关于新疆奴尔水库实体模型的非工程措施冲淤效果分析研究

◎肖俊 张桂林 郭华 姚鹏亮 郑忠 新疆水利水电勘测设计研究院

水是生命之源，随着社会经济的发展、人口的增加，人们逐渐加大对水资源的利用，然而在世界各国水资源存在时空分配不平衡，而水库具有发电、供水、防洪、灌溉等功能。因此二战过后，世界各国开始加大水库的建立，但是针对在库岸再造过程中的集中塌岸引起的淤积导致水库产生安全隐患问题始终存在，如何解决塌岸导致水库运行安全隐患问题是当代学者研究的主要课题之一。

当河道、库岸发生崩塌后，塌入河道中的岸坡土体使泥沙来量和含沙量在短时间内迅速增加，导致水库短期内出现大量的淤积，缩短水库使用寿命。舒安平等人以黄河上游沙漠宽谷、磴口、乌海河段为例，得出粘性河段的塌岸后退距离大于风沙堆积河段，局部河段短期出现凹退凸淤的动态岸线变化特点。樊克通过分析水库塌岸的研究思路、方法和发展趋势等，认为库岸岩土类型和性质以及岩土抗冲蚀能力是决定库岸岩土类型和性质以及岩土抗冲蚀能力的主要因素。张岩等人以大石峡水利枢纽为例，采用“门前清”的水库泥沙运行方式，即在冲砂洞进口形成冲刷漏斗，使发电洞进口位于冲刷漏斗范围内，从而解决发电站进口泥砂问题。蒋思奇等人利用数学模型对不同时期小浪底水库水动力-强人工措施排沙时机、强度及部位进行计算论证，高效排沙的同时改善水库泥沙淤积形态。水库塌岸问题往往会造成有效库容急剧降低，大大缩短水库使用寿命和综合效益。因此当代学者逐渐加大对水库塌岸影响以及非工程措施方式进行了冲沙运行的研究。

本次以奴尔水库为例，研究库岸再造过程中的集中塌岸引起的淤积现象，同时采用“门前清”冲沙和敞泄冲沙的非工程措施方式进行冲沙运行，分析库区地形实测数据与采用冲沙方式运行后的实际冲沙量，总结出更有效的水库冲沙方式。

1.河流特性及水库概况

奴尔河发源于昆仑山中段卡拉塔什山北坡，最高峰海拔6413m，山区平均高度3853 m。奴尔河流域位于策勒县城东南，地理坐标为东经80°45′～81°48′，北纬35°54′～36°05′。奴尔水利枢纽工程位于奴尔河中下游河段，是奴尔河上的控制性工程，是一座承担灌溉、发电综合利用任务的枢纽工程。水库总库容为0.69亿m，正常蓄水位为2497m，死水位2465m，电站总装机容量为6.2MW，多年平均年发电量为0.217亿KW·h。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高80m。工程地震设防烈度为Ⅷ度。

2.问题的引出

奴尔水利枢纽工程于2018 年8月5日开始一期蓄水，到2019年9月下旬，采用简易重锤法测量，导流兼泄洪冲沙洞泥沙淤积高程约2460.0m。2019年10月底对水库区水下及水上现状地形进行了复测，根据测量结果，目前水库因坍岸造成死库容基本上全部淤损，仅在联合进水口前形成47m×18m（长×宽），深约10m的漏斗，坝前泥沙问题提前暴露，主要是水库粉土坍岸导致。

3.库区塌岸评价

3.1 前期塌岸分析评价

奴尔水利枢纽工程水库区滑坡主要位于奴尔河河谷两岸Ⅰ～Ⅳ阶地及后缘谷之上。经调查，库区岸坡粉土分布范围及厚度较大，形成的库岸再造和增加库区的淤积危害性较大。根据粉土分布范围、位置将坍岸分为6个区（QHP1～QHP6），见库区坍岸分区图（图1）。

