沖沙隧洞研究與實踐
——第一屆沖沙隧洞國際研討會總結報告

2016-09-20 04:28:51瑞士海格曼

水利水電快報 2016年8期

[瑞士]　M.海格曼等

沖沙隧洞研究與實踐

——第一屆沖沙隧洞國際研討會總結報告

[瑞士]M.海格曼等

2015年，瑞士舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會，12個國家參會者就沖沙隧洞建設、運行、維護研究與實踐進行了研討交流。研討會由主旨報告、最新研究報告、已建(在建)沖沙隧洞綜述，以及實驗室參觀與現場考察等內容構成。在簡要介紹水庫淤積概況與沖沙隧洞對減少水庫淤積的作用的基礎上，系統總結了沖沙隧洞水工設計、過流能力、運用頻率、沖沙粒徑、倒坡襯砌、維護修復、監測技術、輸沙效率與生態響應等方面的經驗與教訓。

沖沙隧洞(SBT)；水庫淤積；“旁側”輸沙；倒坡磨蝕；瑞士

2015年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)水工水文冰川實驗室(VAW)，聯合日本京都大學防災研究學院(DPRI)水資源研究中心(WRRC)和蘇黎世聯邦電力公司(EWZ)，舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會，來自12個國家的參會者就沖沙隧洞建設、運行、維護的研究與實踐進行了研討交流。

水庫淤積對世界各地蓄水水庫的影響越來越大，沖沙隧洞(SBT)是減少水庫淤積的有效方法。通過“旁側”輸沙過壩至尾水河段，一方面減小了水庫泥沙淤積，另一方面可重構泥沙的連續性。泥沙連續性可以帶來生態效益——阻止(至少顯著減緩)大壩下游的河床沖刷，增強河床演變的多樣性；沖沙隧洞可輸送上游河段的來沙，但一般不會沖刷水庫累積淤積泥沙，因此大壩尾水含沙量不會出現與水庫或天然洪水特性“相逆”的變化。

1　主旨報告

本次蘇黎世研討會共作了3份主旨報告。波多黎各島GLM工程公司G.L.莫里斯博士對可持續泥沙治理進行了綜述，通過世界各地系列實例與案例演示，將可持續泥沙治理方法概括為如下幾類：

(1) 減少上游來沙；

(2) 泥沙調度；

(3) 泥沙清淤；

(4) 采用適應性方法，例如大壩加高、取水口改造(泥沙無需處置)等。

莫里斯最終得出的結論是：目前沒有可行的超大庫容維持方法，只能借助于適應性方法處置多年調節水庫。

日本京都大學防災研究學院水資源研究中心T.須見教授報告了日本采用的水庫淤積治理措施，一方面強調“旁側”輸沙、沖沙與泄洪，另一方面強調水沙調控恢復河流。關于后者，他指出，為應對下游河床沖刷并改善魚類棲息地條件，日本多座大壩實施了下游泥沙補償方案。日本最古老的沖沙隧洞啟用于1908年，位于神戶市附近，具有百年以上的運行經驗。須見教授得出的結論是：為了更加廣泛地采用沖沙隧洞，需要從研究隧洞的尺寸和長度著手來降低建設成本。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院水工水文冰川實驗室R.伯斯教授講述了瑞士產沙區域、冰川流域面積近期擴大及其對瑞士水庫的影響，并通過實例介紹了水庫淤積治理的最新措施。措施包括：通過內置沉沙池取水口“旁側”輸沙(基于實時監測)增加死庫容，通過底孔進行渾水排沙，以及水庫水位消落沖沙等。這些措施的采用需要獲得州市部門的批準，較為典型的前置懸移質濃度臨界值為10 g/L。

2　最新研究報告

氣候變化與永久凍土融退可能“釋放”大量的可移動泥沙淤積物，導致流域泥沙輸移增加，加重水庫淤積問題，由此常常影響到發電、供水、運行安全與防洪問題。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的I. 阿貝萊克報告了該學院水工水文冰川研究室針對這些新問題所正在進行的研究。首先，應該確定因冰川融退而增加的水電潛能；其次，應研發出經濟且可持續的泥沙治理措施，該措施同時還應能確保河流生態形態得以提升至建壩前的自然狀態。沖沙隧洞可以滿足上述要求，但其性價比常常受到水力磨蝕破壞的限制。

