張淑秀，祁 偉

（水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

廟宮水庫(kù)位于河北省承德市，處于灤河水系伊遜河干流上，總庫(kù)容1.83億m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐。工程于1959年興建，1960年開始蓄水，控制流域面積2370km2，占伊遜河流域面積的35%。伊遜河流域地處燕山背風(fēng)區(qū)，多年平均入庫(kù)懸移質(zhì)沙量460萬(wàn)t，平均含沙量40kg/m3（與黃河陜縣站相當(dāng)）；上游為土石山區(qū)，山區(qū)面積中的65%屬陡峻的山地，水土流失非常嚴(yán)重。年輸沙模數(shù)及最大含沙量均居灤河流域各河之首，其支流不澄河邊墻山站實(shí)測(cè)最大含沙量達(dá)905kg/m3，干流圍場(chǎng)站亦高達(dá)683kg/m3。年輸沙量90%以上發(fā)生在6～9月份，次暴雨洪水輸沙量有時(shí)可達(dá)年總量的60%～70%。輸沙量年際間變化相差懸殊，廟宮水庫(kù)年入庫(kù)最大沙量1360萬(wàn)t（1959年），年入庫(kù)最小沙量61萬(wàn)t（1981年），兩者相差22.3倍。

2 泥沙淤積造成的浸沒(méi)危害

2.1 水庫(kù)泥沙淤積情況

廟宮水庫(kù)自1960年開始蓄水，1986年一直采用攔洪蓄水運(yùn)用方式，入庫(kù)泥沙的淤積率大多年份都在90%以上，使上游來(lái)沙絕大部分淤積在庫(kù)區(qū)內(nèi)。為了延緩水庫(kù)淤積的發(fā)展，1987年開始，廟宮水庫(kù)采用蓄清排渾、空庫(kù)迎汛的運(yùn)用方式。根據(jù)1991年汛前測(cè)量結(jié)果，水庫(kù)泥沙淤積量達(dá)9468萬(wàn)m3（包括庫(kù)區(qū)翹尾區(qū)域），總庫(kù)容減小了近50%，興利庫(kù)容由6800萬(wàn)m3減少到2300萬(wàn)m3。

水庫(kù)淤積形態(tài)為錐體狀，淤積厚度向下游沿程增大，到1998年最大壩前淤積深度達(dá)23m，壩前的淤積高程已達(dá)768.5m，庫(kù)區(qū)河道比降由建庫(kù)前的37.4%變緩為18%。

2.2 水庫(kù)淤積對(duì)上游村莊形成浸沒(méi)危害

隨著壩前淤積灘面的不斷抬高，淤積末端逐漸向上延伸，1979年水庫(kù)淤積量6929萬(wàn)m3，壩前淤積高程765.2m，淤積末端距大壩8.6km，未發(fā)生翹尾巴；1986年水庫(kù)淤積量9156萬(wàn)m3，壩前淤積高程767.55m，淤積末端距大壩11.5km，淤積上延系數(shù)1.3；1991年水庫(kù)淤積量9468萬(wàn)m3，壩前淤積高程768.5m，淤積末端距大壩13.7km，淤積上延系數(shù)達(dá)1.55。1998年壩前淤積高程768.6m，淤積末端仍呈上延發(fā)展趨勢(shì)。