图1 水库坍岸示意图

通过工程区试验成果，粉土粘粒含量极少，约3～5%，为低液限粉土，根据《水利水电工程地质手册》进行库岸坍塌预报分析计算，粉土厚度采用钻孔资料及物探实测成果；浅滩冲刷后水下稳定坡角，通过本地区试验成果及相邻地区边坡稳定经验值比较，确定取12°；β为岸坡水上稳定坡角，经本地区边坡稳定坡角统计及综合考虑岩土状况，确定取27°。进行坍塌土体体积计算，水库库岸坍塌量见表1。

表1 库岸坍塌量汇总表

3.2 后期蓄水塌岸预测

奴尔水利枢纽工程于2018年8月5日进行的初期下闸蓄水，水位限制在2475.00m以下，2019年8月25日进行的二期下闸蓄水，2019年9月25日蓄至历史最高水位2488.04m，截止到2019 年11月16日库水位为2479.20m。水库蓄水过程中，库岸自然条件发生急剧变化，在库水位变化范围内的土体处于饱和状态，抗剪强度下降，加之库水对库水位附近土体的冲刷及掏蚀作用，使得土坡在重力作用下发生变形破坏，破坏形式将主要表现为土体坍塌、滑塌。根据2019年已经坍岸的水上、水下坡度统计，水下坡度6°～12°，水上坡度30°～40°。结合前期勘察资料，进一步分析预测水库蓄水至高程2497.00m（正常蓄水位）时库区坍岸情况。

根据以上分析，后期水库蓄水至高程2497.00m（正常蓄水位）时，预测后期坍岸总方量尚有852.21万m。库岸坍塌量见表2。

表2 库岸坍塌量汇总表

4.水库2019年坍岸及淤积部位分析

2019年10月底，死库容淤积量1718万m，正常蓄水位以下库容淤积量1690万m，调节库容淤积量28万m，总库容淤积量1593万m。上述淤积量含2018年和2019年河流泥沙淤积量约103万m，实际坍岸所造成的净淤积量约1490万m。

4.1 水库2019坍岸情况分析

①坝址至距坝左岸900m范围内，坍岸轻微；②距坝左岸900m至2150m范围内，坍岸范围很大，坍岸宽度在290 m 左右，最大塌方高度约接近100m；左岸支沟坍岸长度600m左右，坍岸宽度在90m左右，最大塌方高度约15m左右。③距坝左岸2200m至2950m的范围内，坍岸宽度在170m左右，塌方高度约在25m左右。④距坝左岸2950m以上的范围内，坍岸轻微。⑤坝址至距坝右岸760m范围内，坍岸宽度在240m左右，最大塌方高度约80m左右。⑥右岸其它部位坍岸长度合计1100m左右，平均坍岸宽度在70m左右，最大塌方高度约20m左右。⑦右岸支沟也发生坍岸，坍岸长度700m左右，平均坍岸宽度在110m左右，最大塌方高度约15m左右。

4.2 水库淤积情况分析

根据2019 年实测1:2000 地形图，生成数字高程DEM见图2，为反映库区坍岸后库区的地形变化情况，将初设阶段1:10000地形图生成的DEM与现状DEM相减，生成高程变化DEM，见图3。①坝址至距坝岸2000m范围内，主河道淤积厚度在20～50m，淤积宽度在280m左右。②距坝岸2000m以上的范围内，主河道淤积厚度在3～20m，淤积宽度在290 m 左右。③河床右岸台地淤积厚度在3～13m，主河道淤积厚度（包括死库容内弃渣场）在3～20m。2019年奴尔水库库区DEM和地形变化DEM见图2和3。

图2 奴尔水库2019年库区DEM

图3 奴尔水库2019年库区地形变化DEM

4.3 坍岸淤积泥沙的冲沙必要性

（1）2019年水库死库容绝大部分已经淤积，对泄流建筑物运行操作带来了不便，影响水库的防洪，降低水轮机的使用寿命，因此采取冲沙措施，恢复部分死库容，保证水库安全运行是非常有必要的。

