官山水庫泥沙設計及減淤問題的探討

楊 超

（貴州新中水工程有限公司,貴州 興義 562400）

1 工程概況

官山水庫位于貴州省安龍縣龍山鎮丫科村境內,大壩建在丫科小河上,工程樞紐距離丫科村1km,距離龍山鎮約10 km,距離安龍縣城約35 km。水庫所在的丫科小河屬珠江流域北盤江的二級支流,大田河的一級支流。丫科小河發源于龍山鎮巧嶺村后山的納磨附近,河源高程1456.5 m,河流總體為西北至東南流向,流經巧嶺、丫科、拉坡等村,在拉坡村海子處進入落水洞后匯入大田河,落水洞海拔高程為1005 m。丫科小河伏流口以上流域33.5 km2,主河道長11.5 km,主河道平均比降為26.3‰。官山水庫壩址以上集水面積為13.1 km2,主河道長6.7 km,主河道加權平均比降8.9‰。水庫所在流域參數特征值見表1。

表1 流域參數特征值表

官山水庫的主要工程任務為解決安龍縣龍山鎮、篤山鎮總人口18810 人（其中集鎮人口8878 人,農村人口9932 人）的飲水問題和9308 畝（其中水田7685 畝,旱地1623 畝）灌溉用水問題。大壩壩型為C15 自密實混凝土堆石重力壩,壩頂高程1213.2 m,最大壩高24.6 m,壩頂寬度5.0 m,水庫總庫容446.0 萬m3,水庫正常蓄水位1211.5 m,正常蓄水位對應庫容350.8 萬m3,死水位1203.5 m,死庫容37.8 萬m3,興利庫容313 萬m3,設計年供水量443.1 萬m3。

2 設計入庫泥沙

2.1 入庫水沙特征

官山水庫泥沙主要來源于暴雨對坡面的侵蝕,以及洪水對河床的沖刷。丫科小河屬典型的山區雨源性河流,洪水均由暴雨產生,具有陡漲陡落,峰量集中、漲峰歷時短等山區性河流的特點。暴雨天氣主要出現在5 月～9 月,也有少數年份出現在10 月。由于流域面積小,河床比降大,洪水匯流時間短,一般從洪水發生至洪峰形成只有2～3 小時,且洪水陡漲陡落。

丫科小河流域無河流泥沙資料。水庫所在的流域內開墾度一般,流域內地勢較陡,但坡面農墾度一般,水土流失一般。由于無泥沙資料,其河流泥沙情況參照《貴州省懸移質多年平均年侵蝕模數分區圖》進行分析與計算。從圖中可以看出,設計流域年輸沙模數在G=200 t/km2～500 t/km2之間；從對工程位置及流域的現場查勘情況看,河流懸移質不算嚴重,河道堆積物主要是推移質。結合同類工程綜合分析,取懸移質輸沙模數為350 t/km2,推移質按懸移質的20%取值。通過計算,官山水庫壩址多年平均年輸沙量0.5502 萬t,其中懸移質0.4585 萬t,推移質0.0917 萬t,泥沙容重取1.3 t/m3,多年平均含沙量0.57 kg/m3。

2.2 水庫泥沙淤積形態及淤積量

2.2.1 官山水庫縱向淤積形態分析判別

水庫淤積形態跟入庫水沙條件、水庫地形及壩前水位變化等因素有關,水庫的縱向淤積形態有三角洲淤積、帶狀淤積和椎體淤積三種基本形態。根據官山水庫的實際情況,采用清華大學水利系及西北水利科學研究院的判別系數法公式進行淤積形態判別,判別公式為：

式中：V 為時段平均庫容,m3,設計時采用正常蓄水位以下庫容；WS為時段平均入庫沙量,m3,設計時以50年入庫沙量計；J0為原河道比降,以萬分率計。

當α′ ＜2.2 為錐體淤積；當α′ ＞2.2 為三角洲淤積或帶狀淤積。

官山水庫V=350.8 萬m3,WS=20.5 萬m3,J0=8.9‰,經計算α′ =0.19＜2.2,則判別官山水庫理論的泥沙淤積形態為椎體淤積,因此在規劃設計時泥沙按椎體淤積形態分布進行計算。

2.2.2 泥沙淤積量計算

根據泥沙分析與計算成果,泥沙容重取1.3t/m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）,官山水庫為Ⅳ等小（1）型水庫,根據《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》（SL 654-2014）,官山水庫合理使用年限為50年,因此,本次設計泥沙淤積按50年計算,采用多年平均排沙比法確定水庫泥沙淤積量,其計算公式如下：

式中：V沙為水庫泥沙T年淤積庫容,萬m3；1-η 為水庫攔沙率,1-η=0.98；G 為多年平均輸沙模數,t/km2；F 為集水面積,km2；T 為泥沙淤積年限,年；γs為泥沙容重,t/m3；Ψ 為推懸比,取0.2。

根據水庫徑流成果資料,結合《泥沙設計手冊》[4]中“攔沙率”經驗關系曲線圖進行泥沙淤積計算。通過計算水庫運行50年的水平淤積高程為1202.18 m,壩前淤積高程為1199.79 m[1]。官山水庫各運行年限泥沙淤積計算成果見表2。

