[瑞士]　M.海格曼 等

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沖沙隧洞研究與實踐

——第一屆沖沙隧洞國際研討會總結(jié)報告

[瑞士]M.海格曼 等

2015年，瑞士舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會，12個國家參會者就沖沙隧洞建設(shè)、運行、維護(hù)研究與實踐進(jìn)行了研討交流。研討會由主旨報告、最新研究報告、已建(在建)沖沙隧洞綜述，以及實驗室參觀與現(xiàn)場考察等內(nèi)容構(gòu)成。在簡要介紹水庫淤積概況與沖沙隧洞對減少水庫淤積的作用的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了沖沙隧洞水工設(shè)計、過流能力、運用頻率、沖沙粒徑、倒坡襯砌、維護(hù)修復(fù)、監(jiān)測技術(shù)、輸沙效率與生態(tài)響應(yīng)等方面的經(jīng)驗與教訓(xùn)。

沖沙隧洞(SBT)；水庫淤積；“旁側(cè)”輸沙；倒坡磨蝕；瑞士

2015年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)水工水文冰川實驗室(VAW)，聯(lián)合日本京都大學(xué)防災(zāi)研究學(xué)院(DPRI)水資源研究中心(WRRC)和蘇黎世聯(lián)邦電力公司(EWZ)，舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會，來自12個國家的參會者就沖沙隧洞建設(shè)、運行、維護(hù)的研究與實踐進(jìn)行了研討交流。

水庫淤積對世界各地蓄水水庫的影響越來越大，沖沙隧洞(SBT)是減少水庫淤積的有效方法。通過“旁側(cè)”輸沙過壩至尾水河段，一方面減小了水庫泥沙淤積，另一方面可重構(gòu)泥沙的連續(xù)性。泥沙連續(xù)性可以帶來生態(tài)效益——阻止(至少顯著減緩)大壩下游的河床沖刷，增強河床演變的多樣性；沖沙隧洞可輸送上游河段的來沙，但一般不會沖刷水庫累積淤積泥沙，因此大壩尾水含沙量不會出現(xiàn)與水庫或天然洪水特性“相逆”的變化。

1　主旨報告

本次蘇黎世研討會共作了3份主旨報告。波多黎各島GLM工程公司G.L.莫里斯博士對可持續(xù)泥沙治理進(jìn)行了綜述，通過世界各地系列實例與案例演示，將可持續(xù)泥沙治理方法概括為如下幾類：

(1) 減少上游來沙；

(2) 泥沙調(diào)度；

(3) 泥沙清淤；

(4) 采用適應(yīng)性方法，例如大壩加高、取水口改造(泥沙無需處置)等。

莫里斯最終得出的結(jié)論是：目前沒有可行的超大庫容維持方法，只能借助于適應(yīng)性方法處置多年調(diào)節(jié)水庫。

日本京都大學(xué)防災(zāi)研究學(xué)院水資源研究中心T.須見教授報告了日本采用的水庫淤積治理措施，一方面強調(diào)“旁側(cè)”輸沙、沖沙與泄洪，另一方面強調(diào)水沙調(diào)控恢復(fù)河流。關(guān)于后者，他指出，為應(yīng)對下游河床沖刷并改善魚類棲息地條件，日本多座大壩實施了下游泥沙補償方案。日本最古老的沖沙隧洞啟用于1908年，位于神戶市附近，具有百年以上的運行經(jīng)驗。須見教授得出的結(jié)論是：為了更加廣泛地采用沖沙隧洞，需要從研究隧洞的尺寸和長度著手來降低建設(shè)成本。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院水工水文冰川實驗室R.伯斯教授講述了瑞士產(chǎn)沙區(qū)域、冰川流域面積近期擴(kuò)大及其對瑞士水庫的影響，并通過實例介紹了水庫淤積治理的最新措施。措施包括：通過內(nèi)置沉沙池取水口“旁側(cè)”輸沙(基于實時監(jiān)測)增加死庫容，通過底孔進(jìn)行渾水排沙，以及水庫水位消落沖沙等。這些措施的采用需要獲得州市部門的批準(zhǔn)，較為典型的前置懸移質(zhì)濃度臨界值為10 g/L。

