泥沙沉積管理的創(chuàng)新性進(jìn)展

［瑞士］ G.德賽薩爾等

1 泥沙沉積

1.1 水庫(kù)泥沙沉積

泥沙沉積是全世界水庫(kù)的一項(xiàng)最重要的課題。在較深的大型水庫(kù)中，泥沙沉積主要與混濁流輸送泥沙的現(xiàn)象有關(guān)。建造大型水壩會(huì)顯著改變?nèi)斯ず?nèi)和水壩下游原天然河流的水流情勢(shì)。考慮到在洪水期間泥沙濃度通常較高，入庫(kù)水流較之周圍的流體有著更高的密度，因而懸移質(zhì)可以混濁流的形式沿著水庫(kù)底部一路被挾帶至水壩(附近)。當(dāng)混濁流的強(qiáng)度足夠大時(shí)，能夠侵蝕和搬運(yùn)大量水庫(kù)自身的泥沙。其結(jié)果是大量的沉積物有可能快速覆蓋水庫(kù)底部泄水孔，影響發(fā)電進(jìn)水口的運(yùn)行，減少水庫(kù)的容積。

雖然大力建造水庫(kù)的目的是蓄水，但是被入流所挾帶的部分固體物質(zhì)往往在水庫(kù)內(nèi)沉積下來。修建水壩會(huì)顯著改變水流的性能，使河流水流變成湖泊水流，來流中的固體顆粒沉積。水庫(kù)和天然的湖泊一樣，會(huì)以不同的速度漸漸淤塞。在一些極端的情況下，水庫(kù)有可能僅在幾年內(nèi)就被泥沙完全填滿。只有通過適當(dāng)?shù)墓芾韺?duì)泥沙沉積加以控制，水庫(kù)才是可持續(xù)的，才能繼續(xù)充當(dāng)可再生能量的來源。

1.2 混濁流

流域或河床中土壤的侵蝕是河流輸送的大部分泥沙物質(zhì)的源頭。侵蝕的過程通常開始于海拔較高的山區(qū)，隨后發(fā)生在高地和平原，最終在湖泊或海洋以沉積的形式結(jié)束。河流通常搬運(yùn)一定粒徑范圍的泥沙顆粒，具體情況取決于流域的泥沙補(bǔ)給和水流強(qiáng)度(以流速和水流紊動(dòng)程度表示)。在洪水期間，細(xì)小泥沙的比例可能占到河流所輸移總泥沙量的80%～90%，而且總的泥沙排放量通常相當(dāng)大。如果懸浮泥沙濃度足夠高，水流就可變?yōu)榛鞚崃鳌?/p>

圖1 泥沙沉積類型和受泥沙沉積影響的區(qū)域

混濁流是泥沙重力流的一種，通過這種形式，挾沙水流在其他靜止的水中沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)(圖1)。混濁流的驅(qū)動(dòng)力來自懸浮的物質(zhì)(細(xì)小的固體物質(zhì))，這些懸浮物使得流動(dòng)的混濁水比其上部的清水更重。當(dāng)挾沙河流進(jìn)入一座大型水庫(kù)時(shí)，較粗的顆粒逐漸沉積下來，并在水庫(kù)上游入口地帶形成一個(gè)三角洲，隨著沉積過程繼續(xù)進(jìn)行，三角洲向水庫(kù)深處擴(kuò)展。較細(xì)的、保持懸浮狀態(tài)的顆粒流經(jīng)三角洲，越過三角洲的邊界。如果過了邊界之后，湖中清水與入流河水的密度之差足夠大，就可能使入流的水(沿水庫(kù)底部)潛行，并可能引起混濁流。混濁流可能在水庫(kù)內(nèi)其路徑上清除懸浮的粒狀物質(zhì)，甚至也可使顆粒狀物質(zhì)重新懸浮。隨著混濁流橫斷面面積的增加，流速減小，泥沙沿混濁流路徑沉積下來。通常只有細(xì)小的泥沙(粘土和淤泥質(zhì)土顆粒)能在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里保持懸浮狀態(tài)，這些細(xì)小泥沙沿水庫(kù)底部深泓線長(zhǎng)距隨流潛行，穿過水庫(kù)的蓄水，到達(dá)湖底最深處，這里往往靠近大壩的泄水孔。挾沙水流一旦到達(dá)大壩處，就形成一層泥漿并在這里沉淀下來。

