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(kāi)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(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致水庫(kù)淤積的主要原因[1]。泥沙淤積使水庫(kù)庫(kù)容減小，使用年限逐漸縮短[4]，阻礙水庫(kù)發(fā)揮調(diào)節(jié)水的流功能[3]，影響水庫(kù)興利作用的發(fā)揮。我國(guó)是世界水庫(kù)年淤損率最高的國(guó)家，遠(yuǎn)高于世界平均水平[2]，研究水庫(kù)泥沙淤積是建設(shè)大型水庫(kù)非常重要的課題。為保證水庫(kù)的安全運(yùn)行和水資源利用的可持續(xù)性，研究庫(kù)區(qū)泥沙淤積規(guī)律和水庫(kù)淤積形態(tài)，結(jié)合水庫(kù)興利任務(wù)制定合理的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式具有及其重要的意義[5]。

與普通狹窄河道相比，水庫(kù)內(nèi)水深較大，流速比較小，導(dǎo)致匯入水庫(kù)的水流挾沙能力相對(duì)有所降低，使水庫(kù)產(chǎn)生一定的泥沙淤積。為研究水庫(kù)內(nèi)泥沙復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及其沉積，大量學(xué)者進(jìn)行了研究。高學(xué)平等[6]提出了一種同時(shí)復(fù)演多種形式泥沙運(yùn)動(dòng)的全沙模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)該方法獲得的試驗(yàn)成果可較好地反映泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。何錄合等[7]利用泥沙淤積資料，對(duì)庫(kù)容損失的程度進(jìn)行了計(jì)算，預(yù)估了死庫(kù)容淤?gòu)U年限。周赤建等[8]以紅山水庫(kù)的泥沙資料為依據(jù)，對(duì)庫(kù)區(qū)淤積特征進(jìn)行了論述，提出了水庫(kù)淤積趨勢(shì)。朱小凱等[9]對(duì)比了庫(kù)區(qū)來(lái)水輸沙率與淤積測(cè)量情況，針對(duì)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(yàn)方法，研究了在不同因素影響下庫(kù)區(qū)交匯河段的水動(dòng)力特性與泥沙游積分布規(guī)律，提出了減少庫(kù)區(qū)交匯河段游積的方法。許全喜等[11]對(duì)三峽水庫(kù)某段主流河道的沖淤規(guī)律開(kāi)展研究，結(jié)果顯示實(shí)測(cè)成果與預(yù)測(cè)情況基本吻合。胡江等[12]依托三峽水庫(kù)實(shí)測(cè)資料，得出三峽水庫(kù)的主流河道庫(kù)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(yàn)公式。牛形山水庫(kù)淤積試驗(yàn)課題組[13]通過(guò)研究產(chǎn)沙、泥沙輸移、淤積等，揭示泥沙淤積機(jī)理，指出水庫(kù)淤積符合縱向帶狀淤積，橫向沿濕周淤積的河道型水庫(kù)特點(diǎn)和規(guī)律，并為水庫(kù)治理延長(zhǎng)水庫(kù)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(kù)，如官?gòu)d水庫(kù)淤積等[14]，庫(kù)容較大，來(lái)沙粒徑大，水庫(kù)水位較高且相對(duì)平穩(wěn)，呈現(xiàn)壅水高、回水長(zhǎng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致淤積發(fā)展為三角洲狀貌。Vetter，C.P.[15]由實(shí)際資料對(duì)米德湖水庫(kù)及其下游柯羅拉多河的淤積現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)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(jìn)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(dá)式。王婷等[18]分析了庫(kù)內(nèi)淤積狀貌對(duì)水沙輸移的影響，提出三角洲淤積在水庫(kù)減淤排沙等方面優(yōu)勢(shì)明顯。經(jīng)過(guò)多年探索研究，泥沙運(yùn)動(dòng)理論、淤積形態(tài)等研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于大型水庫(kù)，仍需采用模型試驗(yàn)等方法對(duì)泥沙淤積進(jìn)行研究，以期得到較為適合的水庫(kù)運(yùn)行方式，同時(shí)最大程度上滿(mǎn)足水庫(kù)減於排沙的要求。

