山西省浑源县王千庄水库泥沙研究

孙天青，梁学玉，赵 慧

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

山西省浑源县王千庄水库泥沙研究

孙天青，梁学玉，赵 慧

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

王千庄水库坝址多年平均悬移质含沙量为34.8 kg/m3，总输沙量56.5万t，水库库沙比约8.4，工程泥沙问题十分突出。通过研究提出合理的水库泥沙调度运行方式，最大限度地延长水库寿命，发挥工程效益。

水库；库沙比；调度运行

1 工程概况

王千庄水库位于山西省浑源县浑河一级支流王千庄峪出口处，坝址以上流域面积186 km2。水库任务为工业、城镇生活、灌溉供水、防洪等，年均供水总量1 170万m3。

2 入库水沙

王千庄水库多年平均径流量为1 478万m3。径流年内主要集中在6—9月，占年径流量的48.5%，其中7—8月占年径流量的30.7%。

水库坝址以上流域内植被较差，水土流失严重，每年有大量的泥沙输送。水库坝址以上流域悬移质年输沙量51.4万t，年平均含沙量34.8 kg/m3。贾庄水文站位于王千庄水库下游的浑河干流，集水面积989 km2，该站有1964—1991年共计28 a同期水沙资料系列。王千庄峪作为浑河的支流，水沙特性与干流浑河有一定的相似性，因此以贾庄水文站作为依据站进行流域水沙特性分析。

2.1 水沙量年际年内分配不均

从年际变化情况来看，来水来沙分布不均，年最大来水量为10 994万m3（1967年），年最小来水量为1 111万m3（1987年）；年最大来沙量为495万t（1967年），年最小来沙量为4.1万t（1990年）。

流域年内水沙分配很不均匀，基本上与降水在年内分配一致，即水、沙多集中在汛期6—9月，主汛期7—8月来沙集中程度更甚于来水。1964—1991年系列结果可以看出，7—8月水量1 372万m3、占全年水量的30.7%，沙量91.9万t、占全年沙量的78.5%；6—9月水量2 171万m3、占全年水量的48.5%，沙量108万t、占全年沙量的92.5%；10—5月水量2 304万m3、占全年水量的50.3%，沙量8.76万t、占全年沙量的7.92%。该地区非汛期泥沙量很少，泥沙主要集中在汛期6—9月，尤其是7—8月（80%左右），这为水库排沙提供了有利条件。

2.2 含沙量高

贾庄水文站1964—1991年平均含沙量为26.2kg/m3，汛期平均含沙量为45.9 kg/m3，7月平均含沙量最高、为78.8 kg/m3，8月次之、为60.1 kg/m3。贾庄水文站实测最大断面含沙量为966kg/m3（1970年7月31日）。

3 水库水沙调度运用分析

王千庄水库库区为峡谷型河槽，两岸山坡陡峻，河道自然比降大（库区25.3‰），坝高和库容受地形条件限制，均较小，河流泥沙含量较大，属多沙河流水库。正常蓄水位下对应有效库容为359万m3，坝址以上年总来沙量为43.0万m3，库沙比8.36，水库泥沙问题十分严重。在不采取任何排沙措施情况下，水库运行9 a后正常蓄水位以下库容将全部淤满。因此，合理的运用方式和足够的泄流规模是多沙河流水库长期保持有效库容的主要条件。

3.1 水库运用方式

王千庄水库为综合利用水库，按照水库任务要求和入库水沙特点，拟定水库运用方式为“蓄清排浑、空库迎洪”运用方式。每年10月—翌年5月水库蓄水调节径流，满足供水和灌溉运用；主汛期7—8月按汛期排沙汛限水位1 237 m控制运行，当主汛期发生中小洪水（5 a一遇及以下）时，可适度打开泄洪排沙闸泄洪排沙，此时库水位保持在汛期排沙汛限水位，当主汛期发生较大洪水（5 a一遇以上）时，根据预报水库提前放空蓄水，空库迎洪，敞泄滞洪排沙运用；同时，为满足后期供水灌溉需要，汛初、汛末适当抬高水位，拦蓄部分峰后洪水以增加水库蓄水量。该运用方式主导思想是充分利用大水排沙，小水兼顾兴利。