為了解決這一問題，日本京都大學C.奧爾博士(曾與蘇黎世聯邦學院水工水文冰川實驗室有過合作)采用實驗室物理模型，進行了水流與泥沙輸移特性以及急流狀態下磨蝕時間和空間演變的試驗研究。基于試驗成果，研發了一種易于應用的磨蝕預測模型。

瑞士蘇黎世聯邦學院水工水文冰川實驗室M.海格曼描述了為確定高抗蝕強度和高性價比現場應用材料而進行的原觀試驗。初步研究成果表明：磨蝕主要源自于推移質，懸移質影響很小。20世紀90年代，瑞士朗科赫茲水庫沖沙隧洞進行過類似試驗，其更多觀測成果于2014年有過報道。

瑞士TFB公司F.雅各布斯博士認為：高強度雖然可以提高隧洞倒坡防護材料的抗蝕性能，但是施工和修復與材料選擇本身同等重要，初期損害部位取因于不連續性與易損性，這一部位可能會擴大而導致更大破壞。

目前，針對索利斯(Solis)水庫的一個研究項目正在開展沖沙隧洞對環境影響的研究，瑞士蘇黎世聯邦學院水工水文冰川實驗室M.法科尼就此研討了沖沙隧洞對下游河流系統生態形態的影響。初步研究成果表明：洪水期間運用沖沙隧洞可能導致河流形態與床沙粒徑級配的變化。該研究項目的目標是基于現場驗證的數值模型，確定沖沙隧洞的運用對河道水流、河流形態最終至河流生態質量的影響。

瑞士聯邦水質科學技術研究所(Eawag)的E.馬丁正在開展生態現狀分析。研究表明：河流棲息地質量受溢洪道泄洪與沖沙隧洞運用雙重影響，影響程度隨洪水頻率強度的增加而增加；相對于多年頻率洪水，河流恢復歷時較短(數周至數月量級)，有必要對這些演變及其與無壩天然河流演變之間的差異開展深入的評估與定量化研究。

3　已建(在建)沖沙隧洞綜述

研討會對瑞士、日本、法國7座已建(在建)沖沙隧洞進行了描述。

瑞士聯邦鐵路公司(SBB)的B.穆勒對由該公司負責運行的瑞士普法芬斯普朗(Pfaffensprung)水庫沖沙隧洞進行了描述。隧道總長282 m，4月初至10月底運用，其功能是“旁側”輸送羅伊斯(Reuss)河高含沙水流。自1922年隧洞投運以來，粗顆粒推移質與高速水流引發了嚴重的倒坡磨蝕，相應的維修費用巨大。近期運營商決定在隧洞倒坡上鋪墊1 m2花崗巖塊以減小磨蝕。

瑞士OFIMA公司A.鮑默和R.拉多哥拉共同描述了瑞士帕拉格內德拉(Palagnedra)水庫沖沙隧洞(1977年投運)。隧洞總長1 760 m，OFIMA公司負責運行，分流梅萊佐(Melezza)河洪水。1978年特大洪水致使水庫完全淤滿，水庫修復期間沖沙隧洞不得不連續數月運用，造成嚴重的倒坡磨蝕(磨深達4.8 m)。在過去的30多年中，該隧洞每年大約運用5次，均沒有出現嚴重的運行問題。2011～2013年間，修復了20%隧洞倒坡以確保運行穩定。

瑞士蘇黎世聯邦電力公司C.歐特力描述了由該公司負責運行的瑞士索利斯水庫沖沙隧洞(2012年投運)。該工程隧洞取水口沒有設置在水庫壩段,而是位于大壩上游450 m處，由此引起的隧洞運用問題是隧洞取水為有壓流。洪水之前需要部分降低庫水位以保證水庫上游輸沙能力足夠大，隧洞運用成敗有賴于天氣預報精度。隧洞倒坡采用高性能混凝土襯砌，運用3 a基本無磨蝕。

日本關西電力公司H.中島描述了由該公司負責運營的朝日(Asahi)水庫沖沙隧洞。自1998年投運以來，隧道輸送約80%來沙，證明了該項泥沙淤積措施的高效率。由于推移質數量較大，隧洞出現了較為嚴重的倒坡磨蝕，需要進行周期性修復。隧洞修復采用的是高性能混凝土，與其他可用的倒坡修復材料相比較，其造價在使用壽命周期內最低。