1.3 防止水庫(kù)泥沙沉積的措施

為了保證水庫(kù)的可持續(xù)使用，非常需要限制泥沙在水庫(kù)內(nèi)積累。阿爾卑斯地區(qū)各水庫(kù)的泥沙管理不可能通過某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、普遍的規(guī)則或程序來完成。此外，泥沙管理不僅僅限于水庫(kù)本身，因?yàn)槟嗌承纬捎诹饔虻钠瘘c(diǎn)，并擴(kuò)展到水庫(kù)下游的河流。每種情況都必須單獨(dú)加以分析，以確定要采用的解決措施的最佳組合方案。圖2中歸納總結(jié)了一些可行的措施，并根據(jù)這些措施適用的范圍加以分組。

圖2 水庫(kù)泥沙管理措施

為了平衡通過水庫(kù)的泥沙量，需要一個(gè)包含了各種可行策略的泥沙管理的綜合方法。綜合泥沙管理包括對(duì)整個(gè)泥沙問題的分析，應(yīng)用適合于現(xiàn)場(chǎng)的各種泥沙管理策略。這種方法意味著(泥沙管理)方案的實(shí)施必須與可持續(xù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的保護(hù)保持一致。

一個(gè)可持續(xù)的泥沙管理策略還應(yīng)該包括對(duì)下游河道泥沙的管理。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該包括(泥沙沉積)對(duì)下游的影響，以及水庫(kù)內(nèi)的泥沙沉積過程。

2 實(shí)例研究

本文以兩座水庫(kù)為例說明了不同解決方案的差異和相似之處，以及解決泥沙沉積問題所采取的方法。兩座水庫(kù)都位于瑞士阿爾卑斯山，分別是伯爾尼奧勃蘭的格里姆瑟爾(Grimsel)水庫(kù)和提契諾的呂宋尼(Luzonne)水庫(kù)。

兩座水庫(kù)海拔高度相近，有著等量級(jí)的庫(kù)容。格里姆瑟爾水庫(kù)正常水位在海拔1908 m，而呂宋尼水庫(kù)正常水位在1606 m。兩座水庫(kù)的容積分別為1.01億 m3和1.08億 m3。

2.1 潛壩的使用(格里姆瑟爾水庫(kù))

在建項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括將現(xiàn)有的兩座大壩加高23 m，這兩座大壩形成了格里姆瑟爾水庫(kù)。加高大壩所必須的開挖和爆破工作會(huì)產(chǎn)生將近15萬m3破碎的混凝土材料。這些材料會(huì)在建筑工地附近某處堆積起來。為防止混濁流中的泥沙在取水構(gòu)筑物附近沉積，提出以潛沒堤壩的形式建造某種障礙物。對(duì)混濁流的產(chǎn)生過程和其對(duì)水庫(kù)泥沙沉積的影響進(jìn)行了調(diào)查研究，這種水下障礙物的攔沙效果已得到證實(shí)。

格里姆瑟爾水庫(kù)全長(zhǎng)將近5.5km，寬度約為300 m。水庫(kù)的深度從河水入流點(diǎn)至水庫(kù)中部呈規(guī)律的增加，水庫(kù)的中部有一道狹窄的峽谷。取水建筑物和底部泄水建筑物設(shè)在最深的區(qū)域，該處水深約90 m，在峽谷的下游。

對(duì)典型洪水事件的數(shù)值模擬顯示，混濁流一路進(jìn)展傳播，到接近大壩的水庫(kù)最深處。在這樣的洪水事件中，取水構(gòu)筑物和底部泄水建筑物所在區(qū)域產(chǎn)生了大量的泥沙沉積物。水庫(kù)最深處的上游，負(fù)坡度峽谷致使混濁流速度變緩，這樣就產(chǎn)生泥沙沉積。

