官山水库泥沙设计及减淤问题的探讨

杨 超

（贵州新中水工程有限公司,贵州 兴义 562400）

1 工程概况

官山水库位于贵州省安龙县龙山镇丫科村境内,大坝建在丫科小河上,工程枢纽距离丫科村1km,距离龙山镇约10 km,距离安龙县城约35 km。水库所在的丫科小河属珠江流域北盘江的二级支流,大田河的一级支流。丫科小河发源于龙山镇巧岭村后山的纳磨附近,河源高程1456.5 m,河流总体为西北至东南流向,流经巧岭、丫科、拉坡等村,在拉坡村海子处进入落水洞后汇入大田河,落水洞海拔高程为1005 m。丫科小河伏流口以上流域33.5 km2,主河道长11.5 km,主河道平均比降为26.3‰。官山水库坝址以上集水面积为13.1 km2,主河道长6.7 km,主河道加权平均比降8.9‰。水库所在流域参数特征值见表1。

表1 流域参数特征值表

官山水库的主要工程任务为解决安龙县龙山镇、笃山镇总人口18810 人（其中集镇人口8878 人,农村人口9932 人）的饮水问题和9308 亩（其中水田7685 亩,旱地1623 亩）灌溉用水问题。大坝坝型为C15 自密实混凝土堆石重力坝,坝顶高程1213.2 m,最大坝高24.6 m,坝顶宽度5.0 m,水库总库容446.0 万m3,水库正常蓄水位1211.5 m,正常蓄水位对应库容350.8 万m3,死水位1203.5 m,死库容37.8 万m3,兴利库容313 万m3,设计年供水量443.1 万m3。

2 设计入库泥沙

2.1 入库水沙特征

官山水库泥沙主要来源于暴雨对坡面的侵蚀,以及洪水对河床的冲刷。丫科小河属典型的山区雨源性河流,洪水均由暴雨产生,具有陡涨陡落,峰量集中、涨峰历时短等山区性河流的特点。暴雨天气主要出现在5 月～9 月,也有少数年份出现在10 月。由于流域面积小,河床比降大,洪水汇流时间短,一般从洪水发生至洪峰形成只有2～3 小时,且洪水陡涨陡落。

丫科小河流域无河流泥沙资料。水库所在的流域内开垦度一般,流域内地势较陡,但坡面农垦度一般,水土流失一般。由于无泥沙资料,其河流泥沙情况参照《贵州省悬移质多年平均年侵蚀模数分区图》进行分析与计算。从图中可以看出,设计流域年输沙模数在G=200 t/km2～500 t/km2之间；从对工程位置及流域的现场查勘情况看,河流悬移质不算严重,河道堆积物主要是推移质。结合同类工程综合分析,取悬移质输沙模数为350 t/km2,推移质按悬移质的20%取值。通过计算,官山水库坝址多年平均年输沙量0.5502 万t,其中悬移质0.4585 万t,推移质0.0917 万t,泥沙容重取1.3 t/m3,多年平均含沙量0.57 kg/m3。

2.2 水库泥沙淤积形态及淤积量

2.2.1 官山水库纵向淤积形态分析判别

水库淤积形态跟入库水沙条件、水库地形及坝前水位变化等因素有关,水库的纵向淤积形态有三角洲淤积、带状淤积和椎体淤积三种基本形态。根据官山水库的实际情况,采用清华大学水利系及西北水利科学研究院的判别系数法公式进行淤积形态判别,判别公式为：

式中：V 为时段平均库容,m3,设计时采用正常蓄水位以下库容；WS为时段平均入库沙量,m3,设计时以50年入库沙量计；J0为原河道比降,以万分率计。

当α′ ＜2.2 为锥体淤积；当α′ ＞2.2 为三角洲淤积或带状淤积。

官山水库V=350.8 万m3,WS=20.5 万m3,J0=8.9‰,经计算α′ =0.19＜2.2,则判别官山水库理论的泥沙淤积形态为椎体淤积,因此在规划设计时泥沙按椎体淤积形态分布进行计算。

2.2.2 泥沙淤积量计算

根据泥沙分析与计算成果,泥沙容重取1.3t/m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）,官山水库为Ⅳ等小（1）型水库,根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654-2014）,官山水库合理使用年限为50年,因此,本次设计泥沙淤积按50年计算,采用多年平均排沙比法确定水库泥沙淤积量,其计算公式如下：

式中：V沙为水库泥沙T年淤积库容,万m3；1-η 为水库拦沙率,1-η=0.98；G 为多年平均输沙模数,t/km2；F 为集水面积,km2；T 为泥沙淤积年限,年；γs为泥沙容重,t/m3；Ψ 为推悬比,取0.2。

根据水库径流成果资料,结合《泥沙设计手册》[4]中“拦沙率”经验关系曲线图进行泥沙淤积计算。通过计算水库运行50年的水平淤积高程为1202.18 m,坝前淤积高程为1199.79 m[1]。官山水库各运行年限泥沙淤积计算成果见表2。