3.2 泄流规模

水库泄流规模的主要任务是保持足够大的滩库容和槽库容，对于王千庄水库这类高含沙洪水的水库，必须要有足够的泄流能力，才能做到洪水入库后减少滞洪程度，缩短滞洪时间，控制洪水上滩淤积的机遇和淤积量，从而延长水库寿命。泄流规模包括水库死水位、主汛期限制水位、水库淤积相对平衡后的平滩水位等泄流规模。

（1）水库死水位泄流规模。水库死水位是库区冲刷平衡河床纵剖面的侵蚀基准面水位，按照泥沙设计要求，水库死水位泄流规模应相当于库区新河床的造床流量。

（2）水库主汛期限制水位泄流规模。水库主汛期限制水位是库区淤积平衡河床纵剖面的侵蚀基准面水位，按照泥沙设计要求，水库主汛期限制水位泄流规模应相当于3～5 a一遇洪峰流量或多年平均洪峰流量。

（3）水库淤积相对平衡后的平滩水位泄流规模。多沙河流水库淤积相对平衡后形成高滩深槽平衡形态，为保持库区滩库容的稳定性，在不考虑槽库容调蓄洪水的作用下，其平滩水位的泄流规模要求相当于10～20 a一遇洪峰流量；在考虑槽库容调蓄洪水的作用下，其平滩水位的泄流规模要求相当于20～30 a一遇洪峰流量。

（4）水库总泄流规模。水库总泄流规模要满足在水库冲淤平衡后校核洪水位不超过水库最高蓄水位要求。

综上，王千庄水库死水位1 230 m时泄流规模为371 m3/s、水库主汛期限制水位1 237 m左右时泄流规模为443 m3/s、水库淤积相对平衡后的平滩水位1 245 m时泄流规模为514 m3/s，均满足多沙河流兴建水库对泄流规模的指标要求。因此，通过控制水库泥沙的淤积速度和淤积面高程，能使水库泥沙淤积处于平衡状态，从而保持一个长期的有效库容以实现水库兴利任务。

4 泥沙淤积计算方案

按照混凝土重力坝主汛期排沙限制水位1 237 m考虑，计算断面采用库区1:2 000实测横断面资料。

5 库区淤积形态设计

5.1 水库泥沙淤积形态

其形态判别式为：

式中：V为水库总库容（m3）；Ws为多年平均入库沙量（m3）；J0为库区原始河道比降（以万分率计）。

水库原始河道纵比降为25.3‰，经计算得到水库淤积形态判别指数α=0.03＜2.2，因此本水库淤积形态为锥体淤积。

5.2 库区纵向淤积形态

水库运用初期泥沙首先在水库上段淤积，此时只有较细的冲泻质随水流到达坝前，其中一部分随水流排出库外，一部分淤积在坝前，随着水库运用年限的增加，泥沙淤积逐渐发展至泥沙冲淤平衡状态，枢纽沉沙作用逐渐减少，枢纽坝前淤积物也随之由细变粗。

库区淤积纵剖面大体分为3段，即坝前冲刷漏斗段、过渡段及水库正常淤积段。

（1）水库正常淤积段库区平衡河槽比降选用水电部第十一工程局设计院公式，即：

式中：S为汛期平均含沙量（kg/m3），取 68.7 kg/m3；Q汛为汛期（6、7、8、9月）平均流量（m3/s），取0.66 m3/s。

经计算，得到库区平衡河槽比降Jk=2.45‰。

（2）冲刷漏斗形态设计。底孔一般布置较低，由于过流作用，在底孔上游附近形成局部冲刷漏斗。其形成是由于孔口附近流线集中，流速骤增，河床冲深，但孔口附近流线收缩影响范围以外的区域流速较小，泥沙淤高，从而形成前低后高的局部冲刷漏斗。

根据三门峡等水库深水孔口门前局部水下地形实测资料，冲刷漏斗的坡度不等于淤积物水下休止角，而且漏斗顺水流方向的坡度J小于漏斗侧向坡度J'，王千庄水库泄洪排沙闸底板高程为1 210 m，汛期排沙限制水位为1 237 m，27 m高差会在坝前形成冲刷漏斗。