2004年投運的日本美和(Miwa)水庫沖沙隧洞由日本土地、基礎設施、運輸與旅游省負責運營，日本公共工程研究院T.櫻井在報道中指出，與其他大多數已建(在建)沖沙隧洞相比較而言，該隧洞(長約4 km)僅分流懸移質泥沙，推移質泥沙則由上游攔沙壩攔截或疏浚。

日本最新的沖沙隧洞是將于2016年投運的小澀(Koshibu)水庫沖沙隧洞，日本大壩工程中心J.柏井在報道中指出，該隧洞建設已處于最后階段，其水工結構重大改進均基于水力學模型優化試驗。

法國電力公司(EDF)E.拉彼魯薩茲對位于地中海科西嘉島1條總長133 m的隧洞進行了描述。該工程將大壩施工導流洞改建為沖沙隧洞。受工程場地的限制，閘門設置在隧洞下游而不是在取水口，由此導致了隧洞流態由自由流向有壓流變化(基于運用工況)。

中國臺灣石門、霧社、曾文和南華等多座水庫均發生嚴重水庫淤積，對上述水庫的泥沙淤積問題進行了綜述，并對遭受2004年艾利臺風影響的多功能石門水庫的規劃對策措施進行了重點分析。2012年對該水庫廠房的兩個水閘之一進行了改造，增加了其渾水泄流能力。另外，提議了4處沖沙隧洞位置。研究了改造后水閘的渾水泄流效果。針對2座擬建的沖沙隧洞，采用實體模型進行了試驗研究，數值模擬了艾利臺風水流工況下其對下游河道的影響。

中國臺灣賽美特公司C-S.龔(Kung)博士介紹了其研究成果及其解決措施。由于遭受海歐臺風(2008年)和莫拉克臺風(2009年)的影響，位于臺灣南部的南華水庫因泥沙淤積損失了38%的庫容。為此，設計了一座含沙水流流量1 000 m3/s的大型沖沙隧洞。采用水力學和數值模型試驗，對隧洞設計進行了核實與優化。

另一座規劃中的沖沙隧洞位于厄瓜多爾瓜拉班巴(Guayllabamba)河，是切斯皮-帕爾馬-雷亞(Chespi-Palma Real)工程泥沙治理的組成部分，沖沙隧洞渾水“旁側”分流量為158 m3/s。瑞士隆巴爾迪(Lombardi)工程公司的C.格里馬爾迪博士介紹了該項目的概況和沖沙隧洞的詳細設計。瑞士EPFL公司的G.德切薩雷博士報道了實體模型試驗成果：試驗復核了沖沙隧洞初步設計，優化了隧洞結構與運行方案，以滿足各頻次洪水下推移質100%“旁側”輸出效率。

裝機容量150 MW的帕特靈(Patrind)水電站位于巴基斯坦北方的昆哈(Kunhar)河與杰赫勒姆(Jhelum)河之間，目前正在進行工程水工設計與泥沙治理方案的實體模型試驗。瑞士蘇黎世聯邦理工學院水工水文冰川實驗室C.貝克提出如下建議：洪水期間通過沖沙隧洞輸移粗顆粒泥沙，隧洞設計流量為650 m3/s；對于淤積在泄水閘與圍堰壩之間水庫區域的細顆粒泥沙則采用年度沖沙。

4　經驗總結

本次研討會取得了若干成果，會議組織者從如下幾個主要方面進行了總結。

4.1水庫淤積概況

與會者一致認為：泥沙淤積治理方法多種多樣，最適合方法的選擇依具體工程實際情況而定；初步選擇應該基于庫容-徑流比CIR(水庫庫容與年均徑流量之比)和水庫壽命指數(水庫庫容與年均來沙量之比)。可持續泥沙治理經常需要綜合多種治理方法，通過水庫與大壩的合理選址與布置，盡可能開始就最小化水庫淤積風險；對于高產沙流域，可能可行的選項是引水式水庫，主要通過安置有沉沙設施的取水口蓄水。

4.2沖沙隧洞對減少水庫淤積的作用

對于庫容-徑流比和水庫壽命指數較小的水庫，沖沙隧洞效果最佳，它們既可以替代水庫沖沙，也可以作為輔助措施與水庫消落沖沙共同使用。如果在天然洪水期間運用沖沙隧洞，沖泄泥沙對于下游河道環境的不利影響便會最小。

