克孜尔水库异重流排沙分析及塑造技术研究

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(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆克孜尔水库管理局，新疆 阿克苏 842313)

1 研究背景

新疆克孜尔水库自1992年下闸蓄水运行至今，泥沙淤积总量已高达2.501×108m3，库容损失率高达41.2%[1]，泥沙淤积问题已严重影响水库各项正常使用性能，甚至已经危及到大坝的安全。克孜尔水库泥沙淤积问题，集中体现在汛期大量泥沙随着洪水涌入库区，悬移质泥沙沿程落淤。采用泄空冲沙虽能解决汛期泥沙淤积，但考虑到水库下游23.33×104hm2的灌溉面积[1]及水库发电效益，泄空冲沙并不是水库汛期排沙的首选方案。综合考虑汛期利用异重流排沙是当前水库解决泥沙淤积问题的不二之选。

为了提高水库异重流排沙减淤工作的实际效果，必须对水库异重流现象及其运行规律有深刻的认识。本文在已有水库异重流研究成果的基础上，对新疆克孜尔水库异重流实测资料进行分析，试图定量提出克孜尔水库异重流潜入及持续运行条件、不同来水条件时异重流运行规律及排沙效果，以期结合工程措施在克孜尔水库塑造出高排沙率的水库异重流现象减轻水库泥沙淤积问题。

2 工程概况

渭干河克孜尔水库位于新疆阿克苏地区拜城县境内渭干河干流木扎提河与支流黑孜河的交汇处，系塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪为主，兼顾水力发电、水产养殖与旅游开发等综合效益的大(I)型水利枢纽工程。整个枢纽利用现代坝工技术修建在F2活动断层上，由主坝、副坝、二道坝、开敞式溢洪道、泄洪排沙导流洞、坝后式电站组成。水库正常蓄水位为1 149.6 m，相应库容为6.04×108m3，坝址以上流域面积17 000 km2，电站装机容量为4×6.5 MW，保证出力6.4 MW，多年平均年发电量1.34亿kW·h[2]。

水库管理局1992—2010年先后利用断面法与水下地形图法对水库进行了7 次泥沙淤积测量，详见表1。由表1可知：水库运行20 a实际泥沙淤积值与设计初期预测值相比，死水位及汛限水位以下已达2.5倍，正常蓄水位以下泥沙淤积总量也已达2倍之多，实际泥沙淤积值远远大于设计初期预测值，水库泥沙淤积问题严重。

表1 克孜尔水库泥沙淤积测量结果Table 1 Measured sedimentation in Kizil reservoir

3 异重流排沙规律分析

异重流的研究可以追溯到20世纪40年代，在长达一个多世纪的时间里，国内外学者对于水库异重流的产生、运行等问题进行了由浅入深的研究，取得了十分宝贵的研究成果。近年来对于异重流的研究主要分为2个方面：①以异重流发生时的相关特征参数为对象进行理论研究，如李涛等[3]对异重流潜入点处垂线流速分布物理图形进行数学分析，得出潜入点处垂线流速分布理论公式为抛物线形；胡鹏等[4]探讨了异重流水卷吸系数和泥沙交换经验公式对复杂地形上异重流演化模拟的适用性；贺治国等[5]研究了异重流在层结与非层结水体中的运动特性，非层结水体中异重流头部速度先迅速增大，而后基本不变、减速幅度较小，而在层结水体中异重流头部速度先增大，之后明显减小。②建立异重流的物理、数学模型，如王增辉等[6]建立了基于库区不规则断面的一维非恒定异重流数学模型，该模型能够预测异重流的厚度、含沙量分布及传播过程；纪道斌等[7]以三峡水库支流库湾中层倒灌异重流为对象构建了相关物理模型，分析了异重流头部移动速度、交界面高度、头部厚度等主要水力学要素的变化过程及受入流量、初始水位、温度差的影响规律。

当挟沙水流进入蓄有清水的水库后，不同容重比的清浑水在交界面处形成环流，导致挟沙水流潜入清水层下运行，这一现象被定义为异重流的潜入，它是异重流开始形成的标志[8-9]。水库泥沙异重流可看成是一种泥沙运动的特殊形式，同时也是水库调水调沙必须考虑的因素[10]。异重流潜入点位置与流量、含沙量、河床边界条件及库水位等因素有关，一般位于水深沿程变化较大的水库回水末端，且随着入库流量和含沙量的变化而上下移动[11]。对于克孜尔水库来说，因其库区平面大、回水长，异重流沿程变化则更加复杂，因此针对克孜尔水库异重流水沙输移规律进行研究更具其必要性，本文主要对克孜尔水库异重流潜入及持续运行条件这2方面进行研究。

