宋文君

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

1 松塔水電站流域概況

松塔水電站位于瀟河主干上游的松塔河段上，距山西省晉中市城區(qū)約44 km。壩址控制流域面積1 174 km2，樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪排沙洞、供水發(fā)電洞和壩后電站。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高62.6 m，正常蓄水位1 027 m，死水位994.00 m，總庫容9 740萬m3，死庫容 800萬m3。工程于2009年7月動(dòng)工，2011年8月下閘蓄水。

瀟河是汾河的第二大支流，其上游有白馬河和松塔河兩大支流，且以松塔河為主流，松塔河發(fā)源于昔陽縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，先后匯入龍泉河、木瓜河，流域面積1 273 km2，在松塔水電站下游的壽陽縣蘆家莊與白馬河匯合為干流。以下沿途又有涂河、澗河等支流匯入，瀟河全長147 km，流域面積3 894 km2。

壩址以上為大部分砂頁巖土石山區(qū)與小部分黃土丘陵區(qū)，流域?qū)俅箨懶园敫珊禋夂?，多年平均降水?83 mm，降水量年際變化較大，且年內(nèi)分配不均勻，汛期降水量約占全年的70%。

瀟河流域水文觀測站有宜銅鋪、獨(dú)堆、蘆家莊、瀟河大壩4處。宜銅鋪、獨(dú)堆位于壩址控制流域內(nèi)，工程建成后，獨(dú)堆站遷至松塔。

2 水電站入庫泥沙分析

2.1 壩址輸沙量計(jì)算

泥沙來量主要集中于汛期，由獨(dú)堆水文站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均輸沙率24.6 kg/s，多年平均含沙量11.8 kg/m3，實(shí)測最大含沙量284 kg/m3，實(shí)測最小含沙量0 kg/m3，實(shí)測多年平均懸移值輸沙量54.1萬t，以此推算壩址多年平均懸移值輸沙量為55.2萬t，考慮10%的推移值，多年平均總輸沙量為60.7萬t。壩址輸沙量系列見表1。

表1 獨(dú)堆站、壩址輸沙量系列表 單位：萬t

2.2 級(jí)配組成

獨(dú)堆水文站無泥沙顆粒級(jí)配資料，蘆家莊水文站1974年以后有該項(xiàng)分析測驗(yàn)成果，盡管70年代以后大水年份較少，多屬小水沙樣，經(jīng)分析挾沙粒徑與洪水流量基本無關(guān)，而與沙源關(guān)系很大，選擇了獨(dú)堆水文站以上有較大洪水，而白馬河基本不發(fā)水時(shí)蘆家莊水文站的懸移質(zhì)斷面平均顆粒級(jí)配。

以蘆家莊水文站1974～2004年中選擇了29場洪水的顆粒級(jí)配曲線，并通過點(diǎn)據(jù)中心繪一條平均顆粒級(jí)配曲線，顆粒級(jí)配見表2。可以看出，該顆粒級(jí)配情況，符合砂頁巖土石山區(qū)的來沙特性。

表2 泥沙顆粒積配表

2.3 入庫泥沙沖淤分析

按照淤積形態(tài)判別公式：

式中：α′——泥沙淤積形態(tài)判別指數(shù)；

V——水庫總庫容，萬m3；

Ws——入庫沙量，萬m3；

J0——庫區(qū)原始河道比降，%。

當(dāng)α′＞2.2，為三角洲淤積，α′＜2.2時(shí)，為錐體淤積。

計(jì)算出α′＞2.2，為三角洲淤積形態(tài)。

工程運(yùn)行30年后壩前淤積總量為211萬m3。相應(yīng)淤積高程985.50 m?？紤]大壩前庫岸塌方224萬m3，壩前淤積高程為989.90 m。淤積計(jì)算成果見表3。

