小型水库泥沙淤积形态分析——以咸阳市屯庄水库为例

韩 磊

(咸阳市水利水电规划勘测设计研究院，陕西 咸阳 712000)

1 工程基本情况

屯庄水库位于陕西省咸阳市淳化县境内、冶峪河上游的西屯庄村附近，距下游淳化县城约2.5 km，距咸阳市75 km，距西安市100 km，所在流域侵蚀模数为2000～5000 t/(km2·a)，属水土流失较为严重地区。屯庄水库工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。工程枢纽由大坝、泄洪放水洞、溢洪道、输水管道等建筑物组成。水库正常蓄水位911.5 m，最大坝高40.5 m，总库容829.2万m3，设计使用年限50 a。主要承担着受益地区群众生活和高效农业灌溉供水，具备常规水源和抗旱应急水源的双重任务。常规供水任务下解决淳化县城关镇和秦河发展服务中心居民生活供水及城关镇、润镇、铁王镇塬面耕地灌溉用水。在抗旱应急任务下除满足正常供水任务外，还要解决淳化县润镇、车坞镇、卜家镇、铁王镇、石桥镇5个镇区所在地(含沿线村庄)的基本生活用水。每年向城关镇及农村生活供水量190.31万m3，向城关镇、润镇、铁王镇塬面灌溉供水量42.06万m3。

此前，咸阳市小型水库在进行淤积量计算时均假设纵向淤积面为水平面，即采用理论计算拦沙量查水位(高程)—库容曲线，得到相应高程即为水库淤积面高程。但随着各河道来水来沙条件的变化，目前在建和待建的小型水库项目在设计阶段已进行水库泥沙淤积形态分析，而正确认识水库泥沙淤积规律并正确处理水库淤积问题对水库发挥最大效益有着至关重要的作用[1-3]。故以咸阳市淳化县屯庄水库为例，对泥沙淤积形态进行理论分析，以期为同类型水库的施工设计提供有益借鉴。

2 水库泥沙淤积情况

2.1 水库泥沙量情况

结合水库库区地质情况，水库坝址处的泥沙淤积量由沟道来沙和塌岸量两部分组成，根据该库区水文资料[4]，坝址处多年平均输沙量20.74万t，泥沙干容重取1.35 t/m3，即每年输沙量合计15.36万m3。根据地质勘察报告中对库区塌岸量估算，上坝址正常蓄水位为911.50 m时，水上坍塌体积为28.75万m3，水下坍塌体积为39.15万m3。根据《水电工程水利计算规范》(DL/T 5105—1999)规定，淤积计算年限为50～100 a。

2.2 水库淤积总量分析

通过水文计算，库区1000 a一遇校核洪峰流量1168 m3/s，入库洪水总量813.00万m3，最高库水位916.63 m，总库容829.20万m3。考虑水库的运行方式，洪水期利用泄洪放水洞排沙，按照水库运行经验，排沙量按上游沟道来沙量的10%计[5]，水库运用不同年限后，坝址处淤积总量等于上游沟道来沙淤积量加上库区水上坍塌量[6](水上部分坍塌量为28.75万m3)，不同淤积年限水库淤积量计算结果见表1。

表1 屯庄水库不同淤积年限淤积量计算结果

3 水库淤积形态分析

3.1 水库纵向淤积形态判别分析

水库淤积的纵向形态基本可分为三类：三角洲淤积、椎体淤积和带状淤积。根据目标水库的特定条件，参考泥沙设计手册[7]，采用判别系数法判断水库理论淤积形态[8]，判别式如式(1)所示。

(1)

式中：V为时段平均库容，对于长期淤积而言，为总库容，万m3；Ws为多年平均入库沙量，万m3；J0为库区原河道比降。以万分率计。当α′<2.2为椎体淤积形态；α′>2.2为三角洲淤积形态。

