楊 超

（貴州新中水工程有限公司,貴州 興義 562400）

1 工程概況

官山水庫位于貴州省安龍縣龍山鎮(zhèn)丫科村境內(nèi),大壩建在丫科小河上,工程樞紐距離丫科村1km,距離龍山鎮(zhèn)約10 km,距離安龍縣城約35 km。水庫所在的丫科小河屬珠江流域北盤江的二級支流,大田河的一級支流。丫科小河發(fā)源于龍山鎮(zhèn)巧嶺村后山的納磨附近,河源高程1456.5 m,河流總體為西北至東南流向,流經(jīng)巧嶺、丫科、拉坡等村,在拉坡村海子處進(jìn)入落水洞后匯入大田河,落水洞海拔高程為1005 m。丫科小河伏流口以上流域33.5 km2,主河道長11.5 km,主河道平均比降為26.3‰。官山水庫壩址以上集水面積為13.1 km2,主河道長6.7 km,主河道加權(quán)平均比降8.9‰。水庫所在流域參數(shù)特征值見表1。

表1 流域參數(shù)特征值表

官山水庫的主要工程任務(wù)為解決安龍縣龍山鎮(zhèn)、篤山鎮(zhèn)總?cè)丝?8810 人（其中集鎮(zhèn)人口8878 人,農(nóng)村人口9932 人）的飲水問題和9308 畝（其中水田7685 畝,旱地1623 畝）灌溉用水問題。大壩壩型為C15 自密實(shí)混凝土堆石重力壩,壩頂高程1213.2 m,最大壩高24.6 m,壩頂寬度5.0 m,水庫總庫容446.0 萬m3,水庫正常蓄水位1211.5 m,正常蓄水位對應(yīng)庫容350.8 萬m3,死水位1203.5 m,死庫容37.8 萬m3,興利庫容313 萬m3,設(shè)計(jì)年供水量443.1 萬m3。

2 設(shè)計(jì)入庫泥沙

2.1 入庫水沙特征

官山水庫泥沙主要來源于暴雨對坡面的侵蝕,以及洪水對河床的沖刷。丫科小河屬典型的山區(qū)雨源性河流,洪水均由暴雨產(chǎn)生,具有陡漲陡落,峰量集中、漲峰歷時(shí)短等山區(qū)性河流的特點(diǎn)。暴雨天氣主要出現(xiàn)在5 月～9 月,也有少數(shù)年份出現(xiàn)在10 月。由于流域面積小,河床比降大,洪水匯流時(shí)間短,一般從洪水發(fā)生至洪峰形成只有2～3 小時(shí),且洪水陡漲陡落。

丫科小河流域無河流泥沙資料。水庫所在的流域內(nèi)開墾度一般,流域內(nèi)地勢較陡,但坡面農(nóng)墾度一般,水土流失一般。由于無泥沙資料,其河流泥沙情況參照《貴州省懸移質(zhì)多年平均年侵蝕模數(shù)分區(qū)圖》進(jìn)行分析與計(jì)算。從圖中可以看出,設(shè)計(jì)流域年輸沙模數(shù)在G=200 t/km2～500 t/km2之間；從對工程位置及流域的現(xiàn)場查勘情況看,河流懸移質(zhì)不算嚴(yán)重,河道堆積物主要是推移質(zhì)。結(jié)合同類工程綜合分析,取懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為350 t/km2,推移質(zhì)按懸移質(zhì)的20%取值。通過計(jì)算,官山水庫壩址多年平均年輸沙量0.5502 萬t,其中懸移質(zhì)0.4585 萬t,推移質(zhì)0.0917 萬t,泥沙容重取1.3 t/m3,多年平均含沙量0.57 kg/m3。

2.2 水庫泥沙淤積形態(tài)及淤積量

2.2.1 官山水庫縱向淤積形態(tài)分析判別

水庫淤積形態(tài)跟入庫水沙條件、水庫地形及壩前水位變化等因素有關(guān),水庫的縱向淤積形態(tài)有三角洲淤積、帶狀淤積和椎體淤積三種基本形態(tài)。根據(jù)官山水庫的實(shí)際情況,采用清華大學(xué)水利系及西北水利科學(xué)研究院的判別系數(shù)法公式進(jìn)行淤積形態(tài)判別,判別公式為：

