淺議經(jīng)驗(yàn)面積減少法在泥沙壩前淤積計(jì)算中的問(wèn)題

安莉娜，黃春江

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

0 引 言

水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中，泥沙淤積計(jì)算直接關(guān)系到水庫(kù)的規(guī)模、壽命及綜合經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮；壩前泥沙淤積高程的確定，直接影響到壩體設(shè)計(jì)及死水位的選擇;庫(kù)區(qū)泥沙淤積分布，關(guān)系到水庫(kù)的興利效益;回水末端及翹尾巴高度的確定， 則是移民搬遷規(guī)劃的重要依據(jù)。因此，水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題是工程設(shè)計(jì)中必需首先解決的問(wèn)題。隨著我國(guó)“一帶一路”的戰(zhàn)略實(shí)施，非洲的國(guó)別水電站建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，針對(duì)非洲大部分河流泥沙觀測(cè)資料不完整， 甚至無(wú)泥沙觀測(cè)資料的實(shí)際情況，本文結(jié)合非洲A河流域的B水電站工程，介紹經(jīng)驗(yàn)面積減少法的應(yīng)用以及在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

1 流域水文泥沙概況

1.1 河流基本情況

A河位于坦桑尼亞(以下簡(jiǎn)稱“坦桑”)境內(nèi)，河長(zhǎng)約600 km，源頭位于坦桑南部，出口于印度洋，流域面積18.4萬(wàn)km2，是坦桑境內(nèi)9個(gè)流域中面積最大的，流域內(nèi)有常年、季節(jié)性和間歇性河流。A河流域降水約占全國(guó)總降水的1/3，徑流總量約占全國(guó)徑流量的一半。Rufiji流域主要由四大子流域構(gòu)成，分別是G、K、L和R流域。A流域徑流主要來(lái)自K流域(62%)，K流域面積僅占全流域的22%，但是流域內(nèi)降水量幾乎是其他子流域的2倍。A流域徑流較大，其所蘊(yùn)藏的農(nóng)業(yè)、能源、自然資源和服務(wù)業(yè)的潛力對(duì)坦桑意義非凡。

1.2 土壤基本情況

A流域內(nèi)土壤主要源于地質(zhì)母巖風(fēng)化，且主要土壤是來(lái)自L流域的風(fēng)化砂巖，頁(yè)巖和粉砂巖的沙，淤泥和粘土。G下游和K 下游以紅褐色淤泥/粘土、沙和淤泥為主。G上游以沙質(zhì)土壤、細(xì)淤泥和粘土火山土為主，由片麻巖，角閃石，石英巖，輝長(zhǎng)巖，斜長(zhǎng)角巖，頁(yè)巖和泥巖風(fēng)化而成。R、G和K流域的洪泛平原以黑土壤和稀疏分布的沙和淤泥土壤為主。L流域以紅色粗粒到中粒砂、淤泥和粘土為主，主要由變質(zhì)砂巖、泥巖、頁(yè)巖和大陸型粉砂巖風(fēng)化而成。

表1 水庫(kù)設(shè)計(jì)類型曲線選擇

1.3 徑流特性

A流域雨季是11月～次年5月，降水主要集中在12月～次年4月，占全年的87%，旱季6月～10月降水僅占全年降水的3.16%，具備鮮明的旱季雨季特性。流域內(nèi)降水特性與徑流特性基本一致，受流域調(diào)蓄影響，徑流稍滯后于降水，徑流主要集中在1月～5月，占全年徑流總量的79%，6月～12月徑流僅占全年的21%，多年平均流量為896 m3/s。

