克孜爾水庫異重流排沙分析及塑造技術(shù)探究

木合塔爾·坎吉

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 工程概況

克孜爾水庫是以灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等一體化的水利樞紐。正常蓄水位在1 149.5 m，庫容量則為6.04×108m3，電站的裝機容量為4×6.5 MW。當?shù)氐乃畮旃芾砭謱ζ溟_展了7次左右的淤積測量，具體如下表1所示。從表中可以看出，運行20年的泥沙淤積值和初期的預測值對比，死水位和汛限水位高達2.5倍左右，而正常的蓄水位同樣也達到2倍左右，進而說明，泥沙淤積值高于當初的設(shè)計值，表明淤積的問題十分的嚴重。

表1 水庫泥沙淤積的測量

2 克孜爾水庫異重流排沙的規(guī)律

2.1 異重流潛入的條件分析

根據(jù)以現(xiàn)有研究的資料結(jié)果相結(jié)合來講，異重流和洪泛之間存在較大的聯(lián)系，其是低速且保持時間較長，并且大于一定的密度的低密度準穩(wěn)定濁流，而形成異重流則是由于地形和氣候以及密度差的控制，當水體的密度過小，并且地形的高差較大且構(gòu)造活動比較強烈的湖盆更加容易出現(xiàn)異重流。形成異重流最根本的條件即為：深度的清水、庫底坡降、入庫的水流含沙量。

2.1.1 水庫異重流潛入臨界的水沙條件分析

通過綜合性的對現(xiàn)有資料進行分析，把水庫出現(xiàn)異重流臨界的水沙條件總結(jié)果如下：(1)入庫流量大于120 m3/s；(2)水位保持1 140.0 m，且高于1 135.0 m；(3)入庫的流量為120 m3/s，且含沙量為25 kg/m3；(4)當入庫的流量高于900 m3/s時，含沙量則應當在15 kg/m3左右；(5)入庫的流量在120～900 m3/s時，渾水含沙量和水流量表現(xiàn)為單調(diào)減小的關(guān)系，而兩者則可以運用S≥27-0.015Q進行表示，其中S代表水流的含沙量，而Q則代表水流的流量。

2.1.2 水庫的臨界底坡分析

通常可以把異重流當作為比較特殊的明渠流，因而計算時將其簡化為均勻流。根據(jù)異重流正常的水深以及潛入點的水深得出：

(1)

式中：hn為為異重流正常的水深；h0為異重流潛入點的水深；λ′為綜合阻力；J0為庫底的坡降。

由于在異重流潛入中存在綜合阻力，因此在渾水的水深高于異重流的正常水深時潛入為不成功。根據(jù)資料選擇范圍為0.02～0.03。在上述公式(1)中的左邊值為1時，即得出異重流庫底的坡降范圍：

J1=0.001 5～0.002 2

(2)

根據(jù)水庫的庫底坡降的相關(guān)條件表明，庫底的坡降J0>J1時異重流潛入只需要達到潛入的表達公式便可。

2.2 水庫異重流的持續(xù)運行條件分析

2.2.1 持續(xù)運行水沙的條件

通過綜合性的對現(xiàn)有異重流排沙的相關(guān)資料進行分析，總結(jié)異重流持續(xù)運行臨界水沙的條件如下：(1)入庫的流量大于200 m3/s，且懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50<0.025 mm百分比≥65%；(2)入庫的流量在200～1 000 m3/s時可以運用S≥42-0.006Q來計算兩者關(guān)系；(3)和水庫形成異重流時的含沙量對比，水流含沙量在持續(xù)運行時較大，由此證明異重流能夠保持持續(xù)運行的動力來自水流泥沙。

2.2.2 異重流的持續(xù)運行時間

為準確掌握異重流在持續(xù)運行到泄水的建筑時確保泄水閘開啟的時間，進而提升排沙的工作效率，因此需要明確水庫異重流的運行到泄水建筑的所用時間。本文則以入庫段的洪水參數(shù)構(gòu)建計算運行時間的公式。

異重流的運行時間：

(3)

式中：L為異重流運行的距離；S0為入庫段洪水的含沙量；Jb為水庫的底坡比降；q為入庫水流的單寬流量；C為庫容的系數(shù)；

針對水庫而言，其大小不一，因此C也是不同，本研究的庫容系數(shù)率經(jīng)過計算得出為0.458。

3 水庫異重流的塑造分析

3.1 堤渠的布置

異重流在排沙時會導致克孜河和干流木扎提河于魚嘴區(qū)域形成交混的水流問題，進而致使克孜河的異重流大大的降低傳播的作用，由此導致泥沙淤積在了魚嘴的周圍并形成攔沙的底坎，阻止泥沙流向泄水建筑，最終減少異重流排沙的實際效果。