表3 淤積計(jì)算成果表

3 水電站泥沙控制措施

3.1 布置導(dǎo)流泄洪排沙洞

洞底坎高程是決定排沙效果、恢復(fù)槽庫容大小、保持終極庫容大小的決定性因素。根據(jù)恒山等水庫研究成果，洞底坎高程越低，對(duì)滯洪排沙效果越突出，控制形成槽庫容的侵蝕基準(zhǔn)面越低，沖刷形成的槽庫容量大，但洞底高程越低，沖刷形成主槽的縱比降變陡，在運(yùn)用中必然有較粗的泥沙推向壩前，對(duì)蓄水后的滯洪排沙和沖刷恢復(fù)槽庫容不利，因而洞高程也不能太低，綜合考慮，根據(jù)來沙粒徑情況，取中等粒徑0.041 mm作為推向壩前推移質(zhì)的臨界控制粒徑。

沖槽縱坡比降公式：

式中：J0——沖槽縱坡比降；

ρ——汛期平均含沙量，kg/m3；

Q——汛期平均流量，m3/s；

d50——臨界控制中粒徑，mm。

計(jì)算得，d＞0.041 mm時(shí)，沙粒不會(huì)推向壩前的縱坡比降為J0≤0.005 6。

洞底高程Δh計(jì)算公式：

式中：Z?！：撕樗唬琺；

L——校核洪水位相應(yīng)回水長度，m。

計(jì)算出Δh為975.2 m，取洞底高程高出原河床8.5 m，即洞底高程為975.5 m。

洞子的泄流規(guī)模綜合考慮施工導(dǎo)流、泄洪和沖沙作用，內(nèi)徑5.5 m，圓形斷面，出口設(shè)有檢修平板鋼閘門、弧形工作鋼閘門，蓄水排沙時(shí)可以依靠閘門控制泄量，設(shè)計(jì)洪水位1 027.41（P=1%）情況下泄量為594 m3/s，校核洪水位1 028.22（P=0.1%）情況下泄量為599 m3/s。

3.2 采取合理有效的水沙調(diào)度運(yùn)用方式

3.2.1 開展泥沙觀測

水電站多年平均入庫總沙量60.7萬m3，正常蓄水位1 027.00 m，相應(yīng)的庫容9 170萬m3，庫沙比151。為掌握工程建成后的泥沙淤積分布、數(shù)量、水沙平衡、出庫泥沙粒徑組成及沖淤變化規(guī)律，制定合理的調(diào)水、調(diào)沙方案，充分發(fā)揮工程效益，同時(shí)為庫區(qū)整治、泥沙研究提供資料，開展了泥沙觀測。

（1）基本設(shè)施和儀器設(shè)備

水電站庫水位變幅約30 m，不易形成穩(wěn)定的冰蓋，冰上作業(yè)難以實(shí)現(xiàn)，淤積測驗(yàn)采用船測法，橫斷面測量選擇在每年汛后10～11月份，配備一條機(jī)動(dòng)測船，其它設(shè)備有回聲測深儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等。

測定懸移質(zhì)泥沙通過采樣器汲取河水水樣，經(jīng)過水樣處理后，求得含沙量，配置瞬時(shí)泥沙采樣器5個(gè)、積時(shí)泥沙采樣器5個(gè)及現(xiàn)場測沙儀3套。對(duì)采樣泥沙進(jìn)行分析配置的設(shè)備有烘箱2個(gè)，烘杯30個(gè)，分沙器2個(gè)，量杯3個(gè)，天平2臺(tái)，水樣桶100個(gè)，比重瓶3套，溫度計(jì)4只，干燥器4個(gè)。

（2）淤積觀測

采用斷面法對(duì)最高蓄水位以下的全庫區(qū)進(jìn)行泥沙淤積測驗(yàn)，正常蓄水位時(shí)回水長度約11.92 km，庫區(qū)段地形比較復(fù)雜，有較大支流匯入，斷面布設(shè)范圍從壩前至淤積末端以上1～2個(gè)斷面，布設(shè)了38個(gè)橫斷面，其中干流段21個(gè)，5條支溝共布設(shè)了17個(gè)。泥沙淤積測驗(yàn)每年汛后測驗(yàn)一次，特枯年份不安排測驗(yàn)。按照該38條橫斷面和天然情況下河道縱斷實(shí)測斷面間距計(jì)算的庫容與地形法計(jì)算的庫容相差約10%，見表4。

