某新建中型水庫工程泥沙淤積及回水計算分析

王 濤

（安義縣水利局,江西 安義 330500）

1 工程概況

某新建中型水庫規模屬Ⅲ等中型工程,主要建筑物有瀝青混凝土心墻砂堆砂礫石壩、溢洪道、泄洪排沙洞和輸水隧洞,其中瀝青混凝土心墻砂堆砂礫石壩壩高超過70 m,建筑物級別為2 級,溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞及下游消能等主要建筑物等級為3 級,邊坡、尾水渠等次要建筑物為4級［1］。水庫工程任務是以城鄉生活、工業、農業灌溉為主,兼顧下游防洪,改善河道生態環境、維持區域濕地生態系統穩定,為實現區域城鄉一體化和社會經濟可持續發展提供水資源保障、流域上下游、左右岸“定時定量”的分水提供重要工程控制手段、實現流域水資源合理配置、高質量發展奠定基礎。水庫在規劃設計時泥沙淤積及回水計算分析對確定水庫工程規模至關重要,本文主要從這兩個方面進行分析。

2 庫區泥沙計算

2.1 流域產沙概況

由于水庫流域氣候干燥降雨少,地表植被差,降雨形成地表徑流時,地表被沖刷,水流挾沙入河,是河道泥沙的主要來源,此外,由于河谷狹窄、山高溝深,兩岸局部河段岸坡失穩塌落入河,也是河道泥沙的另一個來源。該流域降水量隨地面高程的降低而減少,深山區降水量較多,植被較好,人類活動影響較小,因而入河泥沙較少,朱龍關以下的淺山區,降水減少,地表植被稀疏,加上過渡放牧和修路開礦等人類活動的影響,入河泥沙明顯增加,河流泥沙主要來自洪水期。

2.2 泥沙輸移量

2.2.1懸移質泥沙量計算

（1）泥沙測驗及整編情況

新建水庫流域內有一水文站（稱“BG”水文站）,該水文站有較長系列的水文泥沙實測資料,據1955年~2002年水文站實測資料統計,多年平均懸移質輸沙率22.2 kg/s,多年平均懸移質輸沙量70.1萬t,多年平均懸移質含沙量1.12 kg/m3,多年平均侵蝕模數102 t/km2。由于泥沙主要來源于降雨對地表的沖刷,而降雨多發生于汛期,因此河道來沙量年內分布很不均勻,主要集中于汛期,6月~9月懸移質輸沙量67.4萬t,占年輸沙量的96.1%［2］,平均含沙量1.66 kg/m3,其中7月~8月輸沙量58.0萬t,占年輸沙量的82.7%,平均含沙量2.52 kg/m3。

根據《多年平均侵蝕模數圖》分析可知,壩址處多年平均侵蝕模數在100 t/km2~200 t/km2,本文水庫輸沙量計算采用100 t/km2,故中壩址處多年平均懸移質輸沙量33.0萬t,其年內分配過程采用冰溝水文站實測的多年平均分配過程。

（3）水庫樞紐工程壩址懸沙級配分析

該新建水庫所在流域內“BG”水文站無懸移質顆粒級配資料,與其相近相同特征的只有附近水文站有懸移質顆粒級配資料,該水文站實測懸移質泥沙顆粒較粗,d50=0.041 mm,平均粒徑d=0.101mm,小于分界粒徑0.015 mm的泥沙沙量僅占28%,實測河床質泥沙顆粒級配D50=54 mm。

2.2.2推移質

流域內“BG”水文站僅有17個月的零星推移質泥沙測驗資料,且由于測驗儀器性能較差,資料精度較低,據1965年實測資料分析年推移質輸沙量為3.01萬t,占該年懸移質輸沙量的23.2%。

新建水庫所在流域汛期暴雨洪水集中,侵蝕強烈,非汛期由于降水少、流量小的關系,輸沙量很小,因此推移質的輸沙主要在6月~9月,推移質輸沙量按6月~9月懸移質所占比例分配到各月,基于安全考慮,取推懸比為0.25,壩址推移質輸沙量為8.25萬t,各月份懸移質輸沙量和推移質輸沙量之和為總輸沙量,壩址處的多年平均年總輸沙量為41.3萬t,壩址處月輸沙量成果見表1。

表1 壩址處泥沙計算成果表 單位：萬t

3 水庫泥沙及回水分析

3.1 水庫泥沙沖淤分析

水庫泥沙淤積計算采用平衡比降法對50 年庫內淤積沙量擺放,計算斷面采用萬分之一地形圖人工切割橫斷面資料。新建水庫河段屬河谷與峽谷連接型河段,河寬變化較大,切割有15 個橫剖面,庫尾橫15距離壩址為8.923 km,各斷面關系見表2。

表2 新建水庫壩址庫區各斷面情況表

（1）泥沙淤積形態

采用如下判別式,分析淤積形態：

式中： 為淤積形態判別參數,如 ＜0.3,為錐體淤積, ＞0.3,為三角洲淤積［3］；V為水庫總庫容,為0.8922 億m3；W為總入庫水量,水庫壩址處多年平均總水量為3.63 億m3。

