淤积对库容的影响主要反映在对死水位、死库容、正常蓄水位和调节库容的影响。那么，泥沙淤积对肯斯瓦特水库死库容及调节库容的影响如何，需要进行研究分析。

表1　肯斯瓦特断面径流、悬移质泥沙多年平均分配表

2.对死水位、死库容的影响

死水位选择通常一是不低于灌溉等综合引水要求的高程，二是预留一定的泥沙预计库容，三是考虑水库岸坡稳定对消落水位变幅的限制，四是提高发电水头。

肯斯瓦特水库控制的灌区高程在500m以下，坝址处河床高程874 m，远远大于综合利用引水要求的高程；水库岸坡的地层岩性及地质构造是影响岸坡稳定的因素，肯斯瓦特水库库区两岸岸坡较陡，为岩质岸坡，局部会发生崩塌掉快，但是没有大的滑坡和大规模松散堆积，不影响死库容和死水位的选择。因此，泥沙淤积和提高发电水头是肯斯瓦特水库死水位选择的控制因素，提高发电水头由动能经济指标分析论证。泥沙淤积对肯斯瓦特死库容的影响，根据非均匀沙不平衡输沙理论，建立水库冲淤及河床演变数学模型分析计算，死水位955m时，水库运行至第30年，死库容由原来的6 053万m3减少至2 912万m3，死库容损失率为51.9%；水库运行至第50年，死库容减少至1 131万m3，死库容损失率为78%。由此看出，死水位的选择必须满足水库泥沙淤积的要求，通过分析计算，设计推荐955m高程的死水位，可以满足工程使用期功能的要求。

3.对正常蓄水位及水库调节库容的影响

水库正常蓄水位由灌溉等综合利用所需要的调节库容及该范围的泥沙淤积量、提高发电水头及保证出力需要的调节库容决定，水库泥沙部分淤积在了死库容中，部分淤积在水库调节库容中对调节库容有影响。通过水库冲淤及河床演变数学模型分析计算，水库运行至第30年调节库容由11 013万m3减少到9 311万m3，淤积量1 702万m3，有效库容保留率为84.5%；水库运行至第50年调节库容剩余8 286万m3，淤积量2 727万m3，有效库容保留率为75.2%。泥沙淤积同样对水库调节库容有较大的影响。灌溉是肯斯瓦特水库的主要任务，设计推荐的正常蓄水位990m对应的调节库容可以满足工程使用期灌溉保证率不小于75%的要求。

通过分析计算，50年时水库总淤积量为5 649万m3，51.8%淤积在了死库容中，48.2%淤积在了调节库容中。泥沙淤积对肯斯瓦特水库库容影响比较大。不同淤积水平年淤积量对肯斯瓦特水库库容的影响见表2。

2.对水库运行方式的影响分析

肯斯瓦特水库具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能，水库运行从防洪方面考虑，汛期要求水库水位低于防洪限制水位；从灌溉用水方面则要求水库进行丰、枯期水量调节，调整出库流量，满足灌区灌溉用水要求；而从电力系统发电方面考虑，供水期通过水库调节进行调峰，非供水期在服从灌溉用水的前提下，尽量抬高发电水头，提高发电效益。由于泥沙的影响，设计提出了“排混蓄清”运行思路，经长系列调节计算，肯斯瓦特水库4—7月低水位运行，8—9月水库蓄到较高水位。肯斯瓦特水库汛期限制水位984m，结合水库冲淤及河床演变数学模型分析计算，7月份水库低水位排沙运行，在水库运行的前20年水库水位维持在死水位955m，后20年，7月水库水位则要求降低到945m，这样，可最大限度地排沙出库，提高水库有效库容保留率，满足水库工程任务对库容的要求。

