泥沙淤積對肯斯瓦特水利樞紐工程的影響分析

高宗昌

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一分院，832000，石河子）

泥沙淤積對肯斯瓦特水利樞紐工程的影響分析

高宗昌

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一分院，832000，石河子）

泥沙淤積；影響分析；肯斯瓦特水利樞紐

一、工程概況

肯斯瓦特水利樞紐工程是瑪納斯河流域規(guī)劃推薦的一期工程，位于瑪納斯河中游河段，壩址以上為高山區(qū)V形河谷。水庫具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成。水庫控制灌溉面積 316.3萬畝 （1畝=1/15 hm2），電站裝機(jī)容量100MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.703億 kWh。水庫死水位955m，正常蓄水位990m，總庫容1.88億m3，為大（2）型Ⅱ等工程。

二、徑流及泥沙特性

1.徑流特性

瑪納斯河發(fā)源于天山北坡依連哈比爾尕山，是一條多沙山溪性河流，水庫壩址斷面集水面積4 637 km2，多年平均年徑流量12.21億m3。

瑪納斯河徑流受氣溫和降水影響，主要來源于高山區(qū)積雪和冰川消融，因此氣溫較高的6—9月水量占全年徑流量的80.16%，其中7—8月水量占全年徑流量的55.31%，而枯水時段徑流補(bǔ)給主要是冰川融水和地下潛流補(bǔ)給，徑流量僅占全年徑流量的10.88%。

洪水成因也是高溫期積雪融化為主、降水為輔，洪峰不高但是量大，持續(xù)時間長，時間和水量都集中在7—8月。

瑪納斯河區(qū)間產(chǎn)流特性是高中山區(qū)冰雪消融和降雨補(bǔ)給河道，而中低山區(qū)由于降水量減少蒸發(fā)、滲漏量加大，徑流量隨集水面積增加不大，河流出山后徑流量不斷減少，為徑流散失區(qū)，因此肯斯瓦特壩址以上為瑪納斯河徑流的主產(chǎn)區(qū)。

2.泥沙特性

瑪納斯河的泥沙主要來源于降水、融雪匯流對流域面的侵蝕和水流對河道的沖刷，其中山區(qū)中下部為主要產(chǎn)沙段。而降水是泥沙產(chǎn)生多少的主導(dǎo)因素，降水強(qiáng)、次數(shù)多則輸沙量就大。年內(nèi)分配上6—8月是大沙期，含沙量大于2.5 kg/m3，輸沙量占到全年輸沙量的94.1%；7—8月含沙量高達(dá)4.0kg/m3，輸沙量占到全年輸沙量的80%以上。

肯斯瓦特?cái)嗝鎻搅鳌⒛嗌持鹪路峙湟姳?。

據(jù)多年實(shí)測值統(tǒng)計(jì),瑪納斯河懸移質(zhì)多年平均輸沙量327萬t，輸沙率為106.8 kg/s，同期含沙量為2.678 kg/m3，侵蝕模數(shù)726.1 t/km2。多年平均推移質(zhì)輸沙量為45萬t。

肯斯瓦特水庫年均入庫總沙量約為372萬t，泥沙淤積是本樞紐工程需要重點(diǎn)研究和解決的問題。

三、對肯斯瓦特水利樞紐工程的影響分析

1.對水庫庫容的影響分析

肯斯瓦特?cái)嗝娑嗄昶骄斏沉?72萬t，庫沙比59.64，屬于泥沙嚴(yán)重河流，泥沙對水庫庫容及運(yùn)行等的影響比較大。水庫庫容確定的三個要素包括：綜合利用需要的調(diào)節(jié)庫容、泥沙淤積庫容和防洪調(diào)度庫容，而泥沙淤積對庫容的影響主要反映在對死水位、死庫容、正常蓄水位和調(diào)節(jié)庫容的影響。那么，泥沙淤積對肯斯瓦特水庫死庫容及調(diào)節(jié)庫容的影響如何，需要進(jìn)行研究分析。

表1　肯斯瓦特?cái)嗝鎻搅鳌乙瀑|(zhì)泥沙多年平均分配表

2.對死水位、死庫容的影響

死水位選擇通常一是不低于灌溉等綜合引水要求的高程，二是預(yù)留一定的泥沙預(yù)計(jì)庫容，三是考慮水庫岸坡穩(wěn)定對消落水位變幅的限制，四是提高發(fā)電水頭。