2　最新研究報告

氣候變化與永久凍土融退可能“釋放”大量的可移動泥沙淤積物，導(dǎo)致流域泥沙輸移增加，加重水庫淤積問題，由此常常影響到發(fā)電、供水、運行安全與防洪問題。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的I. 阿貝萊克報告了該學(xué)院水工水文冰川研究室針對這些新問題所正在進(jìn)行的研究。首先，應(yīng)該確定因冰川融退而增加的水電潛能；其次，應(yīng)研發(fā)出經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的泥沙治理措施，該措施同時還應(yīng)能確保河流生態(tài)形態(tài)得以提升至建壩前的自然狀態(tài)。沖沙隧洞可以滿足上述要求，但其性價比常常受到水力磨蝕破壞的限制。

為了解決這一問題，日本京都大學(xué)C.奧爾博士(曾與蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實驗室有過合作)采用實驗室物理模型，進(jìn)行了水流與泥沙輸移特性以及急流狀態(tài)下磨蝕時間和空間演變的試驗研究。基于試驗成果，研發(fā)了一種易于應(yīng)用的磨蝕預(yù)測模型。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實驗室M.海格曼描述了為確定高抗蝕強度和高性價比現(xiàn)場應(yīng)用材料而進(jìn)行的原觀試驗。初步研究成果表明：磨蝕主要源自于推移質(zhì)，懸移質(zhì)影響很小。20世紀(jì)90年代，瑞士朗科赫茲水庫沖沙隧洞進(jìn)行過類似試驗，其更多觀測成果于2014年有過報道。

瑞士TFB公司F.雅各布斯博士認(rèn)為：高強度雖然可以提高隧洞倒坡防護(hù)材料的抗蝕性能，但是施工和修復(fù)與材料選擇本身同等重要，初期損害部位取因于不連續(xù)性與易損性，這一部位可能會擴(kuò)大而導(dǎo)致更大破壞。

目前，針對索利斯(Solis)水庫的一個研究項目正在開展沖沙隧洞對環(huán)境影響的研究，瑞士蘇黎世聯(lián)邦學(xué)院水工水文冰川實驗室M.法科尼就此研討了沖沙隧洞對下游河流系統(tǒng)生態(tài)形態(tài)的影響。初步研究成果表明：洪水期間運用沖沙隧洞可能導(dǎo)致河流形態(tài)與床沙粒徑級配的變化。該研究項目的目標(biāo)是基于現(xiàn)場驗證的數(shù)值模型，確定沖沙隧洞的運用對河道水流、河流形態(tài)最終至河流生態(tài)質(zhì)量的影響。

瑞士聯(lián)邦水質(zhì)科學(xué)技術(shù)研究所(Eawag)的E.馬丁正在開展生態(tài)現(xiàn)狀分析。研究表明：河流棲息地質(zhì)量受溢洪道泄洪與沖沙隧洞運用雙重影響，影響程度隨洪水頻率強度的增加而增加；相對于多年頻率洪水，河流恢復(fù)歷時較短(數(shù)周至數(shù)月量級)，有必要對這些演變及其與無壩天然河流演變之間的差異開展深入的評估與定量化研究。

3　已建(在建)沖沙隧洞綜述

研討會對瑞士、日本、法國7座已建(在建)沖沙隧洞進(jìn)行了描述。

瑞士聯(lián)邦鐵路公司(SBB)的B.穆勒對由該公司負(fù)責(zé)運行的瑞士普法芬斯普朗(Pfaffensprung)水庫沖沙隧洞進(jìn)行了描述。隧道總長282 m，4月初至10月底運用，其功能是“旁側(cè)”輸送羅伊斯(Reuss)河高含沙水流。自1922年隧洞投運以來，粗顆粒推移質(zhì)與高速水流引發(fā)了嚴(yán)重的倒坡磨蝕，相應(yīng)的維修費用巨大。近期運營商決定在隧洞倒坡上鋪墊1 m2花崗巖塊以減小磨蝕。