针对屯庄水库，V=829.20万m3，Ws=15.36万m3，J0=15.1‰，则经计算α′=0.36<

2.2，判断该水库理论淤积形态为椎体淤积，故在设计分析中按锥体淤积形态进行淤积分布计算。

3.2 淤积末端位置的分析确定

根据库区沟道纵断面(见图1)坝址处河床高程位置为B(海拔878.00 m，沟底)，该库最高库水位916.63 m与原库底线的水平交点A′的位置，从图1可知L0=2.346 km，淤积末端A点距坝轴线距离L可根据公式(2)计算。

L=kL0

(2)

式中：k为系数，一般k=1.0～1.3；L0为校核洪水位与现状河床水平交点A′距坝址的距离，km。

根据屯庄水库实际情况和附近已建水库设计经验，选取k=1.1，则淤积末端A点距离坝址距离为：L=L0×1.1=2.581 km，查库区沟道纵断面A点高程918.80 m。

图1 屯庄水库库区沟道纵断面图

3.3 试摆确定淤积部位

采用试算法[9-10]计算确定淤积部位，即从淤积末端A点出发，试作一条淤积纵剖面线，交坝轴线于O点，即坝前淤积高程，计算锥体AOB体积，用计算结果与表1中理论计算淤积量对比，当AOB体积不等于理论计算淤积量时，重新试作淤积纵剖面线，直到AOB体积等于理论计算淤积量时，其淤积面AO线即为所求的淤积面。根据库区实测1∶1000地形图和沟道纵断面，以10 a淤积形态计算过程为例，计算步骤为：

(1)从淤积末端A点出发，拟定一条淤积纵断面，交轴线于O点，量算出该点高程H1，以该高程为坝前10 a淤积高程，查高程—库容曲线，查出该高程以下对应的库容V1，高程H1～918.8之间淤积量为V2，V1、V2之和即为试算淤积总量。

(2)V2的计算采用累计层库容法计算。根据拟定淤积纵断面选取不同高程，确定不同计算高程距坝轴线位置，在平面图中确定该计算高程平面位置，做一条垂直于河道的横线，该横线与对应高程所形成的封闭区域即为该高程的淤积面积。根据相邻高程的淤积面积和高差计算层库容，再将所有计算高程下的层库容累计叠加即为V2值。

(3)根据试算法计算得知10 a淤积年限下，坝前淤积高程为889.30 m，库区淤积总量为168.52万m3，与理论计算淤积量167.35万m3相差1.17万m3；根据水库设计实际情况和已建水库相关设计经验，可以认为AO线为设计所求的淤积面，淤积面比降为i主=11.17‰。

3.4 水库淤积形态分析计算

由于屯庄水库坝址处库内水深较大，淤积使河道整个断面淤高，故淤积横向分布按照不分滩槽计算。参照10 a淤积年限下淤积形态分布计算过程，计算淤积年限为30 a和50 a的淤积分布。经过试算，30 a淤积年限下，坝前淤积高程为901.15 m时，库区淤积总量为444.78万m3，与理论计算淤积量444.53万m3差0.25万m3，淤积面比降为i主=6.68‰。50 a淤积年限下，坝前淤积高程911.00 m时，库区淤积总量为728.36万m3，与理论计算淤积量728.71万m3相差-0.35万m3，淤积面比降为i主=2.96‰。计算结果见表2，不同淤积年限下库区淤积形态分布结果见图2。

表2 屯庄水库不同淤积年限淤积形态计算结果

图2 屯庄水库淤积纵向分布图

4 结 论

共同影响水库淤积形态的因素有多方面，本文以咸阳市屯庄水库为例，开展小型水库淤积形态的理论分析与计算，明确了10 a淤积年限下，坝前淤积高程为889.30 m，库区淤积总量为168.52万m3，AO线为设计所求的淤积面，淤积面比降为i主=11.17‰；30 a淤积年限下，坝前淤积高程为901.15 m，库区淤积总量为444.78万m3，淤积面比降为i主=6.68‰。50 a淤积年限下，坝前淤积高程911.00 m，库区淤积总量为728.36万m3，淤积面比降为i主=2.96‰。本文提供的小型水库淤积形态的理论计算方法可以适用于同类型水库的设计计算，同时也将为水库的设计建设提供理论支撑与依据。