隨著淤積末端的上延，上游河床逐年抬高，距大壩9.6km的四合永公路橋處河床淤高已達(dá)3m多，使河床由原來(lái)的地面以下淤積到現(xiàn)在與兩岸地面持平，甚至高出兩岸耕地及村基高程，形成了地上懸河。根據(jù)1991年實(shí)測(cè)資料，四合永公路橋上游1.2km處的河床已淤高2m，成為地上河。在河道淤積之前，河谷較深，兩側(cè)地表水和地下水排入河漕。河床淤高以后，河道水面線抬高，兩側(cè)地下水向河漕排泄受阻，造成地表水、地下水排泄不暢，甚至出現(xiàn)河水補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象，使兩側(cè)地下水位壅高，從而產(chǎn)生了浸沒(méi)危害，土地鹽漬化、沼澤化現(xiàn)象嚴(yán)重。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，四合永鎮(zhèn)的浸沒(méi)問(wèn)題始于1985年，當(dāng)時(shí)海岱溝門、合字村一些近河耕地發(fā)生鹽漬化，以后隨著河床逐年抬高，浸沒(méi)范圍逐年擴(kuò)大，逐年嚴(yán)重，由開始耕地發(fā)生鹽漬化，到土地沼澤化，居民房基軟化，房屋發(fā)生不均勻沉陷，墻垣斷裂甚至倒塌。1991年經(jīng)調(diào)查四合永浸沒(méi)區(qū)總面積2.3km2，浸沒(méi)區(qū)內(nèi)約0.8km2耕地因鹽漬化，沼澤化使糧食減產(chǎn)，甚至無(wú)法耕種；數(shù)百間居民住房地面塌陷、墻體斷裂甚至倒塌。當(dāng)?shù)氐娜罕娚a(chǎn)、生活受到影響，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，并且形成了較嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。

3 解決泥沙淤積及浸沒(méi)危害對(duì)策

3.1 改變水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方式控制淤積

為了減緩泥沙淤積的速度，1987年開始，水庫(kù)汛期采用空庫(kù)排沙運(yùn)用方式，每年在主汛期將泄洪洞閘門打開，利用上游入庫(kù)的天然徑流進(jìn)行沖沙。

根據(jù)1987～1992年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的歷年空庫(kù)排沙成果，在6a里共空庫(kù)排沙173d，出庫(kù)懸移質(zhì)沙量1767萬(wàn)t，為同期入庫(kù)懸移質(zhì)沙量858.4萬(wàn)t的2.1倍， 相當(dāng)于6a總?cè)霂?kù)懸移質(zhì)沙量1973.2萬(wàn)t的90%。 空庫(kù)排沙期間總出庫(kù)水量1.87億m3，占6a總?cè)霂?kù)水量6.13億m3的30%。 6a懸移質(zhì)入庫(kù)沙量1973.2萬(wàn)t，出庫(kù)量2064.5萬(wàn)t，估算年推移質(zhì)入庫(kù)量309.8萬(wàn)t，出庫(kù)量162.8萬(wàn)t。入庫(kù)總沙量?jī)H比出庫(kù)總沙量多55.7萬(wàn)t，說(shuō)明庫(kù)區(qū)基本處于沖淤平衡狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)6a主汛期空庫(kù)排沙，庫(kù)區(qū)形成一條長(zhǎng)約7km的沖刷槽，槽庫(kù)容為530萬(wàn)m3，與灘地淤積增長(zhǎng)量510萬(wàn)m3相抵。壩前灘面平均淤高0.21m/a，比空庫(kù)排沙前0.9m/a降低4倍多。 四合永公路橋附近河床平均淤高0.12m/a，比空庫(kù)排沙前0.18m/a降低1/3。

利用現(xiàn)有泄洪洞在主汛期進(jìn)行空庫(kù)排沙，可以有效地減緩水庫(kù)淤積速度，但庫(kù)區(qū)灘地特別是四合永段河床仍在繼續(xù)淤高，四合永鎮(zhèn)浸沒(méi)問(wèn)題仍逐年加劇。

3.2 利用泄洪洞排沙清淤

1987年開始，廟宮水庫(kù)實(shí)行排渾蓄清運(yùn)用方式，每年在主汛期將泄洪洞閘門打開，利用上游入庫(kù)的天然徑流進(jìn)行沖沙。13a間，庫(kù)區(qū)的灘面和庫(kù)尾河床淤積較以前減少，淤積率有所降低，總體上是灘面仍繼續(xù)淤積，但淤積程度有所減緩。沖刷較多的年份有1989和1991年。1991年主汛期來(lái)水量為4472萬(wàn)m3，為中水年，相當(dāng)于5a一遇，發(fā)生洪水（大于20m3/s）11次，其中單峰洪水5次，多峰洪水6次，洪峰流量為30～120m3/s；空庫(kù)排沙效果在1989～1999年中為最大的一年，沖刷泥沙量493.8萬(wàn)t，入庫(kù)沙量167.8萬(wàn)t，凈排沙總量326萬(wàn)t，沖刷范圍為壩前8km，再向上呈淤積趨勢(shì)，對(duì)于距壩10km處的四合永鎮(zhèn)，河道灘地和主槽仍有所淤積。說(shuō)明1989～1999年空庫(kù)度汛，沖刷量最大的年份四合永鎮(zhèn)仍淤積較為嚴(yán)重，在中水年份利用泄洪洞排沙只能得到緩解不能解決庫(kù)尾淤積問(wèn)題。