對(duì)障礙物的兩種可能布置進(jìn)行了數(shù)值評(píng)價(jià)。第1種布置由單個(gè)堤壩構(gòu)成，堤壩高15 m，長(zhǎng)150 m，位于峽谷上游一處水庫(kù)的反坡上。第2種構(gòu)造由位于水庫(kù)中部的兩道堤壩構(gòu)成，兩道堤壩在水平方向錯(cuò)開一定距離，使得混濁流必須繞行或從堤壩上越過。在這種情況下，兩道堤壩將達(dá)到10 m高，210 m長(zhǎng)。兩種布置形式都沒有將堤壩延伸到整個(gè)河谷寬度，這樣在水庫(kù)放空時(shí)能為水流留出一個(gè)暢通的通道。這種障礙物明顯地對(duì)水流起到阻礙作用，盡管混濁流的一小部分流體越過障礙物，但障礙物折回了大部分的混濁流。其結(jié)果是，大量的泥沙沉積物出現(xiàn)在障礙物的上游。

對(duì)用加高格里姆瑟爾水壩施工中爆破和開挖所產(chǎn)生的材料建成的堤壩的效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，為了有效地?cái)r截混濁流，堤壩高度應(yīng)不小于接近堤壩的混濁流高度的兩倍。堤壩高度達(dá)15 m足以滿足要求，并能保證壩頂標(biāo)高在水庫(kù)最低運(yùn)行水位以下。據(jù)估計(jì)堤壩后攔沙至少可持續(xù)20～50 a。

可以得出結(jié)論，將爆破和開挖所得材料回收利用來建造潛壩，對(duì)于控制由混濁流引起的水庫(kù)泥沙沉積是一個(gè)絕佳的契機(jī)。

2.2 混濁流的排放(呂宋尼水庫(kù))

屬于布倫諾水力發(fā)電公司的呂宋尼拱壩建于1958～1963年，在瑞士南部的奧利沃內(nèi)村附近。壩體最大高度208 m，長(zhǎng)530 m。

實(shí)驗(yàn)室水槽里的混濁流試驗(yàn)成果以及呂宋尼水庫(kù)2個(gè)夏季的實(shí)地測(cè)量結(jié)果，被用來驗(yàn)證一個(gè)三維數(shù)值模型。為模擬模型中泥沙沉積與沖刷之間的平衡，對(duì)考慮了混濁流和已有泥沙沉積物之間相互作用的用戶定義的沖刷和沉積模塊進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)。

在水庫(kù)較深的部位，其初始的幾何形狀呈一個(gè)V型河谷，現(xiàn)在積聚泥沙已超過40 a，平均底寬大約50 m。水庫(kù)幾何形狀大致呈梯形斷面。在靠近大壩的庫(kù)段，底部的形狀接近對(duì)稱。沿水庫(kù)底部的平均縱坡約為4%。大部分的泥沙沉積覆蓋在庫(kù)底約0.1km2的面積，或整個(gè)水庫(kù)水面面積的8% 。

1985年，水庫(kù)曾經(jīng)完全放空，以便于在長(zhǎng)達(dá)7周的自由庫(kù)面沖沙期間，淤積的泥沙通過底部泄水孔得以排放。現(xiàn)在，定期的短時(shí)壓力沖沙使水庫(kù)底部泄水孔的進(jìn)水口免受泥沙沉積的影響。盡管如此，為了使泥沙沉積導(dǎo)致堵塞的潛在風(fēng)險(xiǎn)降至最小，最近抬高了電站進(jìn)水口。

為了闡述人工湖中河流引起的混濁流的流動(dòng)機(jī)理，在水庫(kù)及流入水庫(kù)的主要河流中對(duì)混濁流進(jìn)行了實(shí)地觀測(cè)。采用實(shí)測(cè)邊界條件對(duì)混濁流進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