利用堤渠的形式來幫助塑造異重流進行排沙的主體方案內(nèi)容如下：于克孜河的上游位置構(gòu)建導流堤，進一步把帶有泥沙的水流方向改變至河道的左岸，根據(jù)水流則可以順勢而下通過順壩把泥沙導入至人工的排沙明渠，再流至壩前泄水建筑。詳細的布置如上圖1所示。

圖1 堤渠結(jié)合方案

3.2 水位的有效控制

依據(jù)實際的水流量對水位加以控制：

(1)1年一遇時控制在1 150.0 m以下。在順壩位置的兩側(cè)水位差距較小，并且排沙渠的進水口的水流十分穩(wěn)定，出口也十分的平順，排沙的效果未受到水庫回水線的淤積造成的不利影響。

(2)5年一遇時控制在1 145.0 m以下。水流的提高而導致導流堤和沖刷槽的作用力加強，進而致使一小部分的泥沙淤積在回水線的周圍；而水位顯現(xiàn)回落時在沖槽中的淤積泥沙被沖掉，進而沖刷槽完全有效的暢通。

(3)10年、20年、30年一遇時控制在1 140.0 m以下。在導流堤的上堤腳位置的沖刷深度高于5.0 m，最高時達到5.5 m；沖刷的流速高達2.9 m/s以上；沖刷槽的寬度則在80～130 m。

水庫在汛期時的沙量較高，大約占據(jù)全年的90.0%左右，而當汛期過后，水庫的水位下降到1 135.0 m時，下泄的流量保持在750.0 m3/s時可以把沙量的85.0%有效的排出，進而減少水庫的淤積。

3.3 實施的效果

自從塑造異重流的排沙使用后顯示，效果良好，并經(jīng)過現(xiàn)場的觀察來看，主河槽已經(jīng)改道走向排沙孔的左岸位置，進而異重流的距離顯著的縮短，在汛期的水位保持在1 140.0 m，泥沙完全可以跟隨異重流排出庫外。泥沙的出庫量如下表2的實際統(tǒng)計。

表2 汛期進出庫泥沙分析表

泥沙大多發(fā)生在水庫的汛期，并且入庫的泥沙十分大，而用堤渠結(jié)合塑造異重流進行排沙則同樣發(fā)生在汛中期和汛末期，此和形成異重流的相關(guān)特點所匹配，即主是泥沙較多可以多排，并且含量的沙水流非常容易導致異重流的形成。通過針對采用相應的措施前后的排沙對比分析可以看出，在汛期時的排沙效果更加的明顯，在采取上述的解決措施后的排沙比沒有實施前高達6倍。

根據(jù)表3顯示出的汛期沙峰期排沙的實際效果數(shù)據(jù)可以看出，水位有效保持在1 140.0 m以下，平均的進庫含沙量遠遠高于出庫的，但是，平均的入庫流量則全部低于出庫時的流量，并且產(chǎn)生的變化幅度遠遠高于含沙量的變化，因此，兩者作用的結(jié)果促進出庫的泥沙總量遠高于進庫，并且排沙的比例均達到高于100%，極大值高達380.2%。通過觀測支流段所形成的溯源沖刷長度為6.0 km，以及寬度40.0 m，并且平均深度高于3.0 m，排沙的效果十分明顯。

表3 汛期排沙的效果分析

4 結(jié)語

克孜爾水庫在汛期時，各項水沙的特性均達到形成異重流的各項要求，通過利用異重流來將水庫中的淤積泥沙進行排出的效果十分顯著，并且能夠提升水庫的使用年限。通過對異重流的相關(guān)資料進行分析，并總結(jié)了異重流的發(fā)生和運行到泄水建筑的各項條件，以此為基礎(chǔ)提出用于計算入庫洪水的異重流持續(xù)運行的時間方法，進而為異重流的排沙打下一定的基礎(chǔ)。然后再與水庫的特點相結(jié)合，最終開展施行堤渠輔助塑造異重流的可行方案，進而提升了水庫的排沙效果，并針對水庫前期的泥沙問題得到有效的解決，由此為后續(xù)的相關(guān)工作提供一定的參考價值。