式中：V 為時(shí)段平均庫容,m3,設(shè)計(jì)時(shí)采用正常蓄水位以下庫容；WS為時(shí)段平均入庫沙量,m3,設(shè)計(jì)時(shí)以50年入庫沙量計(jì)；J0為原河道比降,以萬分率計(jì)。

當(dāng)α′ ＜2.2 為錐體淤積；當(dāng)α′ ＞2.2 為三角洲淤積或帶狀淤積。

官山水庫V=350.8 萬m3,WS=20.5 萬m3,J0=8.9‰,經(jīng)計(jì)算α′ =0.19＜2.2,則判別官山水庫理論的泥沙淤積形態(tài)為椎體淤積,因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)泥沙按椎體淤積形態(tài)分布進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 泥沙淤積量計(jì)算

根據(jù)泥沙分析與計(jì)算成果,泥沙容重取1.3t/m3。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）,官山水庫為Ⅳ等?。?）型水庫,根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 654-2014）,官山水庫合理使用年限為50年,因此,本次設(shè)計(jì)泥沙淤積按50年計(jì)算,采用多年平均排沙比法確定水庫泥沙淤積量,其計(jì)算公式如下：

式中：V沙為水庫泥沙T年淤積庫容,萬m3；1-η 為水庫攔沙率,1-η=0.98；G 為多年平均輸沙模數(shù),t/km2；F 為集水面積,km2；T 為泥沙淤積年限,年；γs為泥沙容重,t/m3；Ψ 為推懸比,取0.2。

根據(jù)水庫徑流成果資料,結(jié)合《泥沙設(shè)計(jì)手冊》[4]中“攔沙率”經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線圖進(jìn)行泥沙淤積計(jì)算。通過計(jì)算水庫運(yùn)行50年的水平淤積高程為1202.18 m,壩前淤積高程為1199.79 m[1]。官山水庫各運(yùn)行年限泥沙淤積計(jì)算成果見表2。

表2 官山水庫各運(yùn)行年限泥沙淤積計(jì)算成果表

3 水庫運(yùn)行管理中的減淤措施

3.1 水庫泥沙淤積的危害

水庫內(nèi)的泥沙淤積問題一直都是水庫建設(shè)及運(yùn)行管理中的難題。水庫的修建勢必會對天然河流的水力、泥沙條件與河床邊界的相對平衡造成一定破壞,使河流的水沙條件與河床形態(tài)重新調(diào)整形成新的相對平衡。水庫下閘蓄水后庫水位上升,流速降低,水流的挾沙能力顯著下降,泥沙淤積在庫區(qū)內(nèi),同時(shí)壩下游河段將進(jìn)行再造床調(diào)整[1]。因此水庫泥沙淤積問題的處理將會影響水庫的有效庫容、使用壽命及興利調(diào)節(jié),從而影響水庫的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 水庫的減淤措施

水庫匯水區(qū)內(nèi)的來沙量與庫區(qū)內(nèi)的泥沙淤積量成正比,匯水區(qū)內(nèi)的來沙量越多,庫內(nèi)的泥沙淤積就越多。水庫蓄水后泥沙淤積問題是必須要考慮的問題,國內(nèi)外目前解決泥沙淤積的主要措施有：上游攔截、異重流排沙、滯洪排沙、基流排沙、機(jī)械清淤等措施[2]。官山水庫泥沙主要來源于暴雨對坡面的侵蝕,以及洪水對河床的沖刷。根據(jù)上述的減淤措施結(jié)合官山水庫的來沙特點(diǎn),官山水庫的減淤措施可歸納為“擋”和“排”兩方面。

3.2.1 “擋”