水流一進(jìn)入水庫(kù)就出現(xiàn)了支流向下潛行的現(xiàn)象。在沿河床向下游流動(dòng)的過程中，底部的混濁流流速加快。大約40 min以后，混濁流到達(dá)水壩所在的位置，被折回，并向上游流動(dòng)，與還在向下游流動(dòng)的混濁流水體相互作用。折回的混濁流向上游行進(jìn)的距離大約是整個(gè)水庫(kù)長(zhǎng)度的2/3。

盡管大約歷時(shí)1.5 h后停止沙泥流入，但大約要?dú)v時(shí)4 h后，湖中水流的全局運(yùn)動(dòng)才變得不明顯。這時(shí)形成一個(gè)挾帶泥沙的水下“泥漿湖”，然后泥漿湖中的顆粒物經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)乃至數(shù)日后沉積下來。由于混濁流從已沉積的泥沙沉積物中又帶出部分顆粒物，其濃度在流動(dòng)中漸漸增加。混濁流總體上是呈侵蝕性的，因此在其前進(jìn)的過程中變得越來越壯大。從水庫(kù)底部帶起的泥沙量大約為3.5萬m3，與之相比，來自入庫(kù)河流的泥沙量為0.9萬m3。

模擬了混濁流出現(xiàn)總體上侵蝕和沉積的地點(diǎn)，將這些通過數(shù)值方法得到的結(jié)果和遍及整個(gè)水庫(kù)的(實(shí)測(cè))泥沙沉積層厚度進(jìn)行比較，該厚度是水庫(kù)運(yùn)行31 a后通過深水測(cè)量得到的。

該數(shù)值模型可以作為水庫(kù)管理的戰(zhàn)略性評(píng)估工具，以便分析各種防止水庫(kù)最薄弱的地方、水庫(kù)底部泄水孔和取水構(gòu)筑物出現(xiàn)泥沙沉積的技術(shù)解決方案。以該模擬為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步確定打開水庫(kù)底部出水口的最優(yōu)時(shí)間，以便能在泄洪期間排放遠(yuǎn)離大壩的大部分泥沙，從而減少總的泥沙沉積量。

作為第1步措施，加高了已經(jīng)部分被泥沙覆蓋的取水口，以保證其功能不受影響。在大壩加高17 m幾年后，這個(gè)措施就已實(shí)施。泥沙樣本和其特征顯示，目前仍然能實(shí)行良好的壓力沖沙，但是在接下來的幾年里必須做出長(zhǎng)期的戰(zhàn)略性的決策，以保證電站進(jìn)水口能在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)運(yùn)行。局部清除泥沙、在底部泄水孔和取水建筑物之間設(shè)置土工織物濾網(wǎng)和混濁流的排放措施相結(jié)合，可能得出一個(gè)可持續(xù)的解決方案。

3 排沙

3.1 排除細(xì)沙的革新方法

受水庫(kù)泥沙沉積問題的啟示，開展一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，目的是研發(fā)一個(gè)替代的有效方法，以便將泥沙從水庫(kù)中排出。其概念是通過引水隧道和渦輪排出泥沙，由此在電站進(jìn)水口上游區(qū)域的細(xì)沙上設(shè)定一個(gè)特別的重點(diǎn)區(qū)。專門的射流裝置提供能量，產(chǎn)生最佳效果的環(huán)流，這樣的環(huán)流正是使泥沙保持懸浮狀態(tài)所需要的，并在水輪機(jī)工作中增加了帶入電站進(jìn)水口的泥沙量。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置和主要結(jié)果

在一個(gè)寬2 m、高1.5 m、長(zhǎng)4 m的矩形實(shí)驗(yàn)水池中，對(duì)該新思路通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。對(duì)布置在一個(gè)水平圓環(huán)上的4個(gè)噴射器組成的圓形噴射裝置進(jìn)行了系統(tǒng)研究。噴射器的特征值(噴嘴直徑dj，噴射速度vj，射流量Qj，以及噴射角度θ)和幾何形狀參數(shù)對(duì)泥沙排放的影響也被加以研究。