因此，本文針對(duì)泥沙問(wèn)題較為嚴(yán)重的阿爾塔什水庫(kù)，采用變態(tài)模型進(jìn)行了泥沙物理模型設(shè)計(jì)，開(kāi)展庫(kù)內(nèi)泥沙淤積演變的過(guò)程、淤積形態(tài)以及淤積量等試驗(yàn)研究。

1 研究背景

阿爾塔什水庫(kù)是具有控制作用的水利樞紐，屬多沙水庫(kù)，其運(yùn)行正常蓄水位為1820m，相應(yīng)庫(kù)容達(dá)21.29億m3，正常蓄水位與死水位相差50m，死水位1770m，死庫(kù)容為8.69億m3，庫(kù)區(qū)河床落差與其長(zhǎng)度之比為4.04‰。水庫(kù)的多年平均入庫(kù)輸沙量較大，懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙量以質(zhì)量計(jì)分別為2993萬(wàn)t和385萬(wàn)t；以體積計(jì)分別為2302萬(wàn)m3和172萬(wàn)m3。按照規(guī)范要求，屬于泥沙問(wèn)題嚴(yán)重的水庫(kù)[19]。因此，為探索庫(kù)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(yàn)的方法開(kāi)展試驗(yàn)研究，并根據(jù)水庫(kù)的特性結(jié)合其興利等任務(wù)，提出水庫(kù)合理運(yùn)行方式。

阿爾塔什水庫(kù)共有2個(gè)深孔排沙洞，1#布置于水庫(kù)右岸，2#布置于水庫(kù)左岸泄洪洞的右側(cè)，如圖1所示。阿爾塔什水庫(kù)設(shè)定運(yùn)行100年的目標(biāo)，庫(kù)水位在每年4月份由正常蓄水位逐漸下降，到達(dá)汛期的6—7月份時(shí)，維持排沙水位1770m恒定；待汛期過(guò)后，即8月份左右進(jìn)行蓄水，庫(kù)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(kù)樞紐布置圖

2 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

2.1 模型設(shè)計(jì)

依照SL 99—2012《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》[20]和泥沙試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的基本要求，本試驗(yàn)采用變態(tài)模型，保證水流運(yùn)動(dòng)相似與泥沙運(yùn)動(dòng)相似。

2.1.1模型比尺及模型沙選擇

綜合考慮試驗(yàn)內(nèi)容及場(chǎng)地條件，計(jì)算對(duì)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(jì)

(1)沉降相似

根據(jù)竇國(guó)仁提出的懸移質(zhì)輸移方程[21]計(jì)算得到沉降相似比尺λω=2。沉降速度ωp通過(guò)原型沙級(jí)配推求。圖2為懸移質(zhì)原型沙與模型沙的粒徑級(jí)配，其計(jì)算參考《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》[22]中沉降速度計(jì)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(jí)配

(2)挾沙能力相似

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

(3)揚(yáng)動(dòng)流速相似

揚(yáng)動(dòng)流速比尺應(yīng)該滿(mǎn)足λVf=λV。原型沙的揚(yáng)動(dòng)流速使用竇國(guó)仁提出的揚(yáng)動(dòng)流速公式[21]計(jì)算得出。揚(yáng)動(dòng)流速比尺λVf稍大于流速比尺λV=10，表1為揚(yáng)動(dòng)流速的比尺計(jì)算結(jié)果。

表1 揚(yáng)動(dòng)流速的比尺

(4)沖淤時(shí)間相似

2.1.3推移質(zhì)泥沙設(shè)計(jì)

阿爾塔什水庫(kù)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(kù)內(nèi)推移質(zhì)泥沙粒徑相對(duì)較大，因此模型設(shè)計(jì)需要保證達(dá)到起動(dòng)流速相似要求。