位于A河的B水電站壩址上游的流域面積15.8萬(wàn)km2。

1.4 泥沙特性

A流域主要由G河、K河及L河構(gòu)成，3條支流的產(chǎn)流特性差異巨大。就水量貢獻(xiàn)來(lái)講，K河流域面積僅占1/5，但是產(chǎn)流量超過(guò)一半。L河流域面積占1/5，水沙貢獻(xiàn)較為顯著。G流域占47%，但是產(chǎn)流貢獻(xiàn)僅為13%，主要是大部分水量被Usangu平原濕地蒸發(fā)。受流域地形和濕地等影響，K來(lái)水較為平穩(wěn)，很少發(fā)生急促的山洪，加之K河道平緩，濕地遍布，K產(chǎn)沙量較小。流域40%的植被為林地，32%的植被屬于林地和灌木叢或者是草地，不同地區(qū)的植被類型差異巨大，暴雨來(lái)臨時(shí)，落葉性的林地、灌木從和草地在長(zhǎng)出葉莖前無(wú)法很好的阻止水土流失，這些植被占據(jù)了L流63%的地區(qū)，廣泛分布于風(fēng)化巖石和陡坡之上，產(chǎn)沙量可能很大。K流域森林和濕地可以有效降低急流和產(chǎn)沙量，G河內(nèi)陸地區(qū)植被很差，部分地區(qū)為刺叢林覆蓋，但是大部分仍是林地和灌木叢。

FAO組織對(duì)1955年～1959年4年泥沙資料估算流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1 220萬(wàn)t。根據(jù)樣本資料，年懸移質(zhì)輸沙量介于600萬(wàn)～3 900萬(wàn)t。因此，從安全角度出發(fā)考慮25%的增量。多年平均推移質(zhì)輸沙量取多年平均懸移質(zhì)輸沙量的20%。因此，壩址處多年平均輸沙量取2 500萬(wàn)t。

2 經(jīng)驗(yàn)面積減少法簡(jiǎn)介[1- 4]

經(jīng)驗(yàn)面積減少法是由美國(guó)博蘭和米勒(Borlandand Miller)建立，后經(jīng)萊拉(Lara)修正的用來(lái)對(duì)水庫(kù)泥沙淤積分布做粗略預(yù)估的一種方法。該方法以水庫(kù)形狀為主要依據(jù)(一般水庫(kù)的庫(kù)容v與水深h的關(guān)系為v=khm。式中，指數(shù)m定義為水庫(kù)的形狀系數(shù)，在對(duì)數(shù)紙上為水深h與庫(kù)容v關(guān)系斜率的倒數(shù);k為系數(shù))。把水庫(kù)劃分為四種類型，不同水庫(kù)類型對(duì)應(yīng)不同的泥沙淤積分布。美國(guó)墾務(wù)局在后來(lái)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中又對(duì)水庫(kù)泥沙淤積分布曲線類型選擇進(jìn)行了補(bǔ)充和改進(jìn)，主要認(rèn)為水庫(kù)運(yùn)用方式也是確定水庫(kù)泥沙淤積分布最重要的因素之一，在利用水庫(kù)泥沙淤積分布曲線進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積分布設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮水庫(kù)的運(yùn)用方式及形狀進(jìn)行泥沙淤積分布曲線選擇，不同水庫(kù)類型選擇見(jiàn)表1，不同類型水庫(kù)泥沙淤積分布曲線見(jiàn)圖1。

每一水庫(kù)類型對(duì)應(yīng)的相對(duì)泥沙淤積面積公式如下:

類型Ⅰα=5.074p1.85(1-p)0.35

(1)

類型Ⅱα=2.487p0.57(1-p)0.41

(2)

類型Ⅲα=16.96p1.15(1-p)2.32

(3)

類型Ⅳα=1.486p-0.25(1-p)1.34

(4)

式中，α為相對(duì)泥沙淤積面積；p為從河底算起的水庫(kù)相對(duì)水深。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)水庫(kù)類型泥沙淤積量曲線

圖2 標(biāo)準(zhǔn)水庫(kù)類型的面積設(shè)計(jì)曲線

在應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)面積減少法計(jì)算水庫(kù)泥沙淤積分布時(shí)(有水庫(kù)實(shí)測(cè)泥沙淤積分布資料時(shí)，可應(yīng)用水庫(kù)實(shí)測(cè)泥沙淤積分布資料對(duì)該方法的適用性以及選擇淤積分布曲線類型進(jìn)行驗(yàn)證)，應(yīng)首先判斷水庫(kù)類型，其后根據(jù)由入庫(kù)水沙條件及水庫(kù)運(yùn)用方式等估算庫(kù)區(qū)的泥沙淤積量，最后利用相應(yīng)水庫(kù)類型的泥沙淤積分布公式進(jìn)行泥沙淤積分布計(jì)算。

