譚志國 烏蘇市興禹水利工程建筑有限公司

1.工程概況

北方某大（一）型水庫正常蓄水位1820.00m，庫容為21.29億m3，死水位1770.00m，死庫容為8.69億m3。水文資料表明，該水庫多年懸移質(zhì)輸沙量為2983萬噸，推移質(zhì)輸沙量為382噸，庫沙比為84.73，屬于泥沙問題較為嚴(yán)重的水庫。由于地區(qū)降水量分布極不均勻，泥沙分配也表現(xiàn)為極不均勻的特征，其中豐水期6-8月水庫凈流量為68.5%，懸移質(zhì)泥沙輸沙量占比為89.9%。根據(jù)現(xiàn)場測量，得到懸移質(zhì)泥沙以粗粉土、中細砂和粗砂為主，占比分別為51.3%、48.4%和0.3%，推移質(zhì)泥沙主要由粗沙、砂石和卵石組成，其占比分別為12.7%、16.5%和70.5%。

為確保該水庫順利運行與泥沙淤積不相矛盾，針對該水庫擬定了2種調(diào)度運行模式，研究對不同調(diào)度運行模式下的泥沙淤積特征進行了詳細研究，其中2種水庫調(diào)度運行參數(shù)見表1所示。

表1 水庫擬采用的調(diào)度運行方式

2.水力模型設(shè)計

定模型的水平比尺為λL，垂直比尺λH，變率為5。研究表明，當(dāng)研究對象設(shè)施對河道泥沙運行為主要研究對象時，模型的變率宜選定為2～5，本文模型變率為5，選定的參數(shù)對垂直方向的動力和動態(tài)有一定的影響，但是依據(jù)其他學(xué)者研究結(jié)果顯示，選定變率為5時，水利模型試驗?zāi)軌蚍从乘畮炷嗌秤俜e的實際變化情況。流速比尺為10，流量比尺為50000，糙率比尺為0.963，水流時間比尺為50。

水力模型中泥沙模擬需要分別對懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙進行模擬，選定密度ρ=1.45＊103kg/m3的電木粉為模型沙，依據(jù)相似原則，分別確定懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙的水力相似參數(shù)見表2所示。

表2 泥沙水力相似參數(shù)

3.試驗成果分析

3.1 淤積演變過程特征

壩后泥沙淤積演化過程隨運行時間之間的演化關(guān)系見圖1。從圖中可以看出，水庫在不同運行方式下，壩后泥沙淤積三角洲演化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為隨著運行時間的推移，泥沙淤積三角洲逐漸向大壩靠攏，且泥沙淤積三角洲頂端淤積高程與壩前水位基本相同，泥沙淤積三角洲尾部高程與下游河段地勢高程基本一致，呈現(xiàn)出較為明顯的過度特征。對比觀察圖1和圖2中不同運行方式下水庫壩后泥沙淤積三角洲差異不難發(fā)現(xiàn)，前50年運行過程中，2種不同運行方式下泥沙淤積三角洲差異較為明顯，其中運行方式1下淤積三角洲頂端距離大壩約為16km，頂端高程達到1813m；運行方式2泥沙淤積三角洲頂端距離大壩約為6km,頂端高程約為1770m。水庫運行后50年中，2種水庫運行方式一致，均為汛期低水位，非汛期高水位，此運行階段中，泥沙淤積三角洲演變趨勢逐漸趨于一致，當(dāng)運行100年結(jié)束時，泥沙淤積三角洲頂端逐漸推移至壩前，淤積高程約為1770m,基本達到水庫低水位界限值。觀察2種不同運行方式，可以得出水庫的初步的泥沙淤積平衡年限為90年。

圖1 壩后泥沙淤積演化特征

3.2 淤積形態(tài)特征

壩后特定斷面處泥沙淤積特征見圖2。由圖2可以得到，水庫按照方式1運行調(diào)度時，壩后特定斷面泥沙淤積面在前50年呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，且在該運行方式下泥沙淤積面高程超過斷面下陷地勢面，在后50年的運行調(diào)度下，泥沙淤積面逐漸降低至斷面下陷地勢面，逐漸與該地勢面融為一體。水庫按照方式2運行時，在該特征斷面處泥沙淤積面逐漸與斷面下陷地勢面融為一體，泥沙淤積特征面在運行期呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。對比2種不同運行方式，可以得出運行方式1下，泥沙更容易產(chǎn)生淤積。

圖2 壩后特定斷面泥沙淤積特征

3.3 庫容及預(yù)計量特征

分別計算不同運行方式下水庫的庫容特征值和淤積量特征，見表3。對比2種不同運行方式下各個特征水位及泥沙淤積參數(shù)，可以得出：水庫分別在方式1和方式2下運行50年時，方式1比方式2泥沙淤積增加了3233萬m3,由此說明運行方式1下泥沙淤積程度更為嚴(yán)重，導(dǎo)致水庫在方式1下運行時，水庫正常蓄水位以下泥沙淤積量增加2308萬m3，死水位以下泥沙淤積量增加14564萬m3，調(diào)節(jié)庫容泥沙淤積量增加12284萬m3，由此直接說明方式2對減少水庫泥沙淤積有明顯的促進作用。當(dāng)水庫在2種方式下運行100年時，此時2種運行方式下泥沙淤積程度相差不大，但是整體而言也表現(xiàn)為方式2淤積程度較方式1更小。由此進一步說明當(dāng)保持汛期低水位、非汛期高水位運行時，水庫淤積程度更小，更有利于水庫運行過程中排沙。

表3 2種運行方式的庫容與淤積量特征（104m3）

綜上所述，不同運行方式下水庫的泥沙淤積演化特征、泥沙淤積形態(tài)特征與水庫淤積程度均表現(xiàn)出明顯的差異性，對比運行方式1和運行方式2水庫泥沙淤積特征，認為汛期低水位、非汛期高水位更有有利于降低水庫泥沙淤積程度，增加水庫排沙能力，研究為該水系中水庫運行方式提供參考。

4.結(jié)論

（1）水庫運行前50年，在按照方式1進行水庫調(diào)度時，壩后泥沙淤積三角洲距離大壩距離較遠，頂端高程較大；按照方式2進行調(diào)度時，壩后泥沙淤積三角洲距離大壩較近，頂端高程較??；后50年，方式1和方式2泥沙淤積三角洲演化特征一致，泥沙淤積三角洲頂端逐漸向大壩靠近，頂端高程逐漸趨于水庫汛期低水位。

（2）方式1運行下，前50年泥沙淤積面逐漸上升，最高面超過特征斷面地勢面，后50年泥沙淤積面逐漸降低，最后趨于該斷面地勢面；方式2運行下，泥沙淤積面逐漸上升至該斷面地勢面。

（3）水庫運行前50年，方式1淤積程度較方式2更為明顯，水庫運行后50年時，2水庫淤積程度逐漸趨于一致；水庫按照方式2調(diào)度運行時，水庫淤積程度小，排沙能力強。