4.3沖沙隧洞水工設計

雖然自由水面流沖沙隧洞較優，但是設計流量下有壓流也是可能的，這取決于閘門位置及其確定的控制斷面。自由水面流隧洞必須防止“氣噎”，需要預留足夠的過水斷面用于通氣，以確保安全的運行條件。對于隧洞水流流速，存在著某種“均衡”，必須足夠大以避免泥沙淤積；但最大流速又要盡量小以最小化剪應力、控制倒坡磨蝕范圍。通常建議取水口避讓漂浮物，防止閘門或隧洞其他部位出現樹木與草根阻塞；但在某些情況下，又需要允許樹木安全通過隧洞。采用垂直欄格柵需要謹慎，一旦木屑漂浮物滯留于這些構筑物，就可能影響到泥沙的輸移。

4.4適當的過流能力與運用頻率的選取

世界范圍通用的沖沙隧洞的典型過流能力大約相當于1～10 a一遇洪水，隧洞運用時段從每年幾天至每年超過100 d，取決于當地水文與水庫規模。

4.5沖沙粒徑設計

大多數沖沙隧洞的設計和運用要求通過全部來沙(從粗沙推移質到懸移質細沙)，但某些隧洞(尤其是長距離沖沙隧洞)采取的則是上游攔截和疏浚粗沙，僅讓懸移質泥沙“旁側”過壩。當來水流量超過沖沙隧洞設計流量時，細沙仍可能進入水庫并淤積。

4.6隧洞倒坡襯砌

諸如環氧樹脂灰漿、橡膠鋼板等很多材料都可采用，但采用最多的仍然是高強度混凝土；最小抗壓強度必須達到50～70 MPa，以保證足夠的抗水力磨蝕能力。鑄玄武石、石英石等天然石料也可采用，對于取水口閘門附近水流加速段等超強水力磨蝕段已成功地采用過鋼板防護。為了選取合適的襯砌材料，應同時考慮并權衡初期投資與使用壽命周期總造價等兩個方面，為此需要對磨蝕深度與各種材料的使用周期開展更多的和更為精確的預測研究。

4.7維護與修復

沖沙隧洞的功能維護可能需要耗費大量的精力與資金，起始階段就應該進行磨蝕深度預估與使用壽命周期經費評估分析。基于倒坡磨蝕范圍和隧洞穩定危害等考慮，已建沖沙隧洞的修復工作既可以在每個枯水季節按計劃定期開展，也可以在運用幾十年之后不定期實施。一開始就應該設計好隧洞進入通道。

4.8監測儀器與監測技術

現代沖沙隧洞應配備監測儀器，監測水流流速、泥沙輸移等隧洞運行特性，以便分析沖沙場次優化隧洞運行。如果采用實時監測技術，甚至可以調整每場次沖沙最大化沖沙量。另外，還可以有效地應用3D激光掃描，對磨蝕方式進行定期監測。

4.9沖沙隧洞輸沙效率與生態響應

沖沙隧洞對下游影響與“旁側”輸沙效率越來越重要。應通過對下游河道地形與生態的監測，基于下游動植物影響與“旁側”輸沙效率(“旁側”輸沙量與來沙量之比)兩個方面，優化沖沙隧洞的運行。應通過下游狀況與水庫上游未擾動河道斷面之間的對比，評估沖沙隧洞的生態影響。

5　實驗室參觀與現場考察

參會代表應邀參觀了水工水文冰川新實驗室(2013年開始使用)，期間觀摩了若干實體模型試驗，包括：巴基斯坦帕特靈水庫沖沙隧洞運行工況的檢驗與優化，埃塞俄比亞大埃塞俄比亞復興(Grand Ethiopian Renaisance)大壩底孔的泄流能力復核與布置優化，以及沖擊波與潰壩時空特性的研究項目等。

會后參觀了瑞士3座沖沙隧洞，分別位于格利桑斯州索利斯水庫、提契諾州帕拉格內德拉水庫和烏里州普法芬斯普朗水庫。參觀期間，代表們了解到了3座沖沙隧洞的詳細信息，并有機會全程步行通過了索利斯水庫的沖沙隧洞，水庫調度人員詳細講解了取水口與隧洞建設情況。在蒂芬卡斯特爾(Tiefencastel)逗留一晚之后，代表們前往帕拉格內德拉水庫，參觀了其大壩與沖沙隧洞取水口，水庫調度人員對1978年大洪水及其挑戰性修復工程進行了介紹。參觀的最后一站是瑞士最古老的普法芬斯普朗水庫(Pfaffensprung)沖沙隧洞，有關人員介紹了最新的隧洞倒坡整體修復工程。

(編輯：朱曉紅)