郭榮福，梁幸福，朱浩天，袁 野

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

復(fù)雜多變的泥沙輸移運動是導(dǎo)致水庫淤積的主要原因[1]。泥沙淤積使水庫庫容減小，使用年限逐漸縮短[4]，阻礙水庫發(fā)揮調(diào)節(jié)水的流功能[3]，影響水庫興利作用的發(fā)揮。我國是世界水庫年淤損率最高的國家，遠高于世界平均水平[2]，研究水庫泥沙淤積是建設(shè)大型水庫非常重要的課題。為保證水庫的安全運行和水資源利用的可持續(xù)性，研究庫區(qū)泥沙淤積規(guī)律和水庫淤積形態(tài)，結(jié)合水庫興利任務(wù)制定合理的泥沙調(diào)度運行方式具有及其重要的意義[5]。

與普通狹窄河道相比，水庫內(nèi)水深較大，流速比較小，導(dǎo)致匯入水庫的水流挾沙能力相對有所降低，使水庫產(chǎn)生一定的泥沙淤積。為研究水庫內(nèi)泥沙復(fù)雜運動及其沉積，大量學(xué)者進行了研究。高學(xué)平等[6]提出了一種同時復(fù)演多種形式泥沙運動的全沙模型試驗設(shè)計方法，通過該方法獲得的試驗成果可較好地反映泥沙運動規(guī)律。何錄合等[7]利用泥沙淤積資料，對庫容損失的程度進行了計算，預(yù)估了死庫容淤廢年限。周赤建等[8]以紅山水庫的泥沙資料為依據(jù)，對庫區(qū)淤積特征進行了論述，提出了水庫淤積趨勢。朱小凱等[9]對比了庫區(qū)來水輸沙率與淤積測量情況，針對泥沙淤積形態(tài)，提出具體措施以減輕淤積。閆濤等[10]采用模型試驗方法，研究了在不同因素影響下庫區(qū)交匯河段的水動力特性與泥沙游積分布規(guī)律，提出了減少庫區(qū)交匯河段游積的方法。許全喜等[11]對三峽水庫某段主流河道的沖淤規(guī)律開展研究，結(jié)果顯示實測成果與預(yù)測情況基本吻合。胡江等[12]依托三峽水庫實測資料，得出三峽水庫的主流河道庫內(nèi)淤積平面分布不連續(xù)的結(jié)論，并指出斷面平均流速與水深之間的經(jīng)驗公式。牛形山水庫淤積試驗課題組[13]通過研究產(chǎn)沙、泥沙輸移、淤積等，揭示泥沙淤積機理，指出水庫淤積符合縱向帶狀淤積，橫向沿濕周淤積的河道型水庫特點和規(guī)律，并為水庫治理延長水庫壽命提出建議。

淤積形態(tài)是淤積分布情況的反映。湖泊型水庫，如官廳水庫淤積等[14]，庫容較大，來沙粒徑大，水庫水位較高且相對平穩(wěn)，呈現(xiàn)壅水高、回水長的特點，導(dǎo)致淤積發(fā)展為三角洲狀貌。Vetter，C.P.[15]由實際資料對米德湖水庫及其下游柯羅拉多河的淤積現(xiàn)象進行了較為詳細的描述。韓其為[16- 17]以非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙理論論證了淤積三角洲的發(fā)展趨向性，解釋了三角洲推進的定量方程及其形成的條件，并提出了理論根據(jù)和理論表達式。王婷等[18]分析了庫內(nèi)淤積狀貌對水沙輸移的影響，提出三角洲淤積在水庫減淤排沙等方面優(yōu)勢明顯。經(jīng)過多年探索研究，泥沙運動理論、淤積形態(tài)等研究已經(jīng)相對成熟，但對于大型水庫，仍需采用模型試驗等方法對泥沙淤積進行研究，以期得到較為適合的水庫運行方式，同時最大程度上滿足水庫減於排沙的要求。

因此，本文針對泥沙問題較為嚴重的阿爾塔什水庫，采用變態(tài)模型進行了泥沙物理模型設(shè)計，開展庫內(nèi)泥沙淤積演變的過程、淤積形態(tài)以及淤積量等試驗研究。

