巴家咀水库淤积特征分析研究

罗永海

（甘肃省水利水电勘察设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730000）

1 概况

1.1 工程概况

甘肃省巴家咀水库地处陇东黄土高原,位于泾河支流蒲河中下游,水库于1958 年9 月开建,1962 年7 月竣工,坝高58 m,库容2.57 亿m3,为黄土均质坝。2006 年～2010 年实施除险加固,增建一座2 孔开敞式溢洪道,坝顶加高1.87 m,现状坝高75.6 m,顶长539 m,顶宽6 m,总库容5.40 亿m3,属大（2）型水库。由于水库淤积问题,目前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,设计防洪库容1.304 亿m3,二者相差仅620 万m3。

1.2 地质概况

工程区为黄土高原残塬沟壑区,沟谷发育,植被稀少,土质疏松,水土流失严重。由于水库的拦泥沙作用,河床逐年抬高,坝前淤泥厚度达60 m,白垩系基岩面已被泥沙覆盖。河谷形态表现为“U”型,两岸不对称。

蒲河河宽250 m～300 m,河床深切入基岩,平均坡降2.5‰,河底与塬顶高差约200 m,局部段基岩出露,大部分为第四纪覆盖层及新近系棕红色泥岩。上覆土层厚约110 m。库区为泥沙掩盖,现库区地面高程1102 m～1112 m,泥沙厚52 m～62 m。库区周边黄土边坡平均坡度35°～45°,基岩坡度80°左右。

蒲河两岸形成了连续的Ⅰ～Ⅴ级阶地。水库建成后,由于库内淤积,河床逐年抬高,库区内的Ⅰ、Ⅱ级阶地已被泥沙掩埋。因黄土高原植被稀少、人类活动频繁、暴雨的冲刷与切割,阶地面往往残缺不全,成断续分布。工程区基岩为陆相沉积的白垩系砂页岩,上覆少量新近系砂砾岩和棕红色泥岩,第四系黄土广泛分布。

陇东黄土高原地形破碎,沟壑发育,黄土含沙、粉粒量较大,间歇性暴雨形成面流迅速汇入主沟道。主沟道黄土滑坡、崩塌极发育,短时汇入大量的含泥沙水加速滑坡、崩塌发育,形成泥流或泥石流,最终汇入蒲河,形成高泥沙的水流,于库区逐年淤积。

2 水沙特征分析

2.1 水沙量年际年内分配不均

根据历年观测数据分析,上游来水、来沙分布极不均匀,最大来水量为27875 万m3,最小来水量为3142 万m3,最大来沙量为10395 万t,最小来沙量为145 万t。

入库水量及来沙分布不均匀,基本上随降雨一致,来沙、来水多集中在雨季7 月、8 月份,特别是暴雨期来沙更加集中于来水。据1951 年～2018 年统计,7 月、8 月水量4947 万m3,占全年水量的45.9%,沙量1698 万t,占全年沙量的79.8%；7 月、8 月、9 月份来水量约占全年来水量的55%,约为5914 万m3,来沙量1834 万t,占全年沙量的86.2%；10 月～6 月水量4861 万m3,沙量294 万t。

2.2 含沙量高

河水为高含沙量河流,受地质条件影响,暴雨后黄土塬、丘陵沟壑区迅速形成面流,顺坡槽、冲沟迅速下泄到黄土沟道中,最终汇入主河流中。黄土地区地形破碎,汇水面积大,同期、同一地点汇入大范围含泥沙的水流,根据水文站1951 年～2018 年监测数据,蒲河上含沙量为197 kg/m3,主汛期含沙量为310 kg/m3。

2.3 沙峰猛涨猛落、来沙集中

受区域地形地貌及气候条件控制,无论雨水的大小皆形成高含沙量水流入库,水库基流为沟道侧壁溢出泉水,水量较小。蒲河流域降雨后即形成沙峰,该沙峰随之降雨的停止亦停止,因该区域降雨多为暴雨,降雨量大且集中。流域内小暴雨也能携泥沙入库。因此实测泥沙时小流量常常会携带几百公斤的泥沙,这是由该地区降雨特征及黄土特性共同决定的。

据图1 水库洪水过程线分析该流域内洪水多为猛涨猛落型,洪峰历时一般不会超过20 h,短则2 h 或3 h。全年入库沙量多也集中在几次暴雨洪峰期,据1956 年～1996 年统计资料来看,洪水累计来水量为18.55 亿m3,占总来水量的34.2%,来沙量9.66 亿t,占总来沙量的78.3%。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%。