瑞士OFIMA公司A.鮑默和R.拉多哥拉共同描述了瑞士帕拉格內(nèi)德拉(Palagnedra)水庫沖沙隧洞(1977年投運)。隧洞總長1 760 m，OFIMA公司負(fù)責(zé)運行，分流梅萊佐(Melezza)河洪水。1978年特大洪水致使水庫完全淤滿，水庫修復(fù)期間沖沙隧洞不得不連續(xù)數(shù)月運用，造成嚴(yán)重的倒坡磨蝕(磨深達(dá)4.8 m)。在過去的30多年中，該隧洞每年大約運用5次，均沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的運行問題。2011～2013年間，修復(fù)了20%隧洞倒坡以確保運行穩(wěn)定。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦電力公司C.歐特力描述了由該公司負(fù)責(zé)運行的瑞士索利斯水庫沖沙隧洞(2012年投運)。該工程隧洞取水口沒有設(shè)置在水庫壩段,而是位于大壩上游450 m處，由此引起的隧洞運用問題是隧洞取水為有壓流。洪水之前需要部分降低庫水位以保證水庫上游輸沙能力足夠大，隧洞運用成敗有賴于天氣預(yù)報精度。隧洞倒坡采用高性能混凝土襯砌，運用3 a基本無磨蝕。

日本關(guān)西電力公司H.中島描述了由該公司負(fù)責(zé)運營的朝日(Asahi)水庫沖沙隧洞。自1998年投運以來，隧道輸送約80%來沙，證明了該項泥沙淤積措施的高效率。由于推移質(zhì)數(shù)量較大，隧洞出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的倒坡磨蝕，需要進(jìn)行周期性修復(fù)。隧洞修復(fù)采用的是高性能混凝土，與其他可用的倒坡修復(fù)材料相比較，其造價在使用壽命周期內(nèi)最低。

2004年投運的日本美和(Miwa)水庫沖沙隧洞由日本土地、基礎(chǔ)設(shè)施、運輸與旅游省負(fù)責(zé)運營，日本公共工程研究院T.櫻井在報道中指出，與其他大多數(shù)已建(在建)沖沙隧洞相比較而言，該隧洞(長約4 km)僅分流懸移質(zhì)泥沙，推移質(zhì)泥沙則由上游攔沙壩攔截或疏浚。

日本最新的沖沙隧洞是將于2016年投運的小澀(Koshibu)水庫沖沙隧洞，日本大壩工程中心J.柏井在報道中指出，該隧洞建設(shè)已處于最后階段，其水工結(jié)構(gòu)重大改進(jìn)均基于水力學(xué)模型優(yōu)化試驗。

法國電力公司(EDF)E.拉彼魯薩茲對位于地中?？莆骷螎u1條總長133 m的隧洞進(jìn)行了描述。該工程將大壩施工導(dǎo)流洞改建為沖沙隧洞。受工程場地的限制，閘門設(shè)置在隧洞下游而不是在取水口，由此導(dǎo)致了隧洞流態(tài)由自由流向有壓流變化(基于運用工況)。

中國臺灣石門、霧社、曾文和南華等多座水庫均發(fā)生嚴(yán)重水庫淤積，對上述水庫的泥沙淤積問題進(jìn)行了綜述，并對遭受2004年艾利臺風(fēng)影響的多功能石門水庫的規(guī)劃對策措施進(jìn)行了重點分析。2012年對該水庫廠房的兩個水閘之一進(jìn)行了改造，增加了其渾水泄流能力。另外，提議了4處沖沙隧洞位置。研究了改造后水閘的渾水泄流效果。針對2座擬建的沖沙隧洞，采用實體模型進(jìn)行了試驗研究，數(shù)值模擬了艾利臺風(fēng)水流工況下其對下游河道的影響。

中國臺灣賽美特公司C-S.龔(Kung)博士介紹了其研究成果及其解決措施。由于遭受海歐臺風(fēng)(2008年)和莫拉克臺風(fēng)(2009年)的影響，位于臺灣南部的南華水庫因泥沙淤積損失了38%的庫容。為此，設(shè)計了一座含沙水流流量1 000 m3/s的大型沖沙隧洞。采用水力學(xué)和數(shù)值模型試驗，對隧洞設(shè)計進(jìn)行了核實與優(yōu)化。