(1)起動(dòng)流速相似

起動(dòng)流速的比尺須滿(mǎn)足λVK=λV。通過(guò)竇國(guó)仁提出的起動(dòng)流速公式[21]得到原型沙的起動(dòng)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(dòng)流速比尺λVf≈10，滿(mǎn)足λVk=λV的要求。圖3為推移質(zhì)原型沙與模型沙的泥沙級(jí)配。

圖3 推移質(zhì)泥沙級(jí)配

(2)輸沙量相似

(3)沖淤時(shí)間相似

由于上述計(jì)算所得的懸移質(zhì)、推移質(zhì)沖淤時(shí)間比尺分別為λt1=261和λt2=280.9，基本相差不大。且由于水庫(kù)中懸移質(zhì)泥沙的占比相對(duì)較大，因此確定時(shí)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(yàn)方法

2.2.1模型制作

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

圖4 庫(kù)區(qū)泥沙模型布置圖

圖5 泥沙試驗(yàn)全景圖

試驗(yàn)?zāi)M了壩址至回水末端的全部庫(kù)區(qū)，并將庫(kù)區(qū)邊界設(shè)置在回水末端以外約7km處。試驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)、寬、高分別為75、40、3m，模型河道長(zhǎng)度為110m，整個(gè)平臺(tái)是一個(gè)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(kù)區(qū)，沙子在水流帶動(dòng)下逐漸形成淤積形態(tài)，而水流最終通過(guò)排沙洞等流入模型下游的沉沙池，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

2.2.2模型驗(yàn)證及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒诼实尿?yàn)證，即典型水文站5、20、50年一遇洪水流量下實(shí)測(cè)的水位資料與試驗(yàn)值保持一致。通過(guò)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(mǎn)足模型雷諾數(shù)，且模型最小水深滿(mǎn)足河工模型試驗(yàn)規(guī)程[22]要求。

本次試驗(yàn)?zāi)M水庫(kù)運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)為100年。在試驗(yàn)過(guò)程中，每10年進(jìn)行一次測(cè)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(kù)區(qū)斷面位置。

圖6 庫(kù)區(qū)斷面位置

3 試驗(yàn)成果及分析

試驗(yàn)中多次對(duì)淤積地形進(jìn)行量測(cè)，時(shí)間間隔為10年。下面分別給出淤積演變過(guò)程、淤積形態(tài)和庫(kù)容變化數(shù)據(jù)，繪制淤積斷面圖及庫(kù)容變化曲線，以分析淤積發(fā)展的規(guī)律。

3.1 淤積演變過(guò)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(kù)淤積縱剖面圖

圖8 淤積橫斷面圖

在運(yùn)行的初始階段，淤積主要發(fā)生在水庫(kù)內(nèi)部，水庫(kù)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(yùn)行時(shí)間的不斷增加，水庫(kù)淤積三角洲頂端與攔河壩的距離不斷減小，例如，水庫(kù)運(yùn)行第10年時(shí)，頂端距離攔河壩約17km處，即斷面CS17-CS16之間；運(yùn)行第50年時(shí)，距離攔河壩約6.0km，即CS7斷面處；運(yùn)行第80年時(shí)，距離攔河壩約2.7km，即斷面CS5-CS4之間；運(yùn)行第100年時(shí)，距離攔河壩約1.0km，即斷面CS4-CS3之間。

