巴家嘴水库泥沙淤积现状分析及清淤措施

曹 强

(庆阳市巴家嘴水库管理所，甘肃 庆阳 745000)

0 前 言

巴家嘴水库自建库至今，经过59 a的运行，库区滩面淤积固结十分严重，已形成“死滩”，在水流作用下泥沙颗粒不易起动，仅通过蓄水运用、滞洪排沙、蓄清排浑、降水冲刷等措施难以实现清淤目的。随着水库淤积库区河床继续抬高，淤积末端将继续上延，由于泥沙淤积影响，很可能导致枢纽进水口淤堵、闸门启闭困难等问题出现。此外，坝前淤积将增加作用于水工建筑物上的泥沙压力，影响坝体的抗滑稳定，同时使进入泄水孔口中水流含沙量增加，而加剧对过水建筑物的磨损，影响建筑物和设备的效率和寿命。因此，巴家嘴水库选择合适的工程措施进行水库清淤非常重要。本文在详细分析水库淤积现状的基础上，对水库淤积成因进行分析，并在分析泥沙淤积物起动条件的基础上，提出水库清淤措施，为水库清淤提供借鉴。

1 工程概况

巴家嘴水库位于泾河一级支流蒲河中段，镇原、西峰交界处，地处黄土高原地区，坝址以上集雨面积3 478 km2，总库容5.4亿m3，是一座集防洪、供水、灌溉及发电于一体的Ⅱ等大(2)型水库，为庆阳市城市供水主要水源地，距庆阳市区19 km。工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。所处区域地震基本烈度为Ⅶ度，工程抗震设防烈度为Ⅷ度。水库现状防洪标准为100年一遇洪水设计，设计洪水位1 120.95 m；2000年一遇洪水校核，校核洪水位1 125.94 m。正常蓄水位1 115.00 m，防洪限制水位为1 111.00 m，死水位1 095.00 m。1958年9月动工修建，1962年7月基本建成，后经3次加高达到现状规模。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水洞、泄洪洞、增建泄洪洞组成。大坝为黄土均质坝，现状最大坝高75.6 m，坝顶高程1 126.30 m，坝顶长539 m，宽6 m。

2 水库淤积现状及成因分析

2.1 巴家嘴水库淤积现状

根据水利部批复的《巴家嘴水库除险加固工程初步设计报告》[1]，除险加固工程完成后，水库正常蓄水位确定为1 115.00 m，设计运行至2038年水库总淤积量为39 622万m3，相应有效总库容13 780万m3，正常蓄水位1 115.00m以下库容2 030万m3，汛限水位1 111.00 m以下库容635万m3。根据2019年10月库容测验成果，水库有效总库容13 728万m3，正常蓄水位1 115.00 m以下有效库容539万m3。水库运行59 a已经达到设计淤积量，总库容也与设计总库容相差无几。由于水库快速淤积，目前调节库容仅相当于设计调节库容的26.5%，防洪库容仅剩余1.366亿m3，与设计的防洪库容1.304亿m3相比仅相差620万m3。巴家嘴水库水位～库容对照表和曲线分别见表1和图1，淤积现状见图2。

表1 巴家嘴水库历次水位～库容对照

巴家嘴水库天然河道河床纵剖面平均比降为22.60%。水库纵剖面淤积形态为锥体淤积形态，且平行淤高[2]。水库运行以来河床深泓点纵剖面和滩地纵剖面在水库运用的过程中从整体上看基本上是平行淤积抬高。但在水库蓄水运用、滞洪排沙、蓄清排浑、降水冲刷的不同运用方式下，河床纵剖面亦有局部不同的变化。冲淤平衡比降约为2.60%，冲刷平衡比降约为4.70 %；库区滩比降较均匀；滩槽淤积平衡比降约为2.60%，黑河淤积比降较小，冲刷比降较大；黑河淤积平衡比降约为2.35%。由于水库滩、槽不断淤积抬高，使水库淤积末端不断向上游延伸，现状蒲河淤积末端距坝约28 km，今后随着水库淤积库区河床继续抬高，淤积末端将继续上延。黑河为蒲河的最大支流，与蒲河汇合于距坝8.4 km左右处，淤积纵剖面变化过程与蒲河基本一致，现状水库淤积末端距坝约27 km。

巴家嘴水库原设计校核洪水位1 125.94 m高程以下总库容为5.11亿m3。1997年10月1 125.94 m高程以下相应库容为1.98亿m3，库容损失3.13亿m3，淤损率61.3%；2004年1 125.94 m高程以下相应库容为1.85亿m3，库容损失了3.26亿m3，淤损率63.7%；2008年9月1 125.94 m高程以下相应库容为1.74亿m3，库容损失了3.37亿m3，淤损率66%；2019年11月1 125.94 m高程以下相应库容为1.37亿m3，库容损失了3.74亿m3，淤损率73%，总库容变化见图3，从图中可以看出该水库泥沙淤积量巨大且淤积速度快。

