克孜尔水库异重流排沙分析及塑造技术探究

木合塔尔·坎吉

(新疆克孜尔水库管理局，新疆 阿克苏 842313)

1 工程概况

克孜尔水库是以灌溉、防洪、发电、养殖、旅游等一体化的水利枢纽。正常蓄水位在1 149.5 m，库容量则为6.04×108m3，电站的装机容量为4×6.5 MW。当地的水库管理局对其开展了7次左右的淤积测量，具体如下表1所示。从表中可以看出，运行20年的泥沙淤积值和初期的预测值对比，死水位和汛限水位高达2.5倍左右，而正常的蓄水位同样也达到2倍左右，进而说明，泥沙淤积值高于当初的设计值，表明淤积的问题十分的严重。

表1 水库泥沙淤积的测量

2 克孜尔水库异重流排沙的规律

2.1 异重流潜入的条件分析

根据以现有研究的资料结果相结合来讲，异重流和洪泛之间存在较大的联系，其是低速且保持时间较长，并且大于一定的密度的低密度准稳定浊流，而形成异重流则是由于地形和气候以及密度差的控制，当水体的密度过小，并且地形的高差较大且构造活动比较强烈的湖盆更加容易出现异重流。形成异重流最根本的条件即为：深度的清水、库底坡降、入库的水流含沙量。

2.1.1 水库异重流潜入临界的水沙条件分析

通过综合性的对现有资料进行分析，把水库出现异重流临界的水沙条件总结果如下：(1)入库流量大于120 m3/s；(2)水位保持1 140.0 m，且高于1 135.0 m；(3)入库的流量为120 m3/s，且含沙量为25 kg/m3；(4)当入库的流量高于900 m3/s时，含沙量则应当在15 kg/m3左右；(5)入库的流量在120～900 m3/s时，浑水含沙量和水流量表现为单调减小的关系，而两者则可以运用S≥27-0.015Q进行表示，其中S代表水流的含沙量，而Q则代表水流的流量。

2.1.2 水库的临界底坡分析

通常可以把异重流当作为比较特殊的明渠流，因而计算时将其简化为均匀流。根据异重流正常的水深以及潜入点的水深得出：

(1)

式中：hn为为异重流正常的水深；h0为异重流潜入点的水深；λ′为综合阻力；J0为库底的坡降。

由于在异重流潜入中存在综合阻力，因此在浑水的水深高于异重流的正常水深时潜入为不成功。根据资料选择范围为0.02～0.03。在上述公式(1)中的左边值为1时，即得出异重流库底的坡降范围：

J1=0.001 5～0.002 2

(2)

根据水库的库底坡降的相关条件表明，库底的坡降J0>J1时异重流潜入只需要达到潜入的表达公式便可。

2.2 水库异重流的持续运行条件分析

2.2.1 持续运行水沙的条件

通过综合性的对现有异重流排沙的相关资料进行分析，总结异重流持续运行临界水沙的条件如下：(1)入库的流量大于200 m3/s，且悬移质泥沙中值粒径D50<0.025 mm百分比≥65%；(2)入库的流量在200～1 000 m3/s时可以运用S≥42-0.006Q来计算两者关系；(3)和水库形成异重流时的含沙量对比，水流含沙量在持续运行时较大，由此证明异重流能够保持持续运行的动力来自水流泥沙。

2.2.2 异重流的持续运行时间

为准确掌握异重流在持续运行到泄水的建筑时确保泄水闸开启的时间，进而提升排沙的工作效率，因此需要明确水库异重流的运行到泄水建筑的所用时间。本文则以入库段的洪水参数构建计算运行时间的公式。

异重流的运行时间：

(3)

