石門水庫增設排沙洞提高排沙能力的效果分析

邱存元，古學海

（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18 km，以灌溉為主，結合發電、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，下游反調節池（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。水庫建成至今已運行40多年，泥沙淤積十分嚴重。根據2016年實測淤積量已達到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的道路建設、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電及水庫防洪、灌溉蓄水都造成嚴重影響。根據2016年水庫管理運行單位實測淤積量達到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，水庫淤積形態早期呈帶狀淤積，后期呈三角洲和帶狀的混合淤積型態，并逐漸向錐體淤積形態發展。從淤積橫斷面來看，由于水庫長期蓄水運用，橫斷面上河床淤積水平抬升，一般沒有明顯的主槽。根據多年的河道來沙水文資料和實際取樣分析，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，而上游多為推移質。由上游馬道站統計的多年泥沙資料分析也主要以懸移質為主。

考慮到石門水庫原有排沙底孔孔徑較小，不能滿足現有排沙需求。通過對壩址處地質、大壩結構等多方面因數的分析、計算，經多方案論證，確定將現有泄洪洞進行改造，降低其進口高程到560 m，加大排沙泄流量，達到配合排沙低空進行排沙的目的。

2 分析計算

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侵蝕基準面，在一定的來水條件下，沿庫區縱向形成溯源沖刷。本文采用數值計算方法研究不同排沙設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學模型進行計算，采用擴展一維非平衡輸沙模型，考慮到整個庫區淤積物泥沙顆粒粒徑沿程差別甚大，從上游的卵石推移質淤積到壩前的異重流細沙淤積，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度的差異。

2.1 建立數學模型

水庫泥沙數學模型中，水流計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犬體內的藥動學研究 ……………………………………… 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。利用一維模型計算天然河道水流問題，關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算的水流動量與實際的斷面水流動量出現大的差異，所以在動量方程中加入動量系數α，動量系數就是對這一偏差的修正，動量系數可以由下式表示：

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，把整個斷面沿橫向劃分成若干個子斷面，將積分計算離散為求和計算，得到α的近似公式（7）。

式（7）中，Qk、uk分別為第k個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算公式為：

差分化得到：

式中，γ′為淤積物干容重，下標j和j+1分別表示計算河段的上下斷面，DA為一個時段的斷面沖淤面積。

一維模型計算的沖淤量為河段總沖淤量，另外要據此計算兩端斷面沖淤面積及橫斷面上的沖淤分布，計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，根據經驗，本次計算中認為用梯形分布更為合適，這就涉及到分配權重問題，一般情況下權重可取為（S-S*），用Wt表示，它反映了輸沙的非飽和程度。

本方程的數值解采用差分法，由式（4）、（7）、（8）和式（9）計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，進而計算斷面各水力要素。由式(11)～式(14)計算各斷面挾沙力和含沙量，泥沙計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算挾沙力和含沙量。由式（16）計算各河段沖淤量，由式（16）將沖淤量分配到上下斷面，再逐斷面分配到各個子斷面上，進而得到新的斷面地形，為下一時段的計算做準備。重復以上過程，計算下一個時段，如此繼續下去，直至計算完所有時段。見文獻[3]、[4]。

2.2 排沙計算

根據石門水庫灌區的用水需求，4～8月份為灌區夏灌用水期，1月為灌區冬灌用水期，為了增加排沙量和后期的蓄水，選在水量偏豐年份的9月中下旬進行排沙。根據褒河流域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學模型分別計算排沙效果。排沙初始地形采用2014年實測庫區淤積斷面。排沙初始庫水位統一按595.0m計算。排沙期從9月11日至30日，共20天。

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

2.3 計算結果及分析

通過對計算結果整理分析，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算結果見表2。

在現狀泄洪設施狀態下，泄洪洞進口高程596.0 m，對泄空排沙基本起不到作用，只考慮底孔排沙。利用水流泥沙數學模型分別計算了8組入庫水流條件的排沙過程。從計算結果可以看出：沖刷期入庫流量太大時，排沙量反而會減小，這是因為排沙期流量稍大便會形成壅水，排沙條件不理想。泄空排沙的關鍵是要水庫能夠泄空，侵蝕基準面得到有效的降低，才能達到理想的排沙效果。現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年份的水流條件，排沙量反而比較大，達到200萬m3左右。小流量雖然能達到較低的排沙水位，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，石門水庫計劃對現有泄洪洞進行改造，進口高程由現狀的596.0 m降低到560.0 m。按設計的泄洪洞改造方案，進口高程降低到560.0 m，在水庫泄空排沙時可以通過比較大的流量，在排沙期入庫流量稍大或出現小的洪水時，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。從表中的對比數據可以看出，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，能夠有效的恢復淤積庫容。

3 結論

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

（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用、最經濟的方式，效率也是最高的。

（3）如果在現狀條件下利用底孔排沙，雖然在理想狀況下也能達到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，達不到排沙的效果，在現有的預測、預報條件下很難把控排沙的時機。

（4）如果按照改造泄洪洞方案計算，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小的洪水時，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，不影響下一個年度的灌溉供水。

（5）為了石門水庫能夠有效的恢復庫容，發揮應有的綜合效益，應盡快實施泄洪洞改造工程，排泄已經淤積的有效庫容，延長水庫的使用壽命。