1 研究背景

阿爾塔什水庫是具有控制作用的水利樞紐，屬多沙水庫，其運行正常蓄水位為1820m，相應(yīng)庫容達21.29億m3，正常蓄水位與死水位相差50m，死水位1770m，死庫容為8.69億m3，庫區(qū)河床落差與其長度之比為4.04‰。水庫的多年平均入庫輸沙量較大，懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙量以質(zhì)量計分別為2993萬t和385萬t；以體積計分別為2302萬m3和172萬m3。按照規(guī)范要求，屬于泥沙問題嚴重的水庫[19]。因此，為探索庫內(nèi)泥沙淤積演變特征，探明其泥沙淤積規(guī)律，本文以物理模型試驗的方法開展試驗研究，并根據(jù)水庫的特性結(jié)合其興利等任務(wù)，提出水庫合理運行方式。

阿爾塔什水庫共有2個深孔排沙洞，1#布置于水庫右岸，2#布置于水庫左岸泄洪洞的右側(cè)，如圖1所示。阿爾塔什水庫設(shè)定運行100年的目標，庫水位在每年4月份由正常蓄水位逐漸下降，到達汛期的6—7月份時，維持排沙水位1770m恒定；待汛期過后，即8月份左右進行蓄水，庫水位逐漸上升，直到正常蓄水位，并維持恒定水位直到第二年3月。

圖1 水庫樞紐布置圖

2 模型設(shè)計與試驗方法

2.1 模型設(shè)計

依照SL 99—2012《河工模型試驗規(guī)程》[20]和泥沙試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計的基本要求，本試驗采用變態(tài)模型，保證水流運動相似與泥沙運動相似。

2.1.1模型比尺及模型沙選擇

綜合考慮試驗內(nèi)容及場地條件，計算對比模型比尺后，最終選擇水平和垂向比尺分別為λL=500和λH=100，變率取e=5。

2.1.2懸移質(zhì)泥沙設(shè)計

(1)沉降相似

根據(jù)竇國仁提出的懸移質(zhì)輸移方程[21]計算得到沉降相似比尺λω=2。沉降速度ωp通過原型沙級配推求。圖2為懸移質(zhì)原型沙與模型沙的粒徑級配，其計算參考《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》[22]中沉降速度計算公式。模型沙D50=0.0676mm。因此，粒徑比尺：

圖2 懸移質(zhì)泥沙粒徑級配

(2)挾沙能力相似

根據(jù)竇國仁懸移質(zhì)挾沙能力公式[21]計算得到挾沙能力比尺:

(3)揚動流速相似

揚動流速比尺應(yīng)該滿足λVf=λV。原型沙的揚動流速使用竇國仁提出的揚動流速公式[21]計算得出。揚動流速比尺λVf稍大于流速比尺λV=10，表1為揚動流速的比尺計算結(jié)果。

表1 揚動流速的比尺

(4)沖淤時間相似

2.1.3推移質(zhì)泥沙設(shè)計

阿爾塔什水庫的河床質(zhì)包括卵石、礫石和粗沙等，含量分別為72.2%、6.5%和4.0%。由于庫內(nèi)推移質(zhì)泥沙粒徑相對較大，因此模型設(shè)計需要保證達到起動流速相似要求。

(1)起動流速相似

起動流速的比尺須滿足λVK=λV。通過竇國仁提出的起動流速公式[21]得到原型沙的起動流速。推移質(zhì)模型沙粒徑D50=5.3mm，粒徑比尺λD=82/5.3=15.47，起動流速比尺λVf≈10，滿足λVk=λV的要求。圖3為推移質(zhì)原型沙與模型沙的泥沙級配。

圖3 推移質(zhì)泥沙級配

(2)輸沙量相似

(3)沖淤時間相似

由于上述計算所得的懸移質(zhì)、推移質(zhì)沖淤時間比尺分別為λt1=261和λt2=280.9，基本相差不大。且由于水庫中懸移質(zhì)泥沙的占比相對較大，因此確定時間比尺λt1=261。表2為泥沙模型各物理量比尺。

表2 泥沙模型比尺

2.2 模型制作與試驗方法

2.2.1模型制作

基于上述泥沙模型設(shè)計，建立了泥沙物理模型進行試驗，圖4為庫區(qū)泥沙模型布置圖，圖5為泥沙試驗全景圖。

圖4 庫區(qū)泥沙模型布置圖

圖5 泥沙試驗全景圖

試驗?zāi)M了壩址至回水末端的全部庫區(qū)，并將庫區(qū)邊界設(shè)置在回水末端以外約7km處。試驗平臺長、寬、高分別為75、40、3m，模型河道長度為110m，整個平臺是一個完整的水循環(huán)系統(tǒng)，模型上游的渾水池和清水池提供挾沙水流，挾沙水流流經(jīng)庫區(qū)，沙子在水流帶動下逐漸形成淤積形態(tài)，而水流最終通過排沙洞等流入模型下游的沉沙池，完成整個循環(huán)過程。