3.1 克孜尔水库异重流潜入条件

结合已有研究成果看，异重流的形成与洪泛密切相关，是一种低速、持续时间长、高于一定密度门槛的低密度准稳定浊流[12]。异重流主要受地形、气候、密度差等因素控制，水体密度小、近物源、地形高差大、中-小河流发育、构造活动强烈的陆相湖盆更利于异重流的产生[13]。异重流的形成需要具备的基本条件可以概括为水库有一定深度的清水及库底坡降、入库水流有一定的含沙量及流量[14]。故笔者将从水沙条件及水库底坡比降方面探讨克孜尔水库异重流的潜入条件。

3.1.1 异重流潜入临界水沙条件

综合分析新疆克孜尔水库异重流的实测资料，可将克孜尔水库异重流发生时的临界水沙条件归纳为：①入库流量基本在120 m3/s以上；②水库水位控制在1 140.0 m左右，不应低于1 135.0 m以下；③入库流量在120 m3/s时，水流含沙量一般应在25 kg/m3左右；④若入库流量>900 m3/s，相应入库含沙量约为15 kg/m3；⑤当入库水流流量介于120～900 m3/s之间时，浑水含沙量与水流流量呈单调减小关系，二者关系可用式S≥27-0.015Q(S为含沙量，Q为流量)表达。

3.1.2 水库临界底坡

异重流可看作是一种特殊的明渠流[15]，在计算中为了简化常常将其视为均匀流。利用异重流的正常水深与潜入点水深可得

(1)

式中：hn为异重流的正常水深；h0为异重流潜入点水深；λ′为综合阻力；J0为库底坡降。

鉴于异重流潜入时综合阻力λ′的存在，所以当浑水水深大于异重流正常水深时，异重流的潜入是不成功的。文献[16]给出了综合阻力λ′的取值范围，即在0.02～0.03之间。当式(1)左边值取1时，即可求得异重流发生时库底坡降的临界值范围为

Jl=0.001 5～0.002 2 。

(2)

按照库底坡降条件，当库底坡降J0>Jl时，异重流的潜入则只需满足范家骅[17]提出的潜入表达式即可，否则潜入不成功。

3.2 异重流持续运行条件

水库异重流排沙的必要条件是异重流形成之后能够挟带泥沙持续运行至泄水建筑物并最终将泥沙排出库外。异重流持续运行的动力来自于水流中的泥沙，其与异重流的形成条件并不一致，故必须将异重流的形成条件与持续条件区别看待[18]。

3.2.1 持续运行水沙条件

通过整理分析新疆克孜尔水库异重流排沙的实测资料，克孜尔水库异重流持续运行的临界水沙条件为：①入库流量一般≥200 m3/s，悬移质泥沙中值粒径D50<0.025 mm的百分比一般≥65%；②当入库流量介于200～1 000 m3/s之间时，两者之间的关系可用S≥42-0.006Q进行计算；③与异重流形成时的水流含沙量相比，异重流持续运行时水流含沙量较大，这也佐证了异重流持续运行时动力来源于水流中的泥沙这一研究成果。

3.2.2 异重流持续运行时间

为了在异重流持续运行至泄水建筑物时，准确把握泄水闸门的开启时间进行排沙工作，从而提高水库异重流排沙效率，就必须确定异重流运行至泄水建筑物的时间。

前人对异重流运行时间的计算公式均建立在异重流潜入点处的相关参数[16,19]的基础上。为了方便计算，笔者基于入库段洪水的相关参数建立了异重流运行时间的计算公式(另文详述)。

异重流库区运行时间T为

(3)

式中：L为异重流运行距离；S0为入库段洪水含沙量；Jb为水库底坡比降；q为入库水流单宽流量；C为库容系数，对于不同的水库，C是不同的，通过计算克孜尔水库库容系数率定为0.458。

4 异重流的塑造

从现有的异重流塑造手段来看，主要有梯级水库的联调[20-21]以及机械设备辅助制造高含沙水流入库[22-24]。鉴于新疆克孜尔水库上游并无可进行联调的水库，而机械设备辅助制造高含沙水流并不经济，故水库决定采用一种新的异重流塑造手段——堤渠结合方式辅助塑造水库异重流排沙。

4.1 堤渠布置方案

克孜尔水库来流主要由干流木扎提河和支流克孜河组成，支流克孜河来沙较细且河道属窄深式，故相较于干流木扎提河河道形式更易产生异重流。以往水库运用异重流排沙过程中存在一个问题，即支流克孜河与干流木扎提河在“鱼嘴”附近常形成交混水流，导致支流克孜河异重流传播能量减弱，大量泥沙在“鱼嘴”附近落淤，逐渐形成“拦沙底坎”阻截异重流挟带泥沙运至泄水建筑物，大大降低了水库异重流的排沙效率。

堤渠结合方式辅助塑造水库异重流排沙方案指：在支流克孜河上游修筑导流堤，将挟沙水流挑向河道左岸，挟沙水流沿左岸顺势而下，继而由顺坝将挟沙水流导入人工排沙明渠，最后经坝前排沙明渠行进至坝前泄水建筑物。具体布置方案见图1。