图1 水库1980 年入库洪水过程线

2.4 悬移质泥沙颗粒级配及入库推移质输沙量甚少

来沙悬移质泥沙颗粒较细,按1977 年～1991 年统计资料,各年d50多在0.016 mm～0.026 mm 之间,平均为0.022 mm。多为细砂及粉粒,符合该区域黄土颗粒特征。

据泥沙分类表,粒径2 mm～20 mm 属于砾石,按2004 年蒲河库区淤积物坑测资料分析,在库区末端的淤积物中仅有少量的砾石推移质,个别取样淤积物级配中粒径大于2 mm的占2%,少数取样点淤积物级配中粒径大于2 mm,仅占0.1%～0.2%,多数取样点淤积物级配中粒径都小于2 mm。姚新庄悬移质泥沙颗粒级配测验资料中最大粒径为5 mm,如1984 年年平均大于5 mm 的泥沙占0.1%。由于砾石推移质来量极少来沙中推移质极少,可忽略不计。

3 水库淤积形态

根据工程区土的部位及时代、成因的不同,将土划分为一般沉积黄土和新近沉积黄土。坝体附近黄土结构较为复杂。按沉积成因和时间分为8 小层,其中3 层库区淤土（上、中、下淤土）,5 层人工堆积（初建坝体、一期加高土体、二期加高土体、贴坡土体和上层盖重土体）。

（1）水库淤积纵剖面

库区自然河道河床纵剖面平均坡降为千分之22.6,淤积物平行淤积堆高,淤积物呈锥形。图2、图3 是水库运用以来河槽纵剖面形态变化情况。

图2 水库干流淤积纵剖面图

图3 水库支流黑河淤积纵剖面图

图4 蒲河淤积断面1（距坝3.69 km）

图5 蒲河淤积断面2（距坝6.13 km）

从库区淤积剖面及原始地形剖面对比可以看出,水库淤积是平行向上抬升的。因水库运行方式的变化,局部段淤积剖面略有变化。库区淤积平衡坡降为万分之2.6,冲刷平衡坡降为万分之4.7。

因水库未进行排沙运用,造成水库坝前段大量淤积,河床纵比降减小为万分之2.0,现状河床深泓点较2004 年除险加固工程初步设计提出的设计纵剖面高3 m～6 m；水库淤积面逐年抬升,致使淤积末端向上游延伸,现状淤积末端距坝址约28 km。随着淤积面的抬升,水库淤积末端将继续向上游延伸。蒲河支流黑河汇入口位于坝址上游,淤积形态与主河道相同,该河道淤积平衡坡降为万分之2.35,淤积剖面变化同蒲河,现状河床深泓点较2004 年除险加固工程初步设计提出的设计纵剖面高4 m～5 m。

（2）水库淤积横断面

由图6～图7 蒲河、黑河断面套绘可以看出,蒲河、黑河滩地、主槽均是平行淤高,滩地宽阔且近似为水平淤积,主要淤积萎缩严重。自库尾至坝前,宽度由窄而宽变化。

图6 蒲河淤积断面3（距坝16.62 km）

图7 蒲河淤积断面4（距坝13.95 km）

校核洪水位1125.94 m 以下剩余库容1.37 亿m3,略大于设计防洪库容1.304 亿m3；正常蓄水位1115 m 以下剩余库容539 万m3,占设计调节库容（2030 万m3）的26.6%,汛限水位1111 m以下库容仅剩64万m3。巴家咀水库不同时期库容见图8。

图8 水库库容曲线

4 结论

通过收集巴家咀水库历次清淤资料,总结出黄土地区水库淤积特点如下：

（1）水库1962 年7 月建成,2006 年～2010 年实施除险加固,坝顶加高1.87 m,现状坝高75.6 m,坝顶高程1126.30 m,坝顶长539 m,顶宽6 m,总库容5.40 亿m3,属大（2）型水库。受黄土特殊工程地质特性及流域内降雨特征,水库淤积问题已经相当严重,亟待解决库区淤积问题。

（2）水库淤积问题是黄土水库存在较为突出的问题,其河流水沙特征及淤积特点为洪水猛涨猛落、峰高量小历时短、来沙集中。另外,随着库水位的消落,水库区黄土坍岸造成的淤积也相当严重。

（3）对于水库淤积问题,在水库勘察阶段采用以工程地质测绘为主,辅助勘探试验,通过查明建库河道河流水沙及洪水等特征,预判库区黄土坍岸淤积及上游泥流沟道淤积情况,综合研判水库建成后会出现的淤积情况,并建议设计采取必要的排沙措施。