另一座規(guī)劃中的沖沙隧洞位于厄瓜多爾瓜拉班巴(Guayllabamba)河，是切斯皮-帕爾馬-雷亞(Chespi-Palma Real)工程泥沙治理的組成部分，沖沙隧洞渾水“旁側(cè)”分流量為158 m3/s。瑞士隆巴爾迪(Lombardi)工程公司的C.格里馬爾迪博士介紹了該項目的概況和沖沙隧洞的詳細(xì)設(shè)計。瑞士EPFL公司的G.德切薩雷博士報道了實體模型試驗成果：試驗復(fù)核了沖沙隧洞初步設(shè)計，優(yōu)化了隧洞結(jié)構(gòu)與運行方案，以滿足各頻次洪水下推移質(zhì)100%“旁側(cè)”輸出效率。

裝機(jī)容量150 MW的帕特靈(Patrind)水電站位于巴基斯坦北方的昆哈(Kunhar)河與杰赫勒姆(Jhelum)河之間，目前正在進(jìn)行工程水工設(shè)計與泥沙治理方案的實體模型試驗。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院水工水文冰川實驗室C.貝克提出如下建議：洪水期間通過沖沙隧洞輸移粗顆粒泥沙，隧洞設(shè)計流量為650 m3/s；對于淤積在泄水閘與圍堰壩之間水庫區(qū)域的細(xì)顆粒泥沙則采用年度沖沙。

4　經(jīng)驗總結(jié)

本次研討會取得了若干成果，會議組織者從如下幾個主要方面進(jìn)行了總結(jié)。

4.1水庫淤積概況

與會者一致認(rèn)為：泥沙淤積治理方法多種多樣，最適合方法的選擇依具體工程實際情況而定；初步選擇應(yīng)該基于庫容-徑流比CIR(水庫庫容與年均徑流量之比)和水庫壽命指數(shù)(水庫庫容與年均來沙量之比)?？沙掷m(xù)泥沙治理經(jīng)常需要綜合多種治理方法，通過水庫與大壩的合理選址與布置，盡可能開始就最小化水庫淤積風(fēng)險；對于高產(chǎn)沙流域，可能可行的選項是引水式水庫，主要通過安置有沉沙設(shè)施的取水口蓄水。

4.2沖沙隧洞對減少水庫淤積的作用

對于庫容-徑流比和水庫壽命指數(shù)較小的水庫，沖沙隧洞效果最佳，它們既可以替代水庫沖沙，也可以作為輔助措施與水庫消落沖沙共同使用。如果在天然洪水期間運用沖沙隧洞，沖泄泥沙對于下游河道環(huán)境的不利影響便會最小。

4.3沖沙隧洞水工設(shè)計

雖然自由水面流沖沙隧洞較優(yōu)，但是設(shè)計流量下有壓流也是可能的，這取決于閘門位置及其確定的控制斷面。自由水面流隧洞必須防止“氣噎”，需要預(yù)留足夠的過水?dāng)嗝嬗糜谕?，以確保安全的運行條件。對于隧洞水流流速，存在著某種“均衡”，必須足夠大以避免泥沙淤積；但最大流速又要盡量小以最小化剪應(yīng)力、控制倒坡磨蝕范圍。通常建議取水口避讓漂浮物，防止閘門或隧洞其他部位出現(xiàn)樹木與草根阻塞；但在某些情況下，又需要允許樹木安全通過隧洞。采用垂直欄格柵需要謹(jǐn)慎，一旦木屑漂浮物滯留于這些構(gòu)筑物，就可能影響到泥沙的輸移。

4.4適當(dāng)?shù)倪^流能力與運用頻率的選取

世界范圍通用的沖沙隧洞的典型過流能力大約相當(dāng)于1～10 a一遇洪水，隧洞運用時段從每年幾天至每年超過100 d，取決于當(dāng)?shù)厮呐c水庫規(guī)模。

4.5沖沙粒徑設(shè)計

大多數(shù)沖沙隧洞的設(shè)計和運用要求通過全部來沙(從粗沙推移質(zhì)到懸移質(zhì)細(xì)沙)，但某些隧洞(尤其是長距離沖沙隧洞)采取的則是上游攔截和疏浚粗沙，僅讓懸移質(zhì)泥沙“旁側(cè)”過壩。當(dāng)來水流量超過沖沙隧洞設(shè)計流量時，細(xì)沙仍可能進(jìn)入水庫并淤積。