表4 庫容曲線表

工程運(yùn)行6年來，最高蓄水位達(dá)到1 023 m，經(jīng)泥沙實(shí)測資料分析計(jì)算，淤積量為240萬m3，比設(shè)計(jì)計(jì)算成果少14%，考慮這幾年流域內(nèi)水保治理拉蓄泥沙成效，基本吻合，見圖1。

圖2 壩址水位～庫容曲線

3.2.2 采取合理有效的水沙調(diào)度運(yùn)用方式

根據(jù)泥沙觀測資料，掌握每年入、出庫的泥沙總量并進(jìn)行水沙量平衡計(jì)算，核定實(shí)際排沙比，確定出庫泥沙級(jí)配，以掌握不同運(yùn)行方式下的排沙效果，采取合理的運(yùn)用方式。

庫水位低于982.10 m時(shí)，無壓泄流，高于985.84 m時(shí)，有壓泄流，起調(diào)水位1027m，當(dāng)入庫洪水不高于20年一遇時(shí)，僅開啟洞子泄洪，下泄流量不超過594 m3/s，遭遇20年一遇洪水時(shí)只開啟洞子的最大泄量；當(dāng)洪水位超過20年一遇洪水位1 027.40 m時(shí)，開啟全部泄洪建筑物敞泄，直至庫水位降到1 027 m。庫水位與洞子泄量關(guān)系見表5。

表5 庫水位與泄洪排沙洞泄量關(guān)系

水電站運(yùn)行年限按30年計(jì)算，來沙量1 821萬t，汛期棄水有少量異重流排沙，排沙比4%，泥沙干容重按1.25 t/m3，排沙后的淤積量還有1 399萬m3，預(yù)計(jì)壩前淤積高程989.90 m，高于導(dǎo)流泄洪排沙洞洞底高程975.50 m。汛期經(jīng)常開啟洞閘門泄流，在洞子進(jìn)口的上游庫區(qū)將會(huì)形成漏斗狀水流通道，漏斗形態(tài)比較穩(wěn)定，洞子在每年汛期基本都要泄流，不會(huì)造成淤積孔口堵塞現(xiàn)象。隨著泥沙觀測資料的分析，調(diào)度運(yùn)行方式將合理調(diào)整。

3.3 加快流域內(nèi)的水土保持治理

從6年來松塔水電站流域水保治理措施攔蓄的泥沙來看（見表6），水土保持對(duì)于控制水土流失，改變下墊面條件，減少泥沙來源，減輕淤積是行之有效的。今后應(yīng)加快水土保持綜合治理步伐，采取攔泥淤地、整修梯田、植樹造林、種植牧草等綜合治理措施控制水土流失，減少入庫泥沙。

表6 2011—2017年流域各項(xiàng)治理措施攔蓄的泥沙量 單位：萬t

4 結(jié)語

第一，在多泥沙河流上修建工程，設(shè)計(jì)階段收集水文、泥沙、地形等方面的資料，計(jì)算來水來沙量對(duì)于合理布置泄洪排沙建筑物、確定調(diào)度運(yùn)用方式是非常必要的。第二，泄流排沙建筑物應(yīng)盡可能位于主流區(qū)，最好設(shè)在壩體的主流位置。對(duì)于山區(qū)河流上采用異重流排沙的建筑物，底坎高程應(yīng)根據(jù)來沙粒徑情況合理確定。第三，開展泥沙淤積觀測，能真實(shí)地反映淤積度，為探索工程的淤積規(guī)律及綜合治理提供可靠依據(jù)。第四，工程管理應(yīng)注重泥沙淤積監(jiān)測及入庫洪水的水、沙要素分析研究，確定適合本工程的調(diào)度運(yùn)用方式。