經計算, =V/W=0.25, ＜0.3,為錐體淤積,從以上判別公式的結果看出,新建水庫壩址的淤積形態為錐體淤積。

（2）平衡比降

采用具有實測資料的寺溝峽河段進行類比,這一河段的原始河床比降J0為3.4‰,建庫后平衡比降J為1.1‰,J/J0=0.32,新建水庫庫區中壩址的原始河床比降為8.4‰,求得平衡比降為2.7‰。

（3）造床流量

造床流量的計算方法很多,本次只按2年一遇洪峰流量一種方法計算［4］,經計算2年一遇洪峰流量為64 m3/s。

（4）穩定河寬及穩定水深

根據阿爾圖寧等有關公式計算穩定河寬Bm=31.4 m（A取1.1）,平均水深1.35 m,穩定過水面積42 m2。

（5）水庫泥沙淤積計算結果

該新建水庫多年平均入庫懸移質沙量33萬t,干容重取1.3 t/m3,則懸沙量換算為25.38萬m3,推移質沙量為8.25萬t,干容重取1.6 t/m3,則推沙量換算為5.16萬m3,全年總來沙量為30.54萬m3。

該水庫采用壅水排沙運行方式,汛期基本為蓄洪運用。由于水庫流域內各水文站無泥沙級配實測資料,參考YLX水文站實測泥沙級配資料,小于粒徑0.0015 mm的泥沙占28%,新建水庫汛期懸移質的排沙比暫取5%,推移質全部淤積在庫內。

淤積年限按50 年計算,懸移質總淤積沙量為1205.77 萬m3,推移質總淤積沙量為257.81萬m3,庫內總淤積沙量為1463.58萬m3。經試算,50 年淤積量1464萬m3的壩前淤積高程3148.4 m,淤積成果見表3,新建水庫壩址淤積50 年縱剖面見圖1。

圖1 擬建水庫壩址淤積50年縱剖面圖

表3 新建水庫壩址庫區淤積成果表

3.2 水庫回水計算

（1）洪水頻率按《水利水電工程建設征地移民安置規劃設計規范》（SL 290-2015）中的有關規定［5］,分別計算汛期5年和20 年洪水的水庫回水。土地淹沒為5 年一遇洪水（P=20%）,農村居民點、電話線、輸電線等為20 年一遇（P=5%）洪水,庫區周邊正常淹沒按照多年平均流量計算。經計算,本水庫5 年一遇洪水（P=20%）洪峰流量133 m3/s,20 年一遇（P=5%）洪水洪峰流量380 m3/s,多年平均流量為11.51 m3/s。

（2）庫區各斷面處綜合糙率根據實際調查成果,壩前（前10 個斷面）采用0.030,庫尾（后5個斷面）采用0.035。

（3）回水計算在淤積30年床面上進行,30年庫內淤積總量878 萬m3,壩前淤積高程為3142.5 m,起算水位為正常蓄水位3187.2 m,擬建水庫壩址回水成果見表4,縱剖面見圖2。

表4 新建水庫中壩址回水成果表

圖2 新建水庫中壩址回水縱剖面圖

由表4可見,擬建水庫5 年一遇（P=20%）和20年一遇（P=5%）洪水尖滅點都位于庫尾橫14斷面,距離壩址8622 m處。橫14處于庫尾部分,兩個標準洪水洪峰流量對應的河床寬度約為105 m左右,洪水流速為2.9 m3/s,佛汝德數為0.87,屬恒定緩流狀態。兩個標準洪水的回水高程分別為3191.22 m（P=20%）和3192.24 m（P=5%）,分別高于所在斷面河底高程1.22 m和2.24 m。多年平均流量11.51 m3/s的尖滅點也位于庫尾橫14 斷面,距離壩址8622 m處,回水高程為3190.6 m,高于所在斷面河底高程0.6 m。

通過分析,水庫淤積和回水相互作用,水庫泥沙入河到一定高程導致庫水位上升回水,進而使水庫進一步淤積。

4 結論及建議

本文經過研究分析,新建中型水庫樞紐工程壩址的庫沙比為210,相對庫大沙小,對本水庫樞紐引水防沙等方面極為有利,在水庫的運行方式主要考慮下游灌溉用水,庫區淹沒損失在正常蓄水位3187.2 m左右不會有較大變化,當水庫運行超過10 年后,庫內泥沙淤積量會少量侵占興利調節庫容,這時當入庫洪水大于P=20%五年一遇洪水流量133 m3/s時,降低庫水位至死水位3155.0 m,集中沖沙2 天,降低壩前槽庫容淤積高程,減少庫內淤積沙量,對保持興利庫容、增加水庫使用壽命較為有利。具體調度運行方式應在水庫投入運行后,加強庫區泥沙監測,不斷探索完善其運行方式。