2.2 巴家嘴水库泥沙淤积成因分析

巴家嘴水库位于黄土高原上，每逢暴雨水沙俱下形成高含沙洪水。因黄土高原黄土组成较细，使高浓度浑水具有宾汉流体特征甚至形成伪一相流[3]。长期的干旱使表层黄土严重风化，表层黄土非常疏松，无论暴雨大小，是否形成入库洪水，在每年的3—10月份都会形成高含沙入库水流。巴家嘴水库入库基流为上游两岸岸壁渗出的泉水，仅1个流量左右，当有降雨时，即形成沙峰，由于该地区降雨皆为暴雨，因此呈现出含沙量猛涨猛落、来沙集中的特性[4]。

由于巴家嘴水库流域内小暴雨也能形成高含沙水流入库，因此，在实测水沙过程中，常常会看到几个流量挟带几百公斤含沙量的现象，洪水猛涨猛落、峰高量小历时短、来沙集中。由于巴家嘴水库流域地形和暴雨特性，使入库洪水过程呈猛涨猛落类型，洪峰历时一般不超过20 h，短则2～3 h。全年入库沙量中，几次暴雨洪水造成的沙量占很大比例，按流量大于50 m3/s为洪水期计，以1956—1996年资料统计，洪水期累积来水量18.55亿m3，占总来水量的35.2%，来沙量9.66亿t，占总来沙量的79.3%。非洪水期累计来水量35.64亿m3，占总来水量的65.8%，来沙量2.67亿t，占总来沙量的21.7%。此外，近年来为了保证庆阳城市供水，水库未能按批复的“主汛期敞泄排沙”方式调度运用，在主汛期仍蓄水运用，加重了水库淤积。

3 巴家嘴水库清淤措施

巴家嘴水库泄洪洞、输水洞、增建泄洪洞均布置在坝区的左岸。随着水库的运行，在左岸已形成了明显的冲刷漏斗，右岸形成了淤积，且库区滩面淤积固结十分严重，已形成“死滩”，为了清除库区历史形成的“死滩”淤积，可采取“高渠泄水冲刷”等有效措施进行清淤排沙，进一步扩大水库兴利库容，减少水库淤积，提高水库综合利用效益，并延长水库使用寿命。

3.1 水库减淤措施可行性分析

根据该水库的淤积现状和工程条件，可采用的减淤措施包括水力清淤、机械清淤、基流排沙清淤等，下面对上述措施进行可行性分析。

(1) 水力清淤

水力清淤是一种采用高压水枪喷出高速水流，将土体切割、粉碎，使之湿化、崩解，形成泥浆和泥块的混合液，再由泥浆泵及其输泥管输送到指定位置堆填，以达到对散粒、淤泥等土体进行挖掘、运输、堆填目的施工工艺方法[5]。考虑到巴家嘴水库黄土胶泥对年淤积固结程度高，高压水枪距离工作面较远，可能会出现高压水枪的水柱在到达冲挖面时动力不足的情况，所以该方法不可行。

(2) 机械清淤

机械清淤是指利用机械设备挖除淤积泥沙，进行水库清淤的措施。首先抓斗、吸头、绞刀、靶头等挖取或吸取淤泥，再利用车辆、泥驳、输泥管等设备运输，该方法成本高、见效慢，且由于库区两岸表层为新的淤积面，施工机械进入该区域作业危险系数较高，同时还存在机械清淤工程造价高，泥沙可能快速回淤等缺陷，因此，机械清淤方法不宜作为巴家嘴水库的主要清淤措施。

(3) 基流排沙清淤

基流排沙清淤是指放空水库后保持泄水闸门开启，依靠河道中低含沙量的正常水流冲刷主槽，使主槽侧壁的淤泥滑塌排出，进行水库清淤的方法。该方法为巴家嘴水库目前采取的主要清淤方法，2020年和2021年，利用汛期6—8月3个月的时间，进行空库迎洪，利用基流冲刷主槽进行排沙清淤。根据2021年汛末保守测算，巴家嘴水库已增加有效库容200万m3，但由于巴家嘴水库近些年上游来水偏少，根据实际经验测算每1 m3泥沙需要5～7.5 m3水量。该方法虽然可以减少一定的库区淤积，但受到上游来水量影响较大，且巴家嘴水库为庆阳市主城区的唯一水源，在上游来水偏少的情况下，有限的水量只能用于保障庆阳城区供水，使该方法具有一定的局限性。

从可行性分析结果看，上述几种清淤方法均存在一定的局限性。据此，本文提出基流排沙清淤与高渠泄水冲刷清淤相结合的清淤方法，下文在分析巴家嘴水库泥沙淤积物的起动条件的基础上对该清淤方法进行详细分析。