3 泥沙淤積計(jì)算

3.1 淤積量[5- 6]

查Brune攔沙率曲線，攔沙率95%。A水電站壩址多年平均輸沙量2 500萬(wàn)t，淤積在年沙量為2 375萬(wàn)t，泥沙容重為1.25 t/m3，年淤積量為1 900萬(wàn)m3。A水電站為大型水庫(kù)，泥沙淤積按100年設(shè)計(jì)，則水庫(kù)泥沙淤積總量為19億m3。

3.2 淤積形態(tài)

根據(jù)陜西省水利科學(xué)研究院和清華大學(xué)水利系研究的經(jīng)驗(yàn)公式[7]

K=10-4/(V/Ws入i0)K

(5)

式中，WS入為100年入庫(kù)沙量，m3；i0為庫(kù)區(qū)河床比降。K>2.2時(shí)，水庫(kù)為三角洲或帶狀淤積；K<2.2為錐體淤積。

經(jīng)計(jì)算，A壩址K>2.2，為三角洲或帶狀淤積。

3.3 壩前淤積高程[8]

(1)水庫(kù)類別判斷。將壩前水深h與庫(kù)容V點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)紙上(見(jiàn)圖3、4)，獲得庫(kù)容V和水深h的冪函數(shù)關(guān)系為V=0.002 4h3.350 2，指數(shù)m為2.705 7。由表2可知，A水電站類型為II型。同樣在雙對(duì)數(shù)紙繪制A-h曲線，獲得冪函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=0.002 4 h2.705 7。

圖3 A水電站壩前水深h與庫(kù)容V關(guān)系

圖4 壩前水深h與水面面積A關(guān)系

(2)確定壩前淤積深度。壩前泥沙淤積深度采用“經(jīng)驗(yàn)面積減少法”，基本關(guān)系式

(1-v0)/a0=(Vs-Vh)/HA0

(6)

式中，v0為淤積起點(diǎn)以下的水庫(kù)容積；Vh為壩前h深度以下的淤積容積；Vs為水庫(kù)總淤積量；a0為h=h0時(shí)a0，淤積起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)容積面積；A0為h=h0時(shí)，淤積起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水庫(kù)面積。

圖5 A水電站100年淤積曲線與四個(gè)類型輔助線關(guān)系

從圖5中可見(jiàn)，A水電站100年淤積線與四條輔助線均有交點(diǎn)，按公式計(jì)算壩前淤積深度分別為7.19、25.40、36.43、38.77 m，根據(jù)水庫(kù)類型判斷II，A水電站壩前淤積深度應(yīng)25.40 m。

4 結(jié)論和存在問(wèn)題

(1)經(jīng)驗(yàn)面積減少法在應(yīng)用坦桑尼亞無(wú)水沙資料區(qū)域時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)地考察對(duì)土壤和水沙條件初步判斷，并結(jié)合庫(kù)區(qū)地形以及水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力綜合判斷。A水電站按水庫(kù)類型判斷屬于洪積平原型、山前型，按照經(jīng)驗(yàn)面積減少法推算壩前泥沙淤積深度為25.40 m，但流域產(chǎn)沙量較少。如果壩前淤積深度為25.40 m，則水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)呈現(xiàn)椎體淤積，與前述泥沙淤積形態(tài)判別不一致，估應(yīng)結(jié)合I型推算的壩前淤積深度和現(xiàn)場(chǎng)考察的初步認(rèn)識(shí)后，綜合取值。

(2)4個(gè)輔助線間距較大，m值位于臨界附近時(shí)，壩前淤積深度受水庫(kù)類型的影響較大。A電站水庫(kù)類型的m指數(shù)3.350 2，接近II型上限，同時(shí)接近I型下限，但兩個(gè)類型的壩前淤積深度差值為18.20 m，差異懸殊，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察和經(jīng)驗(yàn)做出初步判斷；否則，難以決策。