某新建中型水库工程泥沙淤积及回水计算分析

王 涛

（安义县水利局,江西 安义 330500）

1 工程概况

某新建中型水库规模属Ⅲ等中型工程,主要建筑物有沥青混凝土心墙砂堆砂砾石坝、溢洪道、泄洪排沙洞和输水隧洞,其中沥青混凝土心墙砂堆砂砾石坝坝高超过70 m,建筑物级别为2 级,溢洪道、泄洪排沙洞、输水洞及下游消能等主要建筑物等级为3 级,边坡、尾水渠等次要建筑物为4级［1］。水库工程任务是以城乡生活、工业、农业灌溉为主,兼顾下游防洪,改善河道生态环境、维持区域湿地生态系统稳定,为实现区域城乡一体化和社会经济可持续发展提供水资源保障、流域上下游、左右岸“定时定量”的分水提供重要工程控制手段、实现流域水资源合理配置、高质量发展奠定基础。水库在规划设计时泥沙淤积及回水计算分析对确定水库工程规模至关重要,本文主要从这两个方面进行分析。

2 库区泥沙计算

2.1 流域产沙概况

由于水库流域气候干燥降雨少,地表植被差,降雨形成地表径流时,地表被冲刷,水流挟沙入河,是河道泥沙的主要来源,此外,由于河谷狭窄、山高沟深,两岸局部河段岸坡失稳塌落入河,也是河道泥沙的另一个来源。该流域降水量随地面高程的降低而减少,深山区降水量较多,植被较好,人类活动影响较小,因而入河泥沙较少,朱龙关以下的浅山区,降水减少,地表植被稀疏,加上过渡放牧和修路开矿等人类活动的影响,入河泥沙明显增加,河流泥沙主要来自洪水期。

2.2 泥沙输移量

2.2.1悬移质泥沙量计算

（1）泥沙测验及整编情况

新建水库流域内有一水文站（称“BG”水文站）,该水文站有较长系列的水文泥沙实测资料,据1955年~2002年水文站实测资料统计,多年平均悬移质输沙率22.2 kg/s,多年平均悬移质输沙量70.1万t,多年平均悬移质含沙量1.12 kg/m3,多年平均侵蚀模数102 t/km2。由于泥沙主要来源于降雨对地表的冲刷,而降雨多发生于汛期,因此河道来沙量年内分布很不均匀,主要集中于汛期,6月~9月悬移质输沙量67.4万t,占年输沙量的96.1%［2］,平均含沙量1.66 kg/m3,其中7月~8月输沙量58.0万t,占年输沙量的82.7%,平均含沙量2.52 kg/m3。

根据《多年平均侵蚀模数图》分析可知,坝址处多年平均侵蚀模数在100 t/km2~200 t/km2,本文水库输沙量计算采用100 t/km2,故中坝址处多年平均悬移质输沙量33.0万t,其年内分配过程采用冰沟水文站实测的多年平均分配过程。

（3）水库枢纽工程坝址悬沙级配分析

该新建水库所在流域内“BG”水文站无悬移质颗粒级配资料,与其相近相同特征的只有附近水文站有悬移质颗粒级配资料,该水文站实测悬移质泥沙颗粒较粗,d50=0.041 mm,平均粒径d=0.101mm,小于分界粒径0.015 mm的泥沙沙量仅占28%,实测河床质泥沙颗粒级配D50=54 mm。

2.2.2推移质

流域内“BG”水文站仅有17个月的零星推移质泥沙测验资料,且由于测验仪器性能较差,资料精度较低,据1965年实测资料分析年推移质输沙量为3.01万t,占该年悬移质输沙量的23.2%。

新建水库所在流域汛期暴雨洪水集中,侵蚀强烈,非汛期由于降水少、流量小的关系,输沙量很小,因此推移质的输沙主要在6月~9月,推移质输沙量按6月~9月悬移质所占比例分配到各月,基于安全考虑,取推悬比为0.25,坝址推移质输沙量为8.25万t,各月份悬移质输沙量和推移质输沙量之和为总输沙量,坝址处的多年平均年总输沙量为41.3万t,坝址处月输沙量成果见表1。

表1 坝址处泥沙计算成果表 单位：万t

3 水库泥沙及回水分析

3.1 水库泥沙冲淤分析

水库泥沙淤积计算采用平衡比降法对50 年库内淤积沙量摆放,计算断面采用万分之一地形图人工切割横断面资料。新建水库河段属河谷与峡谷连接型河段,河宽变化较大,切割有15 个横剖面,库尾横15距离坝址为8.923 km,各断面关系见表2。