图1 堤渠结合布置方案示意图Fig.1 Layout scheme of dam and canal combination

堤渠结合辅助制造异重流技术优点主要表现为：①缩短了支流克孜河异重流运行至大坝的运行距离，减小了异重流沿程的能量损失，水流挟沙能力及出库泥沙含量较之以前大大提高；②支流库段形成沿淤积三角洲的顶点处向上游发展的溯源冲刷现象，从而使异重流挟沙量增大，排沙效果更加显著；③改变原有河道走向，与原有河道相比使河道窄深程度加大，有利于异重流持续运行至坝前。

4.2 水库水位控制

根据来水流量对水库水位进行控制：

(1)1 a一遇时，库水位控制在1 150.0 m以下。由于顺坝两侧水位差小，排沙渠进口处水流流态稳定，出口处过流平顺，冲刷槽及人工排沙渠排沙效果不受水库回水线附近部分淤积物的影响。

(2)5 a一遇时，库水位控制在1 145.0 m以下。来水流量的增大加剧了导流堤及冲刷槽的冲刷强度，部分推移质及较大颗粒的悬移质泥沙逐渐淤积在回水线附近的冲刷槽内；但当水位逐渐回落时，前期淤积在冲槽内的泥沙又被水流冲掉，而后冲刷槽迅速恢复畅通。

(3)10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇时，库水位控制在1 140.0 m以下。导流堤上游堤脚冲刷深度均在5.0 m以上，最大值达5.5 m；此时冲刷流速也较大，达到2.9 m/s以上；冲刷槽宽度在80.0～130.0 m之间。

由于克孜尔水库汛期来沙量约占其全年来沙量的90.0%，当汛期库水位降至1 135.0 m附近及下泄流量稳定在750.0 m3/s以内时，支流克孜河库段全年来沙量的85.0%将被排出库外，有效缓解了水库泥沙淤积问题。

4.3 实施效果及其分析

克孜尔水库堤渠结合辅助塑造异重流排沙技术自2012年投入运行至今，实施效果显著：

(1)通过实地观测，支流克孜河库段的主河槽已明显改道至距离大坝排沙底孔较近的左岸处，异重流运行距离明显缩短，水库汛期维持在1 140.0 m水位以下运行时，支流入库泥沙均能随着异重流运行至大坝从而排出库外。

(2)统计分析2006—2015年水库汛期进出库泥沙资料，见表2。

表2 水库汛期进出库泥沙统计Table 2 Statistics of inbound and outbound sediment ofreservoir during flood season

水库未采取堤渠结合辅助塑造异重流措施时，水库年均排沙比较低，除2010年达到7.0%以外，其余年份均在3%以下。2010年平均排沙比较大的原因是当年水库入库泥沙总量较大，利于异重流的形成。水库自采取堤渠结合辅助塑造异重流排沙技术之后，水库年平均排沙比得到了极大的提高，基本保持在10%以上。其中2014年年均排沙比达到10.4%，是2006年年均排沙比2.0%的5倍之多。入库泥沙主要集中在汛期，且汛中(7月份)入库泥沙量级较大，堤渠结合塑造异重流方式排沙效果同样集中体现在汛中及汛末(即7—8月份)，这与异重流形成及运行规律相匹配，即泥沙多来多排、高含沙水流更易于形成异重流。对比分析采取措施前后汛期排沙比，可以发现汛期排沙效果较年均排沙效果更为显著，采取措施前后排沙比可达到6倍之多。

(3)分析水库汛期沙峰期间排沙效果统计数据(表3)可知，当库水位控制在1 140.0 m以下时，虽然平均进库含沙量均大于出库含沙量，但平均入库流量均小于出库流量，且变化幅度大于含沙量的变化幅度，故二者作用的结果促使出库泥沙总量大于进库泥沙总量，排沙比均>100%，极大值甚至达到380.1%。水库汛期排沙比超过100%的原因除去异重流携带泥沙出库外，支流河道束窄使支流克孜河库段形成的沿淤积三角洲顶点处向上游发展的溯源冲刷现象也是重要原因。通过现场观测支流段形成的溯源冲刷长度达6.0 km、宽度达40.0 m、平均深度在3.0 m以上，排沙效果显著。

表3 水库汛期沙峰期间排沙效果Table 3 Effect of sediment discharge during sand peak in flood season

5 结 论

(1)新疆克孜尔水库汛期水沙特性符合异重流形成规律，运用异重流进行水库排沙减淤工作，可达到延长水库寿命的目的。

(2)通过对新疆克孜尔水库异重流实测资料的分析，归纳出了水库异重流发生及持续运行至泄水建筑物时的临界水沙条件及水库底坡坡降条件，提出了基于入库洪水特性的异重流持续运行时间的计算方法，为水库异重流排沙提供了理论基础。

(3)结合克孜尔水库固有特性实施的堤渠结合辅助塑造异重流方案，不仅使水库异重流排沙效率提高，并且解决了部分水库前期泥沙淤积问题，为今后大库盘水库的泥沙减淤工作提供了经验。