表2 官山水庫各運行年限泥沙淤積計算成果表

3 水庫運行管理中的減淤措施

3.1 水庫泥沙淤積的危害

水庫內的泥沙淤積問題一直都是水庫建設及運行管理中的難題。水庫的修建勢必會對天然河流的水力、泥沙條件與河床邊界的相對平衡造成一定破壞,使河流的水沙條件與河床形態重新調整形成新的相對平衡。水庫下閘蓄水后庫水位上升,流速降低,水流的挾沙能力顯著下降,泥沙淤積在庫區內,同時壩下游河段將進行再造床調整[1]。因此水庫泥沙淤積問題的處理將會影響水庫的有效庫容、使用壽命及興利調節,從而影響水庫的經濟效益。

3.2 水庫的減淤措施

水庫匯水區內的來沙量與庫區內的泥沙淤積量成正比,匯水區內的來沙量越多,庫內的泥沙淤積就越多。水庫蓄水后泥沙淤積問題是必須要考慮的問題,國內外目前解決泥沙淤積的主要措施有：上游攔截、異重流排沙、滯洪排沙、基流排沙、機械清淤等措施[2]。官山水庫泥沙主要來源于暴雨對坡面的侵蝕,以及洪水對河床的沖刷。根據上述的減淤措施結合官山水庫的來沙特點,官山水庫的減淤措施可歸納為“擋”和“排”兩方面。

3.2.1 “擋”

“擋”就是通過工程措施或非工程措施把泥沙擋在庫外,從而達到減緩泥沙淤積的效果。加強官山水庫流域內的水土保持工作無疑是水庫減淤措施的一條根本途徑,但官山水庫流域面積小,流域內耕地較多,水土保持工作是一項長期而艱辛的工作,應加強水庫流域水土保持規劃,分期分批進行治理,對水庫流域內水土流失嚴重、侵蝕模數大的區域應優先治理。提高水庫流域區內的植被覆蓋率和土壤的抗蝕能力,改善水庫流域內的生態環境,能有效減少進入庫區的泥沙量。在治理措施上要以非工程措施和工程措施相結合,對流域內坡陡、侵蝕嚴重的區域要實施禁牧、禁耕及封山育林等措施；對于流域內的來沙可采用流域攔沙和河道內攔沙,其中流域攔沙就是在降低流域內水土流失的同時加強各支溝的綜合防治措施,即各支溝小流域的攔、蓄、排相結合的坡面、溝渠工程的防治措施,從而減少各支溝小流域的來沙量；河道內攔沙就是在水庫上游河道內修建相應的攔沙設施,降低水中含沙量,從而減少入庫泥沙量,是減少水庫泥沙淤積量的最直接的辦法。針對官山水庫可以在水庫上游比降較為平緩的河段修建攔沙設施,對洪水中的推移質進行攔截,降低入庫的泥沙量,從而減緩庫區泥沙的淤積速度,保證水庫正常的興利調節。

3.2.2 “排”

“排”就是泥沙進入水庫后通過一系列措施將其排出庫外,從而達到減淤效果。根據官山水庫的徑流特征及來沙特性,官山水庫排沙可采用異重流排沙、滯洪排沙、基流排沙及機械清淤等措施。

（1）異重流排沙

根據官山水庫的實際情況,丫科小河汛期徑流量占全年徑流量的84.7%,枯水期徑流量占全年徑流量的15.3%,河流的徑流量及來沙量高度集中于汛期,汛期洪水攜帶大量的泥沙,利用庫內清水的比重小于入庫洪水的比重大,使入庫洪水潛入庫底向前壩前移動的異重流,及時打開沖沙底孔閘門,將挾沙量高的異重流順著沖沙底孔排出,實現蓄清排渾,減少了庫內的泥沙淤積,從而達到排沙清淤的效果。

（2）滯洪排沙

由于丫科小河屬典型的山區雨源性河流,洪水具有陡漲陡落,峰量集中、漲峰歷時短等山區性河流的特點。可在汛期將水庫的沖沙底孔閘門打開,讓水庫保持低水位或空庫迎接洪水,當入庫洪水流量大于出庫流量時便會在庫內形成滯洪壅水,入庫洪水的流速在庫內突然降低時,部分粗顆粒的泥沙便會沉積在庫內,細小顆粒的泥沙便會隨水流從沖沙底孔排出。汛期受洪水沖刷沙量集中,此時利用滯洪排沙能有較好的排沙效果。

（3）基流排沙

官山水庫多年平均徑流量為0.255 m3/s,徑流量較大,可將水庫放空后,沖沙底孔閘門繼續保持打開狀態,讓含沙量不飽和的徑流沖刷主河槽,帶走淤積在主河槽內的部分泥沙,以達到清淤的效果。

（4）機械清淤

官山水庫屬于小（1）型水庫,可采用挖泥船和吸泥泵等清淤裝置將水庫中的淤沙直接挖除排出,以達到減淤的目的。

以上的各種排沙措施均可根據官山水庫今后的運用管理方式具體選用,因為水庫排沙是靠水流本身的輸沙能力輔以排沙設施來實現的,而水流的輸沙能力與水庫的水流條件有關,水流條件顯然受水庫運行方式的影響[3]。

4 結論

水庫建設及運行管理中的泥沙淤積問題是一項需要長期進行研究解決的技術問題,水庫泥沙淤積關系到水庫的使用壽命、經濟效益的發揮及安全運行。官山水庫在以后的運行管理中應根據水庫的主要工程任務、洪水及攜沙特性、庫內沖淤規律及庫區地形特征等因素因地制宜、因時制宜的合理選擇清淤方式,才能處理好庫內泥沙淤積問題,充分發揮水庫的經濟效益。