石門水庫增設(shè)排沙洞提高排沙能力的效果分析

邱存元，古學(xué)海

（陜西省漢中市石門水庫管理局，陜西 漢中 723000）

漢中市石門水庫位于漢江上游一級支流褒河峽谷出口以上1.8 km，距漢中市區(qū)18 km，以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪、城市供水、旅游等綜合利用的大（2）型水利工程。水庫樞紐由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪中孔、新建左岸泄洪洞、放水（排沙）底孔、右岸河床電站，以及東、西高干渠渠首電站，下游反調(diào)節(jié)池（橡膠壩）和南干渠渠首等組成。壩址以上控制流域面積3861 km2，庫區(qū)多年平均降水量905.6 mm，多年平均徑流量13.8億m3，多年平均流量43.6 m3/s。水庫建成至今已運(yùn)行40多年，泥沙淤積十分嚴(yán)重。根據(jù)2016年實(shí)測淤積量已達(dá)到4635萬m3，其中，死水位以下淤積3319萬m3，占死庫容的74.9%，有效庫容淤積1316萬m3，占有效庫容的21.7%。已嚴(yán)重影響到石門水庫的防洪能力和水庫、水電站正常效益的發(fā)揮。因此，研究并采取有效措施減少或減緩水庫泥沙淤積是必要的。

1 水庫泥沙淤積情況

石門水庫自1974年開始蓄水以來，由于河道自然來沙和流域內(nèi)的道路建設(shè)、礦山開采等人為活動造成水土流失，水庫泥沙淤積給壩后電站發(fā)電及水庫防洪、灌溉蓄水都造成嚴(yán)重影響。根據(jù)2016年水庫管理運(yùn)行單位實(shí)測淤積量達(dá)到4635萬m3，占總庫容的44.15%，其中死水位595 m高程以下的淤積量為3319萬m3，占死庫容的74.92%，有效庫容淤積量1316萬 m3，占有效庫容的21.69%，石門水庫多年淤積測量成果見表1。

表1 石門水庫多年淤積測量成果

從多年的測淤縱剖面的比較分析，水庫淤積形態(tài)早期呈帶狀淤積，后期呈三角洲和帶狀的混合淤積型態(tài)，并逐漸向錐體淤積形態(tài)發(fā)展。從淤積橫斷面來看，由于水庫長期蓄水運(yùn)用，橫斷面上河床淤積水平抬升，一般沒有明顯的主槽。根據(jù)多年的河道來沙水文資料和實(shí)際取樣分析，16號斷面（距壩址14 km）以下斷面淤積物的中值粒徑均小于0.68 mm，并且向下游淤積物粒徑沿程迅速遞減，可判斷在16號斷面以下淤積物主要為懸移質(zhì)，而上游多為推移質(zhì)。由上游馬道站統(tǒng)計(jì)的多年泥沙資料分析也主要以懸移質(zhì)為主。

考慮到石門水庫原有排沙底孔孔徑較小，不能滿足現(xiàn)有排沙需求。通過對壩址處地質(zhì)、大壩結(jié)構(gòu)等多方面因數(shù)的分析、計(jì)算，經(jīng)多方案論證，確定將現(xiàn)有泄洪洞進(jìn)行改造，降低其進(jìn)口高程到560 m，加大排沙泄流量，達(dá)到配合排沙低空進(jìn)行排沙的目的。

2 分析計(jì)算

石門水庫清淤主要靠定期的水庫泄空沖刷，通過泄空水庫，在排沙期有效降低庫區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面，在一定的來水條件下，沿庫區(qū)縱向形成溯源沖刷。本文采用數(shù)值計(jì)算方法研究不同排沙設(shè)施條件及不同來水條件下的泄空沖刷效果。

石門水庫泄空沖刷過程可以利用水流泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，采用擴(kuò)展一維非平衡輸沙模型，考慮到整個(gè)庫區(qū)淤積物泥沙顆粒粒徑沿程差別甚大，從上游的卵石推移質(zhì)淤積到壩前的異重流細(xì)沙淤積，抗沖性差別大，所以不能采用均勻沙模型，需要采用非均勻沙模型，才能反映出沿程的沖刷強(qiáng)度的差異。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