3.对水库枢纽布置的影响分析

肯斯瓦特水利枢纽工程挡水建筑物面板砂砾石坝拦河布置，溢洪道、泄洪洞、发电洞等建筑物布置在大坝右岸，其中，泥沙淤积对工程布置有影响的建筑物主要是发电洞和泄洪冲砂洞。发电洞由进口引渠段、闸井段、上平洞段、斜井段、下平洞段和岔管段组成，进水口闸门孔口尺寸为5.5m×6.0m，底板高程940m。泄洪洞采用龙抬头与导流洞结合，由引渠段、进水塔、龙抬头、洞身结合段、出口泄槽段、消力池及护坦段组成，进水口闸井工作门孔口尺寸4.0m×4.1m，底板高程920m。

为了分析研究泥沙淤积对枢纽建筑物布置的影响，优化泄洪洞和发电洞进水口的布置，进行了肯斯瓦特水库坝区泥沙物理模型试验研究。经研究分析，泄洪冲砂洞底板高程920m与930m两方案相比，在相同库水位条件下，降低泄洪冲砂洞进口高程可使泄洪冲砂洞排沙含沙量有所增加，其含沙量约为发电洞的1.4倍。在相同库水位条件下，粒径大于0.05 mm的总排沙量中，泄洪洞底板930m时，发电洞下泄29.2%，泄洪洞下泄的占70.8%；泄洪洞底板920m时，发电洞下泄22.4% ，而经泄洪洞下泄的占77.6%。降低泄洪冲砂洞进口高程可使泄洪冲砂洞排沙含沙量有所增加，且使得排沙粒径变粗，对减少粗颗粒泥沙进入发电洞有较好的效果。

表2　肯斯瓦特水库各不同淤积水平年淤积量统计表

表3　泄洪洞不同底板高程发电洞与泄洪洞进沙情况比较表（年常遇流量256m3/s，汛限水位条件下）

设计方案设置高程较低的泄洪洞冲砂洞进水口，从水库排沙保持长期有效库容以及减少进入电站含沙量和有害粒径方面均有一定作用，较低的泄洪洞冲砂洞底板高程更有利于排沙和工程的长期运行。泄洪冲砂洞进水口贴近发电洞进水口或直接布置在与发电洞同一垂直面上可对降低发电洞前泥沙淤沙高程起到更好的作用。设计最终采用了泄洪冲砂洞与发电洞联合布置方案，同时泄洪洞采用了920m底板高程，提高了排沙效果，最大程度地减小了泥沙淤积对发电系统的影响(表3)。

四、结 语

水库泥沙淤积问题是水库建设及运行的难题。在河流上修建水库,势必会破坏天然河流水力、泥沙条件与河床边界的相对平衡，使水沙条件与河床形态重新调整。库区水位壅高，水深增大，流速减小，水流输沙能力显著降低，造成坝上游库区的泥沙淤积。因此，水库泥沙淤积问题处理是否妥当，将会影响到水库运行中正常效益的发挥、水库有效库容及水库使用寿命，还会给水利工程及河道带来新的问题。

由于泥沙淤积导致水库功能减退以及水库报废的例子很多。肯斯瓦特水利枢纽工程在设计时，充分分析和研究了泥沙淤积对水库库容、水库调度运行、建筑物布置等的影响，工程在确定设计参数时考虑了泥沙的影响。肯斯瓦特水利枢纽工程于2010年10月26日截流，在2015年12月28日实现并网发电，目前水库蓄水位为970 m，工程运行一切正常。水库上游有2座水文站可以监测入库前泥沙情况，库中泥沙淤积形态需要后期运行管理中分年度监测。泥沙淤积究竟对枢纽工程有怎样的影响，是否与当初设计计算所确定的状况相符，还需要后期的验证来复核设计参数的合理性，以达到对类似工程的参考作用，并使肯斯瓦特水利枢纽工程设计寿命期内能够发挥其应有的作用。

[1]新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院.新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程可行性研究报告[R].2008.

[2]中国水利水电科学研究院.肯斯瓦特水库泥沙淤积数学模型计算研究[R].2009.

[3]中国水利水电科学研究院.肯斯瓦特水库坝区泥沙物理模型实验研究[R].2009.

责任编辑李建章

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1000-1123（2016）04-0028-03

2015-07-27

高宗昌，高级工程师。