表2 新建水库坝址库区各断面情况表

（1）泥沙淤积形态

采用如下判别式,分析淤积形态：

式中： 为淤积形态判别参数,如 ＜0.3,为锥体淤积, ＞0.3,为三角洲淤积［3］；V为水库总库容,为0.8922 亿m3；W为总入库水量,水库坝址处多年平均总水量为3.63 亿m3。

经计算, =V/W=0.25, ＜0.3,为锥体淤积,从以上判别公式的结果看出,新建水库坝址的淤积形态为锥体淤积。

（2）平衡比降

采用具有实测资料的寺沟峡河段进行类比,这一河段的原始河床比降J0为3.4‰,建库后平衡比降J为1.1‰,J/J0=0.32,新建水库库区中坝址的原始河床比降为8.4‰,求得平衡比降为2.7‰。

（3）造床流量

造床流量的计算方法很多,本次只按2年一遇洪峰流量一种方法计算［4］,经计算2年一遇洪峰流量为64 m3/s。

（4）稳定河宽及稳定水深

根据阿尔图宁等有关公式计算稳定河宽Bm=31.4 m（A取1.1）,平均水深1.35 m,稳定过水面积42 m2。

（5）水库泥沙淤积计算结果

该新建水库多年平均入库悬移质沙量33万t,干容重取1.3 t/m3,则悬沙量换算为25.38万m3,推移质沙量为8.25万t,干容重取1.6 t/m3,则推沙量换算为5.16万m3,全年总来沙量为30.54万m3。

该水库采用壅水排沙运行方式,汛期基本为蓄洪运用。由于水库流域内各水文站无泥沙级配实测资料,参考YLX水文站实测泥沙级配资料,小于粒径0.0015 mm的泥沙占28%,新建水库汛期悬移质的排沙比暂取5%,推移质全部淤积在库内。

淤积年限按50 年计算,悬移质总淤积沙量为1205.77 万m3,推移质总淤积沙量为257.81万m3,库内总淤积沙量为1463.58万m3。经试算,50 年淤积量1464万m3的坝前淤积高程3148.4 m,淤积成果见表3,新建水库坝址淤积50 年纵剖面见图1。

图1 拟建水库坝址淤积50年纵剖面图

表3 新建水库坝址库区淤积成果表

3.2 水库回水计算

（1）洪水频率按《水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范》（SL 290-2015）中的有关规定［5］,分别计算汛期5年和20 年洪水的水库回水。土地淹没为5 年一遇洪水（P=20%）,农村居民点、电话线、输电线等为20 年一遇（P=5%）洪水,库区周边正常淹没按照多年平均流量计算。经计算,本水库5 年一遇洪水（P=20%）洪峰流量133 m3/s,20 年一遇（P=5%）洪水洪峰流量380 m3/s,多年平均流量为11.51 m3/s。

（2）库区各断面处综合糙率根据实际调查成果,坝前（前10 个断面）采用0.030,库尾（后5个断面）采用0.035。

（3）回水计算在淤积30年床面上进行,30年库内淤积总量878 万m3,坝前淤积高程为3142.5 m,起算水位为正常蓄水位3187.2 m,拟建水库坝址回水成果见表4,纵剖面见图2。

表4 新建水库中坝址回水成果表

图2 新建水库中坝址回水纵剖面图

由表4可见,拟建水库5 年一遇（P=20%）和20年一遇（P=5%）洪水尖灭点都位于库尾横14断面,距离坝址8622 m处。横14处于库尾部分,两个标准洪水洪峰流量对应的河床宽度约为105 m左右,洪水流速为2.9 m3/s,佛汝德数为0.87,属恒定缓流状态。两个标准洪水的回水高程分别为3191.22 m（P=20%）和3192.24 m（P=5%）,分别高于所在断面河底高程1.22 m和2.24 m。多年平均流量11.51 m3/s的尖灭点也位于库尾横14 断面,距离坝址8622 m处,回水高程为3190.6 m,高于所在断面河底高程0.6 m。

通过分析,水库淤积和回水相互作用,水库泥沙入河到一定高程导致库水位上升回水,进而使水库进一步淤积。

4 结论及建议

本文经过研究分析,新建中型水库枢纽工程坝址的库沙比为210,相对库大沙小,对本水库枢纽引水防沙等方面极为有利,在水库的运行方式主要考虑下游灌溉用水,库区淹没损失在正常蓄水位3187.2 m左右不会有较大变化,当水库运行超过10 年后,库内泥沙淤积量会少量侵占兴利调节库容,这时当入库洪水大于P=20%五年一遇洪水流量133 m3/s时,降低库水位至死水位3155.0 m,集中冲沙2 天,降低坝前槽库容淤积高程,减少库内淤积沙量,对保持兴利库容、增加水库使用寿命较为有利。具体调度运行方式应在水库投入运行后,加强库区泥沙监测,不断探索完善其运行方式。