表2 官山水库各运行年限泥沙淤积计算成果表

3 水库运行管理中的减淤措施

3.1 水库泥沙淤积的危害

水库内的泥沙淤积问题一直都是水库建设及运行管理中的难题。水库的修建势必会对天然河流的水力、泥沙条件与河床边界的相对平衡造成一定破坏,使河流的水沙条件与河床形态重新调整形成新的相对平衡。水库下闸蓄水后库水位上升,流速降低,水流的挟沙能力显著下降,泥沙淤积在库区内,同时坝下游河段将进行再造床调整[1]。因此水库泥沙淤积问题的处理将会影响水库的有效库容、使用寿命及兴利调节,从而影响水库的经济效益。

3.2 水库的减淤措施

水库汇水区内的来沙量与库区内的泥沙淤积量成正比,汇水区内的来沙量越多,库内的泥沙淤积就越多。水库蓄水后泥沙淤积问题是必须要考虑的问题,国内外目前解决泥沙淤积的主要措施有：上游拦截、异重流排沙、滞洪排沙、基流排沙、机械清淤等措施[2]。官山水库泥沙主要来源于暴雨对坡面的侵蚀,以及洪水对河床的冲刷。根据上述的减淤措施结合官山水库的来沙特点,官山水库的减淤措施可归纳为“挡”和“排”两方面。

3.2.1 “挡”

“挡”就是通过工程措施或非工程措施把泥沙挡在库外,从而达到减缓泥沙淤积的效果。加强官山水库流域内的水土保持工作无疑是水库减淤措施的一条根本途径,但官山水库流域面积小,流域内耕地较多,水土保持工作是一项长期而艰辛的工作,应加强水库流域水土保持规划,分期分批进行治理,对水库流域内水土流失严重、侵蚀模数大的区域应优先治理。提高水库流域区内的植被覆盖率和土壤的抗蚀能力,改善水库流域内的生态环境,能有效减少进入库区的泥沙量。在治理措施上要以非工程措施和工程措施相结合,对流域内坡陡、侵蚀严重的区域要实施禁牧、禁耕及封山育林等措施；对于流域内的来沙可采用流域拦沙和河道内拦沙,其中流域拦沙就是在降低流域内水土流失的同时加强各支沟的综合防治措施,即各支沟小流域的拦、蓄、排相结合的坡面、沟渠工程的防治措施,从而减少各支沟小流域的来沙量；河道内拦沙就是在水库上游河道内修建相应的拦沙设施,降低水中含沙量,从而减少入库泥沙量,是减少水库泥沙淤积量的最直接的办法。针对官山水库可以在水库上游比降较为平缓的河段修建拦沙设施,对洪水中的推移质进行拦截,降低入库的泥沙量,从而减缓库区泥沙的淤积速度,保证水库正常的兴利调节。

3.2.2 “排”

“排”就是泥沙进入水库后通过一系列措施将其排出库外,从而达到减淤效果。根据官山水库的径流特征及来沙特性,官山水库排沙可采用异重流排沙、滞洪排沙、基流排沙及机械清淤等措施。

（1）异重流排沙

根据官山水库的实际情况,丫科小河汛期径流量占全年径流量的84.7%,枯水期径流量占全年径流量的15.3%,河流的径流量及来沙量高度集中于汛期,汛期洪水携带大量的泥沙,利用库内清水的比重小于入库洪水的比重大,使入库洪水潜入库底向前坝前移动的异重流,及时打开冲沙底孔闸门,将挟沙量高的异重流顺着冲沙底孔排出,实现蓄清排浑,减少了库内的泥沙淤积,从而达到排沙清淤的效果。

（2）滞洪排沙

由于丫科小河属典型的山区雨源性河流,洪水具有陡涨陡落,峰量集中、涨峰历时短等山区性河流的特点。可在汛期将水库的冲沙底孔闸门打开,让水库保持低水位或空库迎接洪水,当入库洪水流量大于出库流量时便会在库内形成滞洪壅水,入库洪水的流速在库内突然降低时,部分粗颗粒的泥沙便会沉积在库内,细小颗粒的泥沙便会随水流从冲沙底孔排出。汛期受洪水冲刷沙量集中,此时利用滞洪排沙能有较好的排沙效果。

（3）基流排沙

官山水库多年平均径流量为0.255 m3/s,径流量较大,可将水库放空后,冲沙底孔闸门继续保持打开状态,让含沙量不饱和的径流冲刷主河槽,带走淤积在主河槽内的部分泥沙,以达到清淤的效果。

（4）机械清淤

官山水库属于小（1）型水库,可采用挖泥船和吸泥泵等清淤装置将水库中的淤沙直接挖除排出,以达到减淤的目的。

以上的各种排沙措施均可根据官山水库今后的运用管理方式具体选用,因为水库排沙是靠水流本身的输沙能力辅以排沙设施来实现的,而水流的输沙能力与水库的水流条件有关,水流条件显然受水库运行方式的影响[3]。

4 结论

水库建设及运行管理中的泥沙淤积问题是一项需要长期进行研究解决的技术问题,水库泥沙淤积关系到水库的使用寿命、经济效益的发挥及安全运行。官山水库在以后的运行管理中应根据水库的主要工程任务、洪水及携沙特性、库内冲淤规律及库区地形特征等因素因地制宜、因时制宜的合理选择清淤方式,才能处理好库内泥沙淤积问题,充分发挥水库的经济效益。