肯斯瓦特水庫控制的灌區(qū)高程在500m以下，壩址處河床高程874 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綜合利用引水要求的高程；水庫岸坡的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造是影響岸坡穩(wěn)定的因素，肯斯瓦特水庫庫區(qū)兩岸岸坡較陡，為巖質(zhì)岸坡，局部會發(fā)生崩塌掉快，但是沒有大的滑坡和大規(guī)模松散堆積，不影響死庫容和死水位的選擇。因此，泥沙淤積和提高發(fā)電水頭是肯斯瓦特水庫死水位選擇的控制因素，提高發(fā)電水頭由動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析論證。泥沙淤積對肯斯瓦特死庫容的影響，根據(jù)非均勻沙不平衡輸沙理論，建立水庫沖淤及河床演變數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，死水位955m時，水庫運(yùn)行至第30年，死庫容由原來的6 053萬m3減少至2 912萬m3，死庫容損失率為51.9%；水庫運(yùn)行至第50年，死庫容減少至1 131萬m3，死庫容損失率為78%。由此看出，死水位的選擇必須滿足水庫泥沙淤積的要求，通過分析計(jì)算，設(shè)計(jì)推薦955m高程的死水位，可以滿足工程使用期功能的要求。

3.對正常蓄水位及水庫調(diào)節(jié)庫容的影響

水庫正常蓄水位由灌溉等綜合利用所需要的調(diào)節(jié)庫容及該范圍的泥沙淤積量、提高發(fā)電水頭及保證出力需要的調(diào)節(jié)庫容決定，水庫泥沙部分淤積在了死庫容中，部分淤積在水庫調(diào)節(jié)庫容中對調(diào)節(jié)庫容有影響。通過水庫沖淤及河床演變數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，水庫運(yùn)行至第30年調(diào)節(jié)庫容由11 013萬m3減少到9 311萬m3，淤積量1 702萬m3，有效庫容保留率為84.5%；水庫運(yùn)行至第50年調(diào)節(jié)庫容剩余8 286萬m3，淤積量2 727萬m3，有效庫容保留率為75.2%。泥沙淤積同樣對水庫調(diào)節(jié)庫容有較大的影響。灌溉是肯斯瓦特水庫的主要任務(wù)，設(shè)計(jì)推薦的正常蓄水位990m對應(yīng)的調(diào)節(jié)庫容可以滿足工程使用期灌溉保證率不小于75%的要求。

通過分析計(jì)算，50年時水庫總淤積量為5 649萬m3，51.8%淤積在了死庫容中，48.2%淤積在了調(diào)節(jié)庫容中。泥沙淤積對肯斯瓦特水庫庫容影響比較大。不同淤積水平年淤積量對肯斯瓦特水庫庫容的影響見表2。

2.對水庫運(yùn)行方式的影響分析

肯斯瓦特水庫具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能，水庫運(yùn)行從防洪方面考慮，汛期要求水庫水位低于防洪限制水位；從灌溉用水方面則要求水庫進(jìn)行豐、枯期水量調(diào)節(jié)，調(diào)整出庫流量，滿足灌區(qū)灌溉用水要求；而從電力系統(tǒng)發(fā)電方面考慮，供水期通過水庫調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)峰，非供水期在服從灌溉用水的前提下，盡量抬高發(fā)電水頭，提高發(fā)電效益。由于泥沙的影響，設(shè)計(jì)提出了“排混蓄清”運(yùn)行思路，經(jīng)長系列調(diào)節(jié)計(jì)算，肯斯瓦特水庫4—7月低水位運(yùn)行，8—9月水庫蓄到較高水位。肯斯瓦特水庫汛期限制水位984m，結(jié)合水庫沖淤及河床演變數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，7月份水庫低水位排沙運(yùn)行，在水庫運(yùn)行的前20年水庫水位維持在死水位955m，后20年，7月水庫水位則要求降低到945m，這樣，可最大限度地排沙出庫，提高水庫有效庫容保留率，滿足水庫工程任務(wù)對庫容的要求。

3.對水庫樞紐布置的影響分析

肯斯瓦特水利樞紐工程擋水建筑物面板砂礫石壩攔河布置，溢洪道、泄洪洞、發(fā)電洞等建筑物布置在大壩右岸，其中，泥沙淤積對工程布置有影響的建筑物主要是發(fā)電洞和泄洪沖砂洞。發(fā)電洞由進(jìn)口引渠段、閘井段、上平洞段、斜井段、下平洞段和岔管段組成，進(jìn)水口閘門孔口尺寸為5.5m×6.0m，底板高程940m。泄洪洞采用龍?zhí)ь^與導(dǎo)流洞結(jié)合，由引渠段、進(jìn)水塔、龍?zhí)ь^、洞身結(jié)合段、出口泄槽段、消力池及護(hù)坦段組成，進(jìn)水口閘井工作門孔口尺寸4.0m×4.1m，底板高程920m。