2.2.2模型驗證及試驗方法

試驗?zāi)Ｐ筒诼实尿炞C，即典型水文站5、20、50年一遇洪水流量下實測的水位資料與試驗值保持一致。通過概化水沙系列，保證水量和沙量的總量恒定，水流位于水力平方區(qū)，滿足模型雷諾數(shù)，且模型最小水深滿足河工模型試驗規(guī)程[22]要求。

本次試驗?zāi)M水庫運行的時長為100年。在試驗過程中，每10年進行一次測量，并用攝像頭堆積體表面及泥沙沉積發(fā)展情況。為便于分析，圖6給出了庫區(qū)斷面位置。

圖6 庫區(qū)斷面位置

3 試驗成果及分析

試驗中多次對淤積地形進行量測，時間間隔為10年。下面分別給出淤積演變過程、淤積形態(tài)和庫容變化數(shù)據(jù)，繪制淤積斷面圖及庫容變化曲線，以分析淤積發(fā)展的規(guī)律。

3.1 淤積演變過程和淤積形態(tài)

圖7給出了泥沙的淤積縱剖面圖。圖8給出了泥沙的淤積橫斷面圖。

圖7 水庫淤積縱剖面圖

圖8 淤積橫斷面圖

在運行的初始階段，淤積主要發(fā)生在水庫內(nèi)部，水庫淤積不斷向攔河壩壩前發(fā)展，形成三角洲式的淤積形態(tài)；運行時間的不斷增加，水庫淤積三角洲頂端與攔河壩的距離不斷減小，例如，水庫運行第10年時，頂端距離攔河壩約17km處，即斷面CS17-CS16之間；運行第50年時，距離攔河壩約6.0km，即CS7斷面處；運行第80年時，距離攔河壩約2.7km，即斷面CS5-CS4之間；運行第100年時，距離攔河壩約1.0km，即斷面CS4-CS3之間。

水庫運行100年過程中，在汛期的6—7月，維持排沙水位(1770m)不變，此時水深較淺，淤積量相對較少。分別以距離攔河壩41.9km處的斷面CS 33、40.7km處的斷面CS 32、39.7km處的斷面CS 31作為監(jiān)測位置，運行的第10年，最低泥沙淤積高程分別為1828.5、1820.4、1817.3m，庫尾泥沙淤積厚度2.0～2.3m。水庫運行第50年，最低泥沙淤積高程分別為1828.9、1820.6、1817.5m，庫尾泥沙淤積厚度2.3～2.6m。水庫運行第80年，最低泥沙淤積高程分別為1828.4、1820.0、1816.8m，淤積厚度1.7～2.0m。水庫運行第100年，最低泥沙淤積高程分別為1828.6、1820.2、1817.0m，庫尾淤積厚度2.0～2.2m。

彎道處，即距離攔河壩約16km(CS16-CS15)，其橫斷面的泥沙淤積形態(tài)如圖6(CS16、CS15)所示。下面對CS16-CS15斷面間淤積情況進行分析。對于CS16斷面：第10年，淤積三角洲狀貌逐漸明顯，此時，淤積三角洲的頂端位置尚未到達CS16斷面，左岸比右岸淤積情況嚴重；第20年，頂端位置在CS16與CS15斷面之間，淤積情況較為嚴重，淤積高程接近汛期排沙水位1770m；30年后，CS16斷面淤積情況更加嚴重，淤積高程隨水庫運行時長的增加而增加；50年后，淤積高程增長幅度有所減小，CS16斷面附近淤積形態(tài)逐漸穩(wěn)定，左側(cè)為主槽位置。對于CS15斷面：第10和第20年，產(chǎn)生輕微淤積；第30年，頂端在CS15與CS14斷面之間，淤積情況相對嚴重，淤積高程接近汛期排沙水位1770m；40年后，淤積高程隨水庫運行時長增長而增加，但淤積高程增長幅度有所降低，CS15斷面附近淤積形態(tài)逐漸穩(wěn)定，左側(cè)為主槽位置。