（2）根据地质分析，后期水库蓄水至高程2497.00 m（正常蓄水位）时，预测后期坍岸总方量尚有666万m，所恢复部分库容可作为坍岸的淤沙库容，对水库尽快转入正常运用是十分必要的。

（3）根据前期勘察试验资料中坍岸岸坡土的颗分级配情况，可确定＞0.075mm的细沙为推移质，这部分泥沙难以被排出库外；其余96%的泥沙为悬移质泥沙，这部分泥沙可以随水流排出库外。小于0.005mm的粘粒含量占3～5%，这部分泥沙在长时间静止的情况下会发生胶结，难以被水流冲走，因此，为避免粘粒长时间胶结影响冲沙，尽快采取冲沙措施是十分必要的。

5.水库2020年冲沙效果分析

本次根据实测水沙、实测地形、水库的实际运行情况制定了多种非工程措施，经论证分析，最终推荐采取了“门前清”冲沙和敞泄冲沙的方式进行了冲沙运行，并在冲沙结束后对库区地形进行了测量。

5.1 “门前清”冲沙

冲沙前闸前淤积高程2462.00m左右，淤积高程高于泄洪冲沙洞顶9m，为保障冲沙洞不被淤堵，6月14日到6月22日进行了间隙性“门前清”冲沙七次。经过五次冲沙后，每次冲沙历时为10分钟左右，冲沙后发电尾水为清水。经过前四次冲刷，水库水位由2470.00m降至2468.00m，水库回水范围在300m左右，水库蓄水量接近于空库状态，上游沿程冲刷作用明显，从回水未端至上游约2km左右的河段形成约30～50m的河槽，河槽下切约5m左右。

5.2 敞泄冲沙

水库于6月29日开始按泄流能力敞泄冲沙，至8月4日结束，冲沙历时36天，每两天测一次含沙量，含沙量在280～640kg/m之间，冲沙期间下游灌区渠道淤积严重，对下游灌区灌溉造成不利影响，策勒县水利局和灌区乡镇及时采取必要措施，组织人力物力进行渠道清淤，保证了下游灌区正常引水。

5.3 水库冲沙前后库容对比分析

根据2020年实测库区地形图生成库区DEM，见图4，由2019年库区dem减去2020年DEM生成库区地形变化DEM，见图5，其中高程差值为负表示淤积，淤积量为230万m，高程差为正表示冲刷，冲刷量为1036万m，净冲刷量为806万m，冲刷范围达到了坝址上游3km处，冲刷后稳定河槽宽度为120m，最大河槽宽度210m。由于坍塌泥沙淤积分布高程为左岸高右岸低，上游高、下游低，泄空冲沙时，水流靠向右岸流向坝前后，沿坝向泄洪冲沙洞出库。奴尔水库2019年塌岸后，死水位2465.00m以下库容为28 万m，正常蓄水位2497.00m以下库容为4687万m，调节库容为4659万m。2020年冲沙运行后，死水位2465.00m以下库容为390万m，正常蓄水位2497.00m以下库容为5426万m，调节库容为5036万m。

图4 奴尔水库2020年冲沙后库区DEM

图5 奴尔水库2019-2020年库区地形变化DEM

经对比分析可知，冲沙运行共计清除水库淤积量739万m，其中死库容362万m，调节库容377万m。奴尔水库2020年冲沙后库区DEM与2019和2020年库区地形变化如图4和5。

6.结论及建议

为解决奴尔水库在库岸再造过程中的集中塌岸引起的淤积，对水库运行安全产生的隐患问题。奴尔水库建设管理局于2020年6月14日至8月14日采取了“门前清”冲沙和敞泄冲沙的方式进行了冲沙运行，并在冲沙结束后对库区地形进行了测量，冲沙量为740万m。本次推荐的水库泥沙调度运行方式在实际运行中取得了很好的效果。建议下一年的水库泥沙调度实际运行经验进一步系统研究奴尔水库调度方式，及时总结调度经验，为水库安全、正常运行提供理论依据，并形成系统化的科研成果，同时将科研成果的理论用于水库的调度运行中。