水庫泥沙數(shù)學(xué)模型中，水流計(jì)算可以按分段恒定流處理，即：

一維恒定漸變流的能量方程為：

Sf為阻力比降，根據(jù)滿寧公式可以表示為：

阻力比降主要受綜合糙率和流速影響，橫向的流速不均勻使得橫斷面過水區(qū)阻力不同，劃分子斷面之后，考慮沿程橫向流速不均勻影響的阻力比降可以表示為：

美沙拉嗪緩釋片單劑量與多劑量給藥在Beagle犬體內(nèi)的藥動學(xué)研究 ……………………………………… 向榮鳳等（16）：2198

式中，j和j＋1分別表示河段上下斷面。

α為動量系數(shù)。利用一維模型計(jì)算天然河道水流問題，關(guān)鍵是沿河寬方向流速分布不均勻的問題，特別是灘槽都過水的情況下，沿河寬方向流速分布極不均勻，使按斷面平均流速計(jì)算的水流動量與實(shí)際的斷面水流動量出現(xiàn)大的差異，所以在動量方程中加入動量系數(shù)α，動量系數(shù)就是對這一偏差的修正，動量系數(shù)可以由下式表示：

上式中，q為斷面橫向y處的單寬流量，u為斷面橫向y處的垂線平均流速，Q為斷面流量，B為斷面水面寬度，V為斷面平均流速。為了將上式離散化，把整個(gè)斷面沿橫向劃分成若干個(gè)子斷面，將積分計(jì)算離散為求和計(jì)算，得到α的近似公式（7）。

式（7）中，Qk、uk分別為第k個(gè)子斷面的流量和水流平均流速。由此，式（2）化為：

Qk，uk可以通過下式計(jì)算：

挾沙力公式：

含沙量方程：

由此得到的非平衡輸沙含沙量沿程變化計(jì)算公式為：

差分化得到：

式中，γ′為淤積物干容重，下標(biāo)j和j+1分別表示計(jì)算河段的上下斷面，DA為一個(gè)時(shí)段的斷面沖淤面積。

一維模型計(jì)算的沖淤量為河段總沖淤量，另外要據(jù)此計(jì)算兩端斷面沖淤面積及橫斷面上的沖淤分布，計(jì)算兩端斷面的沖淤面積主要有三種方式，平均分布、梯形分布和三角形分布，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算中認(rèn)為用梯形分布更為合適，這就涉及到分配權(quán)重問題，一般情況下權(quán)重可取為（S-S*），用Wt表示，它反映了輸沙的非飽和程度。

本方程的數(shù)值解采用差分法，由式（4）、（7）、（8）和式（9）計(jì)算水面線及各斷面水力要素，邊界條件在下游，即壩前水位，水面線從壩前向上游逐斷面試算，進(jìn)而計(jì)算斷面各水力要素。由式(11)～式(14)計(jì)算各斷面挾沙力和含沙量，泥沙計(jì)算的邊界條件在上游，上游入庫斷面含沙量為已知，從上游入庫斷面向壩前逐斷面計(jì)算挾沙力和含沙量。由式（16）計(jì)算各河段沖淤量，由式（16）將沖淤量分配到上下斷面，再逐斷面分配到各個(gè)子斷面上，進(jìn)而得到新的斷面地形，為下一時(shí)段的計(jì)算做準(zhǔn)備。重復(fù)以上過程，計(jì)算下一個(gè)時(shí)段，如此繼續(xù)下去，直至計(jì)算完所有時(shí)段。見文獻(xiàn)[3]、[4]。

2.2 排沙計(jì)算

根據(jù)石門水庫灌區(qū)的用水需求，4～8月份為灌區(qū)夏灌用水期，1月為灌區(qū)冬灌用水期，為了增加排沙量和后期的蓄水，選在水量偏豐年份的9月中下旬進(jìn)行排沙。根據(jù)褒河流域9月歷年中下旬入庫流量頻率，選擇2001年（頻率10%左右）、2009年（頻率20%左右）、1984年（頻率20%左右）、1985年（頻率30%左右）、1982年（頻率40%左右）1990年（頻率40%左右），為了便于比較，又選擇了水量偏枯的1993和1988年，利用上述建立的水流泥沙數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算排沙效果。排沙初始地形采用2014年實(shí)測庫區(qū)淤積斷面。排沙初始庫水位統(tǒng)一按595.0m計(jì)算。排沙期從9月11日至30日，共20天。