式中：L为异重流运行的距离；S0为入库段洪水的含沙量；Jb为水库的底坡比降；q为入库水流的单宽流量；C为库容的系数；

针对水库而言，其大小不一，因此C也是不同，本研究的库容系数率经过计算得出为0.458。

3 水库异重流的塑造分析

3.1 堤渠的布置

异重流在排沙时会导致克孜河和干流木扎提河于鱼嘴区域形成交混的水流问题，进而致使克孜河的异重流大大的降低传播的作用，由此导致泥沙淤积在了鱼嘴的周围并形成拦沙的底坎，阻止泥沙流向泄水建筑，最终减少异重流排沙的实际效果。

利用堤渠的形式来帮助塑造异重流进行排沙的主体方案内容如下：于克孜河的上游位置构建导流堤，进一步把带有泥沙的水流方向改变至河道的左岸，根据水流则可以顺势而下通过顺坝把泥沙导入至人工的排沙明渠，再流至坝前泄水建筑。详细的布置如上图1所示。

图1 堤渠结合方案

3.2 水位的有效控制

依据实际的水流量对水位加以控制：

(1)1年一遇时控制在1 150.0 m以下。在顺坝位置的两侧水位差距较小，并且排沙渠的进水口的水流十分稳定，出口也十分的平顺，排沙的效果未受到水库回水线的淤积造成的不利影响。

(2)5年一遇时控制在1 145.0 m以下。水流的提高而导致导流堤和冲刷槽的作用力加强，进而致使一小部分的泥沙淤积在回水线的周围；而水位显现回落时在冲槽中的淤积泥沙被冲掉，进而冲刷槽完全有效的畅通。

(3)10年、20年、30年一遇时控制在1 140.0 m以下。在导流堤的上堤脚位置的冲刷深度高于5.0 m，最高时达到5.5 m；冲刷的流速高达2.9 m/s以上；冲刷槽的宽度则在80～130 m。

水库在汛期时的沙量较高，大约占据全年的90.0%左右，而当汛期过后，水库的水位下降到1 135.0 m时，下泄的流量保持在750.0 m3/s时可以把沙量的85.0%有效的排出，进而减少水库的淤积。

3.3 实施的效果

自从塑造异重流的排沙使用后显示，效果良好，并经过现场的观察来看，主河槽已经改道走向排沙孔的左岸位置，进而异重流的距离显著的缩短，在汛期的水位保持在1 140.0 m，泥沙完全可以跟随异重流排出库外。泥沙的出库量如下表2的实际统计。

表2 汛期进出库泥沙分析表

泥沙大多发生在水库的汛期，并且入库的泥沙十分大，而用堤渠结合塑造异重流进行排沙则同样发生在汛中期和汛末期，此和形成异重流的相关特点所匹配，即主是泥沙较多可以多排，并且含量的沙水流非常容易导致异重流的形成。通过针对采用相应的措施前后的排沙对比分析可以看出，在汛期时的排沙效果更加的明显，在采取上述的解决措施后的排沙比没有实施前高达6倍。

根据表3显示出的汛期沙峰期排沙的实际效果数据可以看出，水位有效保持在1 140.0 m以下，平均的进库含沙量远远高于出库的，但是，平均的入库流量则全部低于出库时的流量，并且产生的变化幅度远远高于含沙量的变化，因此，两者作用的结果促进出库的泥沙总量远高于进库，并且排沙的比例均达到高于100%，极大值高达380.2%。通过观测支流段所形成的溯源冲刷长度为6.0 km，以及宽度40.0 m，并且平均深度高于3.0 m，排沙的效果十分明显。

表3 汛期排沙的效果分析

4 结语

克孜尔水库在汛期时，各项水沙的特性均达到形成异重流的各项要求，通过利用异重流来将水库中的淤积泥沙进行排出的效果十分显著，并且能够提升水库的使用年限。通过对异重流的相关资料进行分析，并总结了异重流的发生和运行到泄水建筑的各项条件，以此为基础提出用于计算入库洪水的异重流持续运行的时间方法，进而为异重流的排沙打下一定的基础。然后再与水库的特点相结合，最终开展施行堤渠辅助塑造异重流的可行方案，进而提升了水库的排沙效果，并针对水库前期的泥沙问题得到有效的解决，由此为后续的相关工作提供一定的参考价值。