根据国内一些已建工程的实测资料，坝前漏斗顺水流方向的坡度为1/3～1/30，坝前漏斗的侧向坡度约为1/2.5～1/7。一般而言，如底孔经常过流，且过流量越大，其冲刷漏斗边坡就越小；反之，如底孔不经常过流，且过流量较小，其冲刷漏斗边坡越陡。王千庄水库汛期流量大，调节库容小，汛限水位时单孔泄量达220 m3/s左右，过流能力大。但由于水库主要任务是供水和灌溉，底孔并不经常打开，泄流机会并不很多，王千庄水库坝前漏斗的坡度应较陡。

漏斗顺水流方向的坡度计算公式为：

漏斗侧向坡度计算公式为：

式中：U为喇叭口的平均流速（m/s），取11.4 m/s；Q为孔口流量（m3/s），按单孔死水位泄量185 m3/s计；H为门前淤积厚度（m），取27 m；Uc1为1 m水深时泥沙起动流速（m/s），按0.4～0.45 m/s计。

经计算以及参考已建工程实测资料，王千庄水库漏斗顺水流方向的坡度下半段采用0.2、上半段采用0.033，侧向坡度采用0.35。

5.3 横断面淤积形态

横断面淤积形态自上而下沿程变化，基本上由全断面淤积到有明显的滩槽。淤积断面较宽浅，滩槽高差较小。在横断面上冲淤发展过程一般具有“死滩活槽”即滩地只淤不冲，而主槽则有冲有淤。含沙量较小的河流在水库蓄水后横断面淤积宽度大，运用初期厚度小，基本上沿库底湿周淤积。

（1）稳定河宽。选用以下公式计算稳定河宽：

式中：A为河岸不稳定系数，类比青铜峡、闹得海、官厅等水库取1.7；Jk为库区平衡河槽比降，取2.45‰；Q造为造床流量（m3/s），取83.6 m3/s。

经计算，得到稳定河宽B=51.74 m。

（2）稳定水深。选用以下公式计算稳定水深：

经计算，得到稳定水深h=0.57 m。

（3）依据我国已建工程实测资料，稳定水深以下至河底的槽边坡取1∶6，稳定水深以上至平滩水位的滩边坡取1∶5。

6 淤积计算成果

当坝型为混凝土重力坝，水库冲淤平衡后，正常蓄水位1 252 m时库容为161万m3，淤积量为198万m3；水库冲於平衡后坝前滩面淤积高程为1 245 m，河底淤积高程为1 225 m。水库坝址淤积横断面和纵剖面，如图1所示。

7 结论

（1）水库坝址以上流域内植被较差，水土流失严重。坝址以上流域悬移质年输沙量为51.4万t，推移质输沙量为5.14万t，总输沙量为56.5万t，多年平均悬移质含沙量为34.8 kg/m3。

（2）水库正常蓄水位1 252 m以下原始库容约359万m3，库沙比为8.4，工程泥沙问题十分突出。水库要保证年均供水总量1 170万m3，就要保持150万m3以上的有效库容，为此，必须提出合理的水库泥沙调度运行方式，以最大限度地延长水库寿命，发挥工程效益。

（3）按照水库工程任务要求和入库水沙特点，拟定水库运用方式为“蓄清排浑、空库迎洪”运用方式，即：每年10月—翌年5月水库蓄水调节径流，满足供水和灌溉运用。主汛期7—8月按汛期排沙汛限水位1 237 m控制运行，当主汛期发生中小洪水（5 a一遇及以下）时可适度打开泄洪排沙闸泄洪排沙，此时库水位保持在汛期排沙汛限水位；当主汛期发生较大洪水（5 a一遇以上）时根据预报水库提前放空蓄水，空库迎洪，敞泄滞洪排沙运用。为满足后期供水需要，汛初、汛末适当抬高水位，增加水库蓄水量。

（4）水库泥沙淤积呈锥体形态，库区平衡河槽比降为2.45‰。水库冲淤平衡后总淤积量为198万m3，剩余有效库容为161万m3，因此王千庄水库可长期满足工程任务。

TV145

A

1004-7328（2017）05-0040-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.014

2017—05—20

孙天青（1983—），男，工程师，主要从事水文水资源、泥沙研究设计工作。