4.6隧洞倒坡襯砌

諸如環(huán)氧樹脂灰漿、橡膠鋼板等很多材料都可采用，但采用最多的仍然是高強度混凝土；最小抗壓強度必須達(dá)到50～70 MPa，以保證足夠的抗水力磨蝕能力。鑄玄武石、石英石等天然石料也可采用，對于取水口閘門附近水流加速段等超強水力磨蝕段已成功地采用過鋼板防護(hù)。為了選取合適的襯砌材料，應(yīng)同時考慮并權(quán)衡初期投資與使用壽命周期總造價等兩個方面，為此需要對磨蝕深度與各種材料的使用周期開展更多的和更為精確的預(yù)測研究。

4.7維護(hù)與修復(fù)

沖沙隧洞的功能維護(hù)可能需要耗費大量的精力與資金，起始階段就應(yīng)該進(jìn)行磨蝕深度預(yù)估與使用壽命周期經(jīng)費評估分析?；诘蛊履ノg范圍和隧洞穩(wěn)定危害等考慮，已建沖沙隧洞的修復(fù)工作既可以在每個枯水季節(jié)按計劃定期開展，也可以在運用幾十年之后不定期實施。一開始就應(yīng)該設(shè)計好隧洞進(jìn)入通道。

4.8監(jiān)測儀器與監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)代沖沙隧洞應(yīng)配備監(jiān)測儀器，監(jiān)測水流流速、泥沙輸移等隧洞運行特性，以便分析沖沙場次優(yōu)化隧洞運行。如果采用實時監(jiān)測技術(shù)，甚至可以調(diào)整每場次沖沙最大化沖沙量。另外，還可以有效地應(yīng)用3D激光掃描，對磨蝕方式進(jìn)行定期監(jiān)測。

4.9沖沙隧洞輸沙效率與生態(tài)響應(yīng)

沖沙隧洞對下游影響與“旁側(cè)”輸沙效率越來越重要。應(yīng)通過對下游河道地形與生態(tài)的監(jiān)測，基于下游動植物影響與“旁側(cè)”輸沙效率(“旁側(cè)”輸沙量與來沙量之比)兩個方面，優(yōu)化沖沙隧洞的運行。應(yīng)通過下游狀況與水庫上游未擾動河道斷面之間的對比，評估沖沙隧洞的生態(tài)影響。

5　實驗室參觀與現(xiàn)場考察

參會代表應(yīng)邀參觀了水工水文冰川新實驗室(2013年開始使用)，期間觀摩了若干實體模型試驗，包括：巴基斯坦帕特靈水庫沖沙隧洞運行工況的檢驗與優(yōu)化，埃塞俄比亞大埃塞俄比亞復(fù)興(Grand Ethiopian Renaisance)大壩底孔的泄流能力復(fù)核與布置優(yōu)化，以及沖擊波與潰壩時空特性的研究項目等。

會后參觀了瑞士3座沖沙隧洞，分別位于格利桑斯州索利斯水庫、提契諾州帕拉格內(nèi)德拉水庫和烏里州普法芬斯普朗水庫。參觀期間，代表們了解到了3座沖沙隧洞的詳細(xì)信息，并有機(jī)會全程步行通過了索利斯水庫的沖沙隧洞，水庫調(diào)度人員詳細(xì)講解了取水口與隧洞建設(shè)情況。在蒂芬卡斯特爾(Tiefencastel)逗留一晚之后，代表們前往帕拉格內(nèi)德拉水庫，參觀了其大壩與沖沙隧洞取水口，水庫調(diào)度人員對1978年大洪水及其挑戰(zhàn)性修復(fù)工程進(jìn)行了介紹。參觀的最后一站是瑞士最古老的普法芬斯普朗水庫(Pfaffensprung)沖沙隧洞，有關(guān)人員介紹了最新的隧洞倒坡整體修復(fù)工程。

(編輯：朱曉紅)

2016-06-02

1006-0081(2016)08-0037-04

U45

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董耀華，男，長江水利委員會長江科學(xué)院，教授級高級工程師)