3.2 巴家嘴水库泥沙淤积物的起动条件

1983年10月巴家嘴水库泥沙干容重及颗分成果见表2，从表中可以看出，巴家嘴水库库区淤积物泥沙的中值粒径变化范围为0.025～0.052 mm，其中上游床沙粒径大于下游粒径。泥沙的干容重变化范围为1.01～1.7 t/m3，上游干容重小，下游干容重大。

表2 巴家嘴水库1983年10月库区干容重及颗分成果

床沙起动流速受重力黏结力的影响，颗粒越粗，重力影响越大[6]；颗粒越细，黏结力影响越大，起动流速也越大。计算起动流速公式较多，其结果也不尽相同。考虑到巴家嘴水库泥沙的特征，采用张瑞瑾公式[7]计算库区泥沙起动条件。

(1)

公式(1)中:D为床沙粒径，mm;h为水深，m;γs泥沙容重，t/m3；γ水的容重，kg·m-3。

表3～6为计算得到的不同粒径泥沙起动流速随水深变化情况。计算结果表明，水深越小泥沙的起动流速越小，泥沙颗粒越大起动流速越小。由于库区淤积的泥沙颗粒小于0.1 mm，根据希尔兹曲线可知，泥沙颗粒小于该粒径时，泥沙起动流速随粒径增大而减小，与计算结果的变化规律一致。

表3 泥沙粒径0.025 mm的起动流速

表4 泥沙粒径0.035 mm的起动流速

表5 泥沙粒径0.045 mm的起动流速

表6 泥沙粒径0.052 mm的起动流速

3.3 水库清淤措施建议

基于上述清淤措施可行性以及泥沙起动条件分析结果，针对巴家嘴水库上游来水量有限、城市供水需求大的工程特性，本文建议采用基流排沙与高渠泄水冲刷相结合的清淤方式，用较低的清淤成本、在有限的上游来水量条件下，实现水库清淤、恢复有效库容的目标。

高渠泄水冲刷的思想是在右侧的滩面上疏浚开挖深槽，在深槽与库区的主槽间开挖浅槽，通过工程措施，将一部分水流引入右侧的深槽中，当深槽的水位上升到一定程度，深槽中的水流将通过浅槽流向主槽，利用高滩深槽形态造成的比降在水力冲刷与重力侵蚀的作用下，对库区堆积物进行破离与输移形成冲刷，最终达到冲刷高滩泥沙至主槽的效果[7]。图4为高渠泄水冲刷示意图。

由于巴家嘴水库库尾不宜修建拦水坝，非汛期水流难以从主槽进入高滩。因此，考虑在水库上游库尾附近断面设置虹吸管道，通过虹吸的方式将主槽中的水体引入到高滩上。虹吸管的正常工作需要满足出口处的水头低于进口处的水头，设计时需满足上下水头差的条件。虹吸管道流量采用淹没出流计算:

(2)

(3)

公式(2)～(3)中:μ为虹吸管流量系数，对于钢筋混凝土管可取0.027；l为虹吸管道长度,m；d为管径,mm;ξ为局部水头损失,m。

虹吸管的流速：

v=Q/A

(4)

虹吸管的最大安装高度：

(5)

公式(5)中:p2为虹吸管顶端的压强,Pa。

挖槽底端最上游处的高程应低于虹吸管取水口处的水位。高滩上挖槽底面应保持一定的坡降，直到水库坝区，使虹吸管口的出流能运行到坝前。坝前的挖槽与水库的深槽相连，由于滩面和深槽间的高差较大，使坝前挖槽内的水流速度增大，可将滩面的泥沙带入到深槽，并在汛期由泄洪洞和增建泄洪洞排出。

4 结 论

(1) 水库淤积成因主要包括两方面：一是库区周围黄土高原疏松的细颗粒黄土经暴雨冲刷形成高含沙洪水入库;二是为保证庆阳城市供水，水库未能按批复的“主汛期敞泄排沙”方式调度运用。

(2) 经过对清淤措施可行性的讨论，分析水库泥沙的起动条件，采用基流排沙与高渠泄水冲刷相结合的清淤措施，在满足庆阳市供水需求的条件下，综合运用工程措施和少量上游来水，实现以较低的清淤成本，达到缓解淤积问题、恢复有效库容、延长使用寿命的目的。

巴家嘴水库作为庆阳市城区目前的主供水源，水库从1960年2月运用至2019年10月，水库累计淤积已达4.11亿m3，年均淤积685万m3。泥沙淤积量巨大且淤积速度快，导致该水库已不能满足调蓄要求。按照庆阳市政府的整体规划巴家嘴水库在2025年较现状年增加供水量479万m3，远期2030年恢复调节库容至2 000万m3，较现状年增供水量1 048万m3，因此，在利用好有限的上游来水量，通过基流排沙与高渠泄水冲刷相结合的清淤措施进行高效清淤，实现水库清淤扩容的目标，缓解水库严重的淤积问题，延长水库使用寿命，使巴家嘴水库更好地为庆阳人民造福。