3.3 增設(shè)排沙洞與泄洪洞聯(lián)合沖淤

參照國(guó)內(nèi)多沙河流上大中型水庫(kù)的調(diào)研資料，利用水力排沙的原理，增設(shè)低高程、大洞涇的排沙洞，采取蓄清排渾運(yùn)用，在主要來(lái)沙季節(jié)，運(yùn)用水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，依靠水流本身的沖刷能力，將水庫(kù)淤積物帶出庫(kù)外，達(dá)到?jīng)_淤排沙的目的。廟宮水庫(kù)通過(guò)物理模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算及水庫(kù)粘性淤積物溯源沖刷的一維計(jì)算等多種方法，定量分析了增設(shè)排沙洞規(guī)模和沖刷效果。

3.3.1 增設(shè)排沙洞規(guī)模

分析表明沖刷量、沖刷深度及沖刷槽上朔距離與洞徑成正比，但是隨洞徑的增大，線梯度逐漸減小，當(dāng)洞徑增大到7m左右時(shí)，曲線梯度趨近于0，說(shuō)明從沖刷效果的角度考慮，排沙洞選定7m左右洞徑是最優(yōu)的，確定排沙洞洞徑選用6.8m。采用水庫(kù)粘性淤積物溯源沖刷的一維方程計(jì)算水庫(kù)的溯源沖刷，在新增低高程排沙洞后，估計(jì)排沙洞高程的變化對(duì)沖刷槽發(fā)展距離的影響，結(jié)合洞址附近的地質(zhì)、地形條件，增設(shè)排沙洞洞底高程確定為748m。

3.3.2 排沙洞與泄洪洞聯(lián)合沖淤效果

（1）建排沙洞后，在排沙洞與泄洪洞聯(lián)合泄流排沙條件下，水沙系列的沖刷槽可上溯到四合永段，最大沖沙量累計(jì)974.9萬(wàn)m3，四合永河段（18～20＃斷面）形成穩(wěn)定沖刷槽，平均寬度38m，平均沖深1.81m，如表1所示。

表1 物理模型沖刷試驗(yàn)成果表

（2）采用水庫(kù)粘性淤積物溯源沖刷的一維方程計(jì)算水庫(kù)的溯源沖刷。在新增低高程排沙洞后，估計(jì)排沙洞高程的變化對(duì)沖刷槽發(fā)展距離的影響。計(jì)算方法的基本出發(fā)點(diǎn)是建立粘性淤積物沖刷率與淤積體變形的關(guān)系。

水庫(kù)粘性淤積物溯源沖刷的一維計(jì)算方程式如下：

式中 Z（X，t）為河床高程，為距壩里程X與沖刷時(shí)間t的函數(shù)；rd（X，Z）為淤積物干容重，為X與淤積高程Z的函數(shù)；τ0（X，Z）為淤積物的臨界起動(dòng)剪切力，亦為X，Z的函數(shù)；ψhc為計(jì)算的沖刷水深；K為沖刷率系數(shù)；Z（X，0）＝f1（X）為計(jì)算邊界條件，由各斷面淤積面高程及不可沖河底高程所確定；Z（0，t）＝f2（t）為計(jì)算初始條件，由壩前水位的下降過(guò)程確定。

沖刷河槽寬度按阿爾圖寧公式計(jì)算，即

式中 系數(shù)A主要依據(jù)1987年實(shí)測(cè)資料確定為1.263；計(jì)算中Q取實(shí)際沖刷流量，按淤積面坡降（18%）與原河槽坡降（37.4%）的平均值考慮。