排沙計(jì)算泄量條件按兩種方案，一是現(xiàn)有泄流條件（底孔排沙），二是泄洪洞進(jìn)口降低改造方案，進(jìn)行兩種方案的排沙對比。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過對計(jì)算結(jié)果整理分析，排沙量在不同的來水頻率和有無泄洪洞參與排沙的情況下的計(jì)算結(jié)果見表2。

在現(xiàn)狀泄洪設(shè)施狀態(tài)下，泄洪洞進(jìn)口高程596.0 m，對泄空排沙基本起不到作用，只考慮底孔排沙。利用水流泥沙數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算了8組入庫水流條件的排沙過程。從計(jì)算結(jié)果可以看出：沖刷期入庫流量太大時(shí)，排沙量反而會減小，這是因?yàn)榕派称诹髁可源蟊銜纬邵账派硹l件不理想。泄空排沙的關(guān)鍵是要水庫能夠泄空，侵蝕基準(zhǔn)面得到有效的降低，才能達(dá)到理想的排沙效果。現(xiàn)狀低水位泄流靠排沙底洞，泄量小，只有在排沙期入庫流量比較小的水流條件下，才能維持較低的水位排沙，從表中可以看出，排沙期入庫流量較小的幾個(gè)年份的水流條件，排沙量反而比較大，達(dá)到200萬m3左右。小流量雖然能達(dá)到較低的排沙水位，但是水流的沖刷能力又不可能太大，沖刷出的主槽也比較窄，沖刷量受到一定的限制。

考慮到水庫的排沙需要，石門水庫計(jì)劃對現(xiàn)有泄洪洞進(jìn)行改造，進(jìn)口高程由現(xiàn)狀的596.0 m降低到560.0 m。按設(shè)計(jì)的泄洪洞改造方案，進(jìn)口高程降低到560.0 m，在水庫泄空排沙時(shí)可以通過比較大的流量，在排沙期入庫流量稍大或出現(xiàn)小的洪水時(shí)，不至于壩前水位快速升高，使得排沙期能夠充分利用比較大的流量，提高排沙效果，能夠沖刷出較寬、較深的主溝槽。從表中的對比數(shù)據(jù)可以看出，通過改造泄洪洞以后，水庫的排沙能力、水流的挾沙能力都有了大幅度的提高，一次泄空排沙量就超過了400萬m3，排沙效果十分理想，能夠有效的恢復(fù)淤積庫容。

3 結(jié)論

（1）石門水庫是漢中地區(qū)唯一的一座大型水庫，水庫的淤積嚴(yán)重的制約了水庫的調(diào)蓄能力，不利于水庫應(yīng)有效益的正常發(fā)揮，如果水庫淤積不能得到有效的減排，將嚴(yán)重的影響到水庫的使用壽命和正常功能的發(fā)揮。

（2）水庫泄空排沙是可行的，并且也是水庫有效減少淤積的最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的方式，效率也是最高的。

（3）如果在現(xiàn)狀條件下利用底孔排沙，雖然在理想狀況下也能達(dá)到200萬m3左右的排沙量，但由于底孔泄量有限，如遇稍大的洪水過程則會形成壩前雍水，達(dá)不到排沙的效果，在現(xiàn)有的預(yù)測、預(yù)報(bào)條件下很難把控排沙的時(shí)機(jī)。

（4）如果按照改造泄洪洞方案計(jì)算，泄洪洞底砍高程降至560 m則能夠通過較大的流量，在排沙期入庫流量稍大或出現(xiàn)小的洪水時(shí)，不至于壩前水位快速升高，使得排沙期充分利用比較大的流量，提高排沙效果，一次泄空排沙量超過400萬m3，效果比較理想。同時(shí)排沙期選在來水偏豐的9月中下旬也有利于水庫的回蓄，不影響下一個(gè)年度的灌溉供水。

（5）為了石門水庫能夠有效的恢復(fù)庫容，發(fā)揮應(yīng)有的綜合效益，應(yīng)盡快實(shí)施泄洪洞改造工程，排泄已經(jīng)淤積的有效庫容，延長水庫的使用壽命。