運行時長的不斷增加，使淤積三角洲的頂端位置逐漸接近攔河壩。當運行時長接近90年時，淤積三角洲的頂端距離攔河壩約1.6km，2個排沙洞口前均有較為嚴重的淤積情況，淤積高程均大于洞口底板高程。因此，在運行時長達到80年后，應(yīng)按期監(jiān)測排沙洞前的淤積情況。在非汛期時，若庫水位較高，可暫時啟用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤積而發(fā)生堵塞，導(dǎo)致閘門啟閉困難。汛期時，若庫水位維持在排沙水位，應(yīng)當較為頻繁地啟用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤積而發(fā)生堵塞，導(dǎo)致閘門啟閉困難。此外，若汛期庫水位維持在排沙水位，當洪水來臨，可暫時啟用2#排沙洞，待洪水經(jīng)過以后停止使用。

3.2 庫容變化

阿爾塔什水庫的正常蓄水位為1820m，庫容為212949萬m3，正常蓄水位與死水位之差為50m，即死水位為1770m，死庫容為86882萬m3，調(diào)節(jié)庫容為126067萬m3。

圖9為不同運行年限對應(yīng)的水庫庫容。在水庫運行100年過程中，隨著運行時長的增加，泥沙淤積情況日益嚴重，庫內(nèi)淤積量持續(xù)增加，導(dǎo)致剩余庫容不斷減少。

圖9 不同運行年限對應(yīng)的水庫庫容

最初10年運行時間，淤積量達到21234萬m3，正常蓄水位庫容降低到191844萬m3，減少了9.9%；剩余死庫容為74362萬m3，減少了14.4%；使得剩余調(diào)節(jié)庫容減少了6.8%，即117482萬m3。當運行時間達到50年時，淤積量達到97364萬m3，庫容明顯減少，正常蓄水位庫容115765萬m3，減少了45.6%；剩余死庫容為36719萬m3，減少了57.7%；使得剩余調(diào)節(jié)庫容減少了37.3%，即79046萬m3。當運行時間達到100年時，淤積量達到170242萬m3，庫容剩余較少，正常蓄水位庫容降低到42864萬m3，減少了79.8%；剩余死庫容僅為3272萬m3，減少了96.2%；剩余調(diào)節(jié)庫容減少了68.6%，僅剩39592萬m3。

4 結(jié)論與建議

本文通過泥沙物理模型試驗，按照阿爾塔什水庫運行方式，對其100年的運行過程進行模擬，得到了其淤積演變過程和庫容變化等，并對水庫提出合理運行建議。

(1)水庫淤積呈現(xiàn)三角洲狀貌，并不斷向攔河壩壩前發(fā)展。水庫運行50年與運行100年時，淤積三角洲頂端與攔河壩的距離分別為8.0km(CS7處)和1.0km(CS4-CS3處)。因此，在運行時長達到80年后，應(yīng)按期監(jiān)測排沙洞前的淤積情況。在非汛期時，若庫水位較高，可暫時啟用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤積而發(fā)生堵塞，導(dǎo)致閘門啟閉困難。在汛期時，若庫水位維持排沙水位，應(yīng)當頻繁啟用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤積而發(fā)生堵塞，導(dǎo)致閘門啟閉困難。此外，在汛期時，若庫水位維持在排沙水位，洪水來臨，可啟用2#排沙洞，待洪水經(jīng)過以后停止使用。

(2)水庫運行過程中，庫尾淤積厚度不斷增長。特別是在汛期時，維持排沙水位1770m，此時水深相對較淺，庫尾產(chǎn)生部分淤積。水庫運行第100年，庫尾泥沙淤積厚度范圍為2.0～2.2m。

(3)水庫運行過程中，庫內(nèi)淤積量持續(xù)增加，導(dǎo)致庫容不斷減少。當運行時間達到50年時，淤積量達到97364萬m3，庫容明顯減少，正常蓄水位庫容115765萬m3，減少了45.6%；剩余死庫容為36719萬m3，減少了57.7%；使得剩余調(diào)節(jié)庫容減少了37.3%，即79046萬m3。當運行時間達到100年時，淤積量達到170242萬m3，庫容剩余較少，正常蓄水位庫容降低到42864萬m3，減少了79.8%；剩余死庫容僅為3272萬m3，減少了96.2%；剩余調(diào)節(jié)庫容減少了68.6%，僅剩39592萬m3。

(4)泥沙淤積沿程演變情況與庫尾淤積高度等與汛期時攔河壩壩前水位緊密相關(guān)，汛期時，維持低水位運行對水庫的排沙減淤發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。