“擋”就是通過工程措施或非工程措施把泥沙擋在庫外,從而達(dá)到減緩泥沙淤積的效果。加強(qiáng)官山水庫流域內(nèi)的水土保持工作無疑是水庫減淤措施的一條根本途徑,但官山水庫流域面積小,流域內(nèi)耕地較多,水土保持工作是一項(xiàng)長期而艱辛的工作,應(yīng)加強(qiáng)水庫流域水土保持規(guī)劃,分期分批進(jìn)行治理,對水庫流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重、侵蝕模數(shù)大的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先治理。提高水庫流域區(qū)內(nèi)的植被覆蓋率和土壤的抗蝕能力,改善水庫流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,能有效減少進(jìn)入庫區(qū)的泥沙量。在治理措施上要以非工程措施和工程措施相結(jié)合,對流域內(nèi)坡陡、侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域要實(shí)施禁牧、禁耕及封山育林等措施；對于流域內(nèi)的來沙可采用流域攔沙和河道內(nèi)攔沙,其中流域攔沙就是在降低流域內(nèi)水土流失的同時(shí)加強(qiáng)各支溝的綜合防治措施,即各支溝小流域的攔、蓄、排相結(jié)合的坡面、溝渠工程的防治措施,從而減少各支溝小流域的來沙量；河道內(nèi)攔沙就是在水庫上游河道內(nèi)修建相應(yīng)的攔沙設(shè)施,降低水中含沙量,從而減少入庫泥沙量,是減少水庫泥沙淤積量的最直接的辦法。針對官山水庫可以在水庫上游比降較為平緩的河段修建攔沙設(shè)施,對洪水中的推移質(zhì)進(jìn)行攔截,降低入庫的泥沙量,從而減緩庫區(qū)泥沙的淤積速度,保證水庫正常的興利調(diào)節(jié)。

3.2.2 “排”

“排”就是泥沙進(jìn)入水庫后通過一系列措施將其排出庫外,從而達(dá)到減淤效果。根據(jù)官山水庫的徑流特征及來沙特性,官山水庫排沙可采用異重流排沙、滯洪排沙、基流排沙及機(jī)械清淤等措施。

（1）異重流排沙

根據(jù)官山水庫的實(shí)際情況,丫科小河汛期徑流量占全年徑流量的84.7%,枯水期徑流量占全年徑流量的15.3%,河流的徑流量及來沙量高度集中于汛期,汛期洪水?dāng)y帶大量的泥沙,利用庫內(nèi)清水的比重小于入庫洪水的比重大,使入庫洪水潛入庫底向前壩前移動(dòng)的異重流,及時(shí)打開沖沙底孔閘門,將挾沙量高的異重流順著沖沙底孔排出,實(shí)現(xiàn)蓄清排渾,減少了庫內(nèi)的泥沙淤積,從而達(dá)到排沙清淤的效果。

（2）滯洪排沙

由于丫科小河屬典型的山區(qū)雨源性河流,洪水具有陡漲陡落,峰量集中、漲峰歷時(shí)短等山區(qū)性河流的特點(diǎn)?？稍谘雌趯⑺畮斓臎_沙底孔閘門打開,讓水庫保持低水位或空庫迎接洪水,當(dāng)入庫洪水流量大于出庫流量時(shí)便會在庫內(nèi)形成滯洪壅水,入庫洪水的流速在庫內(nèi)突然降低時(shí),部分粗顆粒的泥沙便會沉積在庫內(nèi),細(xì)小顆粒的泥沙便會隨水流從沖沙底孔排出。汛期受洪水沖刷沙量集中,此時(shí)利用滯洪排沙能有較好的排沙效果。

（3）基流排沙

官山水庫多年平均徑流量為0.255 m3/s,徑流量較大,可將水庫放空后,沖沙底孔閘門繼續(xù)保持打開狀態(tài),讓含沙量不飽和的徑流沖刷主河槽,帶走淤積在主河槽內(nèi)的部分泥沙,以達(dá)到清淤的效果。

（4）機(jī)械清淤

官山水庫屬于?。?）型水庫,可采用挖泥船和吸泥泵等清淤裝置將水庫中的淤沙直接挖除排出,以達(dá)到減淤的目的。

以上的各種排沙措施均可根據(jù)官山水庫今后的運(yùn)用管理方式具體選用,因?yàn)樗畮炫派呈强克鞅旧淼妮斏衬芰o以排沙設(shè)施來實(shí)現(xiàn)的,而水流的輸沙能力與水庫的水流條件有關(guān),水流條件顯然受水庫運(yùn)行方式的影響[3]。

4 結(jié)論

水庫建設(shè)及運(yùn)行管理中的泥沙淤積問題是一項(xiàng)需要長期進(jìn)行研究解決的技術(shù)問題,水庫泥沙淤積關(guān)系到水庫的使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮及安全運(yùn)行。官山水庫在以后的運(yùn)行管理中應(yīng)根據(jù)水庫的主要工程任務(wù)、洪水及攜沙特性、庫內(nèi)沖淤規(guī)律及庫區(qū)地形特征等因素因地制宜、因時(shí)制宜的合理選擇清淤方式,才能處理好庫內(nèi)泥沙淤積問題,充分發(fā)揮水庫的經(jīng)濟(jì)效益。