作為初始條件，通過氣泡混合作用造成近乎均一的泥沙濃度分布。這樣的初始條件用來模擬因混濁流衰減消弭而在水壩前形成的泥漿層。在所有實(shí)驗(yàn)中，水位保持恒定，方法分別是使通過取水口排出的流量與由噴射器引入的流量相同(有噴射器實(shí)驗(yàn));或通過后墻向試驗(yàn)水池補(bǔ)給相等的流量(無噴射器實(shí)驗(yàn))。濁度測(cè)量與流速測(cè)量相結(jié)合，得出泥沙排放效率的信息。

泥沙排放(排出泥沙比，ESR)定義為已排出的泥沙質(zhì)量Pout除以初始供給的泥沙的質(zhì)量Pin，表示排出泥沙量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間累計(jì)值:ESR=Pout/Pin。類似的，沉積泥沙比是已沉積的泥沙質(zhì)量除以初始供給的泥沙的質(zhì)量Pin。

作為參照的布置，無噴射器的實(shí)驗(yàn)顯示，排出泥沙比與實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的泄水流量幾乎呈線性關(guān)系:流量越大，排出泥沙比越高。對(duì)于某個(gè)恒定的泄水量而言，最終的排出泥沙比和沉積泥沙比都可通過一個(gè)簡(jiǎn)單的物理方法很容易地估計(jì)出來，該方法考慮了泥沙沉積的速度以及通過水池后墻和取水口的流量所產(chǎn)生的流場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)的流量范圍內(nèi)，參照布置的排出泥沙比為0.09 ～0.37。

噴射器有效地混合泥沙:在過了將近0.5 h以后，懸浮泥沙濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差大約是5%;就化學(xué)性質(zhì)而言，可以認(rèn)為這種懸濁液是均勻的。由此，僅有極少的泥沙沉積下來，所以泥沙排放量比沒有噴射器的情況高，在實(shí)驗(yàn)最大泄水量(∑Qj=4050 L/h)時(shí)，可達(dá)到ESR=0.73，這幾乎是沒有噴射器的參照布置的2倍。

此外，與無噴射器的實(shí)驗(yàn)相反，在有噴射器的實(shí)驗(yàn)中，可觀察到已經(jīng)沉積的泥沙的再懸浮現(xiàn)象。一旦到達(dá)循環(huán)流的穩(wěn)態(tài)條件，再懸浮就開始了，這在流量高于實(shí)驗(yàn)確定的限值時(shí)可以檢測(cè)到。實(shí)測(cè)的再懸浮率變化顯示，在時(shí)間遠(yuǎn)大于泥沙駐留時(shí)間的條件下，所有最初供給的泥沙都可以被排出。

標(biāo)準(zhǔn)化的最優(yōu)幾何參數(shù)組合確定如下:噴射裝置距離池底的凈空C/B=0.175，取水口高度hj/B=0.25，噴射裝置與水池前墻的距離 daxis/B=0.525，兩個(gè)相鄰噴射器距離lj/B=0.15，噴射角度θ=0°，池中水深h/B=0.6。在最優(yōu)條件和實(shí)驗(yàn)最大噴射流量(∑Qj=4050 L/h)的條件下，4 h后，可達(dá)到排出泥沙比ESR=0.73。在無噴射器和取水口中通過同樣的流量(4050 L/h)的條件下，排出泥沙比ESR=0.37。

相應(yīng)的流態(tài)類似于軸向的混合器，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，這種形式有利于泥沙保持懸浮。

噴射器的效率是通過比較在不同條件下得到的排出泥沙比確定的:一個(gè)是在有噴射器的條件下，一個(gè)是在沒有設(shè)置噴射器的條件下。對(duì)于噴射器最優(yōu)配置，基于時(shí)間和流量之間獨(dú)立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的噴射器效率預(yù)測(cè)值大約是1.7。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，噴射器的效率依賴于流量，并隨著時(shí)間增長(zhǎng)。在暫態(tài)過程結(jié)束及再懸浮開始之時(shí)，噴射器的效率大約是1.5。在實(shí)驗(yàn)最高流量條件下(∑Qj=4050 L/h)，4 h后，效率接近2(近似等于1.7τm，τm是泥沙平均滯留時(shí)間)。