為了分析研究泥沙淤積對樞紐建筑物布置的影響，優(yōu)化泄洪洞和發(fā)電洞進(jìn)水口的布置，進(jìn)行了肯斯瓦特水庫壩區(qū)泥沙物理模型試驗(yàn)研究。經(jīng)研究分析，泄洪沖砂洞底板高程920m與930m兩方案相比，在相同庫水位條件下，降低泄洪沖砂洞進(jìn)口高程可使泄洪沖砂洞排沙含沙量有所增加，其含沙量約為發(fā)電洞的1.4倍。在相同庫水位條件下，粒徑大于0.05 mm的總排沙量中，泄洪洞底板930m時，發(fā)電洞下泄29.2%，泄洪洞下泄的占70.8%；泄洪洞底板920m時，發(fā)電洞下泄22.4% ，而經(jīng)泄洪洞下泄的占77.6%。降低泄洪沖砂洞進(jìn)口高程可使泄洪沖砂洞排沙含沙量有所增加，且使得排沙粒徑變粗，對減少粗顆粒泥沙進(jìn)入發(fā)電洞有較好的效果。

表2　肯斯瓦特水庫各不同淤積水平年淤積量統(tǒng)計(jì)表

表3　泄洪洞不同底板高程發(fā)電洞與泄洪洞進(jìn)沙情況比較表（年常遇流量256m3/s，汛限水位條件下）

設(shè)計(jì)方案設(shè)置高程較低的泄洪洞沖砂洞進(jìn)水口，從水庫排沙保持長期有效庫容以及減少進(jìn)入電站含沙量和有害粒徑方面均有一定作用，較低的泄洪洞沖砂洞底板高程更有利于排沙和工程的長期運(yùn)行。泄洪沖砂洞進(jìn)水口貼近發(fā)電洞進(jìn)水口或直接布置在與發(fā)電洞同一垂直面上可對降低發(fā)電洞前泥沙淤沙高程起到更好的作用。設(shè)計(jì)最終采用了泄洪沖砂洞與發(fā)電洞聯(lián)合布置方案，同時泄洪洞采用了920m底板高程，提高了排沙效果，最大程度地減小了泥沙淤積對發(fā)電系統(tǒng)的影響(表3)。

四、結(jié) 語

水庫泥沙淤積問題是水庫建設(shè)及運(yùn)行的難題。在河流上修建水庫,勢必會破壞天然河流水力、泥沙條件與河床邊界的相對平衡，使水沙條件與河床形態(tài)重新調(diào)整。庫區(qū)水位壅高，水深增大，流速減小，水流輸沙能力顯著降低，造成壩上游庫區(qū)的泥沙淤積。因此，水庫泥沙淤積問題處理是否妥當(dāng)，將會影響到水庫運(yùn)行中正常效益的發(fā)揮、水庫有效庫容及水庫使用壽命，還會給水利工程及河道帶來新的問題。

由于泥沙淤積導(dǎo)致水庫功能減退以及水庫報(bào)廢的例子很多。肯斯瓦特水利樞紐工程在設(shè)計(jì)時，充分分析和研究了泥沙淤積對水庫庫容、水庫調(diào)度運(yùn)行、建筑物布置等的影響，工程在確定設(shè)計(jì)參數(shù)時考慮了泥沙的影響。肯斯瓦特水利樞紐工程于2010年10月26日截流，在2015年12月28日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，目前水庫蓄水位為970 m，工程運(yùn)行一切正常。水庫上游有2座水文站可以監(jiān)測入庫前泥沙情況，庫中泥沙淤積形態(tài)需要后期運(yùn)行管理中分年度監(jiān)測。泥沙淤積究竟對樞紐工程有怎樣的影響，是否與當(dāng)初設(shè)計(jì)計(jì)算所確定的狀況相符，還需要后期的驗(yàn)證來復(fù)核設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，以達(dá)到對類似工程的參考作用，并使肯斯瓦特水利樞紐工程設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)能夠發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

[1]新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程可行性研究報(bào)告[R].2008.

[2]中國水利水電科學(xué)研究院.肯斯瓦特水庫泥沙淤積數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究[R].2009.

[3]中國水利水電科學(xué)研究院.肯斯瓦特水庫壩區(qū)泥沙物理模型實(shí)驗(yàn)研究[R].2009.

責(zé)任編輯李建章

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1000-1123（2016）04-0028-03

2015-07-27

高宗昌，高級工程師。