水庫(kù)運(yùn)行100年過(guò)程中，在汛期的6—7月，維持排沙水位(1770m)不變，此時(shí)水深較淺，淤積量相對(duì)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(cè)位置，運(yùn)行的第10年，最低泥沙淤積高程分別為1828.5、1820.4、1817.3m，庫(kù)尾泥沙淤積厚度2.0～2.3m。水庫(kù)運(yùn)行第50年，最低泥沙淤積高程分別為1828.9、1820.6、1817.5m，庫(kù)尾泥沙淤積厚度2.3～2.6m。水庫(kù)運(yùn)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(kù)運(yùn)行第100年，最低泥沙淤積高程分別為1828.6、1820.2、1817.0m，庫(kù)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(duì)CS16-CS15斷面間淤積情況進(jìn)行分析。對(duì)于CS16斷面：第10年，淤積三角洲狀貌逐漸明顯，此時(shí)，淤積三角洲的頂端位置尚未到達(dá)CS16斷面，左岸比右岸淤積情況嚴(yán)重；第20年，頂端位置在CS16與CS15斷面之間，淤積情況較為嚴(yán)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(yán)重，淤積高程隨水庫(kù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加而增加；50年后，淤積高程增長(zhǎng)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(duì)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(duì)嚴(yán)重，淤積高程接近汛期排沙水位1770m；40年后，淤積高程隨水庫(kù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)而增加，但淤積高程增長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的不斷增加，使淤積三角洲的頂端位置逐漸接近攔河壩。當(dāng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)接近90年時(shí)，淤積三角洲的頂端距離攔河壩約1.6km，2個(gè)排沙洞口前均有較為嚴(yán)重的淤積情況，淤積高程均大于洞口底板高程。因此，在運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)到80年后，應(yīng)按期監(jiān)測(cè)排沙洞前的淤積情況。在非汛期時(shí)，若庫(kù)水位較高，可暫時(shí)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(mén)啟閉困難。汛期時(shí)，若庫(kù)水位維持在排沙水位，應(yīng)當(dāng)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(mén)啟閉困難。此外，若汛期庫(kù)水位維持在排沙水位，當(dāng)洪水來(lái)臨，可暫時(shí)啟用2#排沙洞，待洪水經(jīng)過(guò)以后停止使用。

3.2 庫(kù)容變化

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

圖9為不同運(yùn)行年限對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容。在水庫(kù)運(yùn)行100年過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加，泥沙淤積情況日益嚴(yán)重，庫(kù)內(nèi)淤積量持續(xù)增加，導(dǎo)致剩余庫(kù)容不斷減少。

圖9 不同運(yùn)行年限對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容

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

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)泥沙物理模型試驗(yàn)，按照阿爾塔什水庫(kù)運(yùn)行方式，對(duì)其100年的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬，得到了其淤積演變過(guò)程和庫(kù)容變化等，并對(duì)水庫(kù)提出合理運(yùn)行建議。

(1)水庫(kù)淤積呈現(xiàn)三角洲狀貌，并不斷向攔河壩壩前發(fā)展。水庫(kù)運(yùn)行50年與運(yùn)行100年時(shí)，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(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)到80年后，應(yīng)按期監(jiān)測(cè)排沙洞前的淤積情況。在非汛期時(shí)，若庫(kù)水位較高，可暫時(shí)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(mén)啟閉困難。在汛期時(shí)，若庫(kù)水位維持排沙水位，應(yīng)當(dāng)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(mén)啟閉困難。此外，在汛期時(shí)，若庫(kù)水位維持在排沙水位，洪水來(lái)臨，可啟用2#排沙洞，待洪水經(jīng)過(guò)以后停止使用。

(2)水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，庫(kù)尾淤積厚度不斷增長(zhǎng)。特別是在汛期時(shí)，維持排沙水位1770m，此時(shí)水深相對(duì)較淺，庫(kù)尾產(chǎn)生部分淤積。水庫(kù)運(yùn)行第100年，庫(kù)尾泥沙淤積厚度范圍為2.0～2.2m。

(3)水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，庫(kù)內(nèi)淤積量持續(xù)增加，導(dǎo)致庫(kù)容不斷減少。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到50年時(shí)，淤積量達(dá)到97364萬(wàn)m3，庫(kù)容明顯減少，正常蓄水位庫(kù)容115765萬(wàn)m3，減少了45.6%；剩余死庫(kù)容為36719萬(wàn)m3，減少了57.7%；使得剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容減少了37.3%，即79046萬(wàn)m3。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到100年時(shí)，淤積量達(dá)到170242萬(wàn)m3，庫(kù)容剩余較少，正常蓄水位庫(kù)容降低到42864萬(wàn)m3，減少了79.8%；剩余死庫(kù)容僅為3272萬(wàn)m3，減少了96.2%；剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容減少了68.6%，僅剩39592萬(wàn)m3。

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