由于實(shí)驗(yàn)中使用泥沙顆粒的粒徑細(xì)小，其實(shí)用范圍主要針對(duì)大型水庫(kù)。因?yàn)樵诖笮退畮?kù)中，沿深泓線，泥沙粒徑得到很好地分配，只有細(xì)小的泥沙顆粒可能在水壩前面出現(xiàn)，如同混濁流輸送泥沙的情況。

在瑞士莫瓦桑(Mauvoisin)水電站，250 m高的壩形成了一座大型水庫(kù)，在該實(shí)例研究中，人們首次嘗試將研究結(jié)果按比例擴(kuò)大運(yùn)用于實(shí)際，以現(xiàn)有輸水隧道的有效流量和水頭為基礎(chǔ)，推薦采用一個(gè)初步的優(yōu)化環(huán)狀噴射器裝置。盡管還沒有進(jìn)行過天然尺度的試驗(yàn)，可以預(yù)計(jì)，設(shè)置環(huán)狀噴射器裝置將比不設(shè)置該裝置能排出更多的泥沙。此外，泄水構(gòu)筑物附近區(qū)域的泥沙沉積將大為減少，從而可以避免堵塞。

一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)分析顯示，噴射器是一種費(fèi)用較低的裝置。已完成的實(shí)驗(yàn)證明，該裝置對(duì)于達(dá)到提高泥沙排放及減少水庫(kù)泥沙沉積的目標(biāo)至關(guān)重要。

4 結(jié)論與展望

盡管人們對(duì)于水庫(kù)泥沙沉積的原因和過程已經(jīng)頗有認(rèn)識(shí)，但是可持續(xù)的、預(yù)防性的措施在新建水庫(kù)的設(shè)計(jì)中還是很少被考慮到。為了避免水電站的運(yùn)行出現(xiàn)問題，現(xiàn)有水庫(kù)中，人們往往采取短效措施解決泥沙沉積問題。由于大多數(shù)措施在短時(shí)間內(nèi)會(huì)喪失其效果，可能因此威脅到水庫(kù)的可持續(xù)運(yùn)行和有價(jià)值的峰荷電能的生產(chǎn)。

目前全球水庫(kù)每年由于泥沙沉積導(dǎo)致的平均庫(kù)容損失，已經(jīng)高于為灌溉、防洪、供水及水力發(fā)電而新建水庫(kù)所增加的庫(kù)容量。例如在亞洲，可以用于水力發(fā)電的80%的有效庫(kù)容在2035年將消失。在阿爾卑斯地區(qū)，水庫(kù)庫(kù)容損失率明顯低于世界平均水平，但是氣候變化對(duì)將來的影響會(huì)進(jìn)一步增加進(jìn)入水庫(kù)的泥沙產(chǎn)量。

在狹長(zhǎng)水庫(kù)中主要的泥沙沉積－輸移過程是混濁流的形成過程。本文描述了混濁流引起的泥沙沉積過程，并列出一些實(shí)例研究的數(shù)值模擬結(jié)果。混濁流可以被位于水庫(kù)上游部分的障礙物所攔截，并迫使其挾帶的推移質(zhì)沉積下來，以保持泄水建筑物免受泥沙堵塞。在某些情況下，排放混濁流是可行的——這意味著通過底部泄水孔排放混濁流。

一種創(chuàng)新性的技術(shù)被研發(fā)出來，用于通過電站引水隧道和水輪機(jī)排放細(xì)小的泥沙。通過噴射器促使水流呈類似軸向混合器狀的環(huán)流，保持泥沙處于懸浮狀態(tài)，懸浮泥沙被帶入發(fā)電進(jìn)水口的數(shù)量增加了，泥沙排放量也因此大大增加。

本文列舉的幾種措施的組合可提供最佳的解決辦法。盡管目前尚未進(jìn)行過自然比尺的試驗(yàn)，但通過取水建筑物排沙的新方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有很大的前景。