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）經(jīng)1987、1988兩年汛期，歷時(shí)1個(gè)月空庫(kù)沖刷所形成的沖刷槽坡降，還沒(méi)有達(dá)到?jīng)_刷終極平衡坡降。主要是由于實(shí)際沖刷流量過(guò)小，若今后遇較大流量，沖刷槽還可以進(jìn)一步發(fā)展。

（2）在侵蝕基準(zhǔn)面不變的情況下，沖刷流量不僅對(duì)提高總沖刷量有作用，而且對(duì)沖刷槽的上溯發(fā)展也有促進(jìn)作用。在利用面有排沙洞的條件下，大洪水過(guò)程（Qmax＝250m3/s）比較小洪水過(guò)程（Qmax＝100m3/s），總沖刷量可提高2.3倍，沖刷槽上溯距離也可提高1.55km，但由于受侵蝕基準(zhǔn)面的限制，沖刷槽尚不能影響到四合永附近河段。

（3）在增設(shè)低高程排沙洞后，隨著侵蝕基準(zhǔn)面的降低，可進(jìn)一步提高總沖刷量和有利于沖刷槽的上溯，當(dāng)新排沙洞高程降低至748m時(shí)，沖刷槽基本上可影響到四合永水庫(kù)段，對(duì)減輕四合永鎮(zhèn)的洪水威脅是有積極作用的?？傊?，增設(shè)低高程排沙洞后，空庫(kù)沖刷效果會(huì)明顯增大，在遇有200m3/s左右洪峰時(shí)，空庫(kù)沖刷所形成的沖刷槽基本上可到庫(kù)尾四合永橋處。若在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步作一些開挖疏導(dǎo)工程，可以減輕泥沙淤積發(fā)展對(duì)四合永鎮(zhèn)的威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）伊遜河流域上游為土石山區(qū)，山區(qū)面積中的65%屬陡峻的山地，水土流失非常嚴(yán)重。干流圍場(chǎng)站實(shí)測(cè)最大含沙量亦高達(dá)683kg/m3，年輸沙量的90%以上發(fā)生在6～9月，水庫(kù)年入庫(kù)最大沙量1360萬(wàn)t，輸沙量年際間變化相差懸殊。

（2）廟宮水庫(kù)多年攔洪蓄水的調(diào)度運(yùn)用方式，大量的泥沙被攔蓄，使水庫(kù)總庫(kù)容減小了近50%，興利庫(kù)容由6800萬(wàn)m3減少到2300萬(wàn)m3。泥沙淤積造成庫(kù)區(qū)上游翹尾巴，對(duì)四合永鎮(zhèn)形成浸沒(méi)，嚴(yán)重影響了居民的生產(chǎn)生活。

（3）通過(guò)改變水庫(kù)攔洪蓄水的調(diào)度運(yùn)用方式，改為蓄清排渾的汛期空庫(kù)排沙，可有效減少水庫(kù)淤積量，但對(duì)四合永河段的沖刷效果有限，只能起到部分延緩淤積浸沒(méi)，控制發(fā)展趨勢(shì)的作用。

（4）增設(shè)低孔排沙洞的工程措施，在水流條件較好的情況下，與原有泄洪洞聯(lián)合沖淤，配合開挖疏導(dǎo)工程，可以控制泥沙淤積發(fā)展趨勢(shì)、減輕浸沒(méi)對(duì)四合永鎮(zhèn)的危害。

（5）設(shè)計(jì)中采用了增設(shè)748m高程低孔排沙洞的工程措施，并于2003年開工建設(shè)，2006年完工，現(xiàn)已經(jīng)過(guò)兩個(gè)汛期的提閘沖淤，效果顯著，若加大工程和管理綜合措施，其庫(kù)區(qū)泥沙淤積和浸沒(méi)問(wèn)題將會(huì)得到根本性改變。

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［2］夏邁定，程永華，程建民.黑松林水庫(kù)泥沙處理技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.泥沙研究，1997，（4）：7-13.

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［4］中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì)主編.泥沙手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

［5］武漢水利電力學(xué)院編.水力學(xué)［M］.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1963.