巴家咀水庫淤積特征分析研究

羅永海

（甘肅省水利水電勘察設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 概況

1.1 工程概況

甘肅省巴家咀水庫地處隴東黃土高原,位于涇河支流蒲河中下游,水庫于1958 年9 月開建,1962 年7 月竣工,壩高58 m,庫容2.57 億m3,為黃土均質(zhì)壩。2006 年～2010 年實施除險加固,增建一座2 孔開敞式溢洪道,壩頂加高1.87 m,現(xiàn)狀壩高75.6 m,頂長539 m,頂寬6 m,總庫容5.40 億m3,屬大（2）型水庫。由于水庫淤積問題,目前庫容僅相當于設計調(diào)節(jié)庫容的26.5%,防洪庫容僅剩余1.366 億m3,設計防洪庫容1.304 億m3,二者相差僅620 萬m3。

1.2 地質(zhì)概況

工程區(qū)為黃土高原殘塬溝壑區(qū),溝谷發(fā)育,植被稀少,土質(zhì)疏松,水土流失嚴重。由于水庫的攔泥沙作用,河床逐年抬高,壩前淤泥厚度達60 m,白堊系基巖面已被泥沙覆蓋。河谷形態(tài)表現(xiàn)為“U”型,兩岸不對稱。

蒲河河寬250 m～300 m,河床深切入基巖,平均坡降2.5‰,河底與塬頂高差約200 m,局部段基巖出露,大部分為第四紀覆蓋層及新近系棕紅色泥巖。上覆土層厚約110 m。庫區(qū)為泥沙掩蓋,現(xiàn)庫區(qū)地面高程1102 m～1112 m,泥沙厚52 m～62 m。庫區(qū)周邊黃土邊坡平均坡度35°～45°,基巖坡度80°左右。

蒲河兩岸形成了連續(xù)的Ⅰ～Ⅴ級階地。水庫建成后,由于庫內(nèi)淤積,河床逐年抬高,庫區(qū)內(nèi)的Ⅰ、Ⅱ級階地已被泥沙掩埋。因黃土高原植被稀少、人類活動頻繁、暴雨的沖刷與切割,階地面往往殘缺不全,成斷續(xù)分布。工程區(qū)基巖為陸相沉積的白堊系砂頁巖,上覆少量新近系砂礫巖和棕紅色泥巖,第四系黃土廣泛分布。

隴東黃土高原地形破碎,溝壑發(fā)育,黃土含沙、粉粒量較大,間歇性暴雨形成面流迅速匯入主溝道。主溝道黃土滑坡、崩塌極發(fā)育,短時匯入大量的含泥沙水加速滑坡、崩塌發(fā)育,形成泥流或泥石流,最終匯入蒲河,形成高泥沙的水流,于庫區(qū)逐年淤積。

2 水沙特征分析

2.1 水沙量年際年內(nèi)分配不均

根據(jù)歷年觀測數(shù)據(jù)分析,上游來水、來沙分布極不均勻,最大來水量為27875 萬m3,最小來水量為3142 萬m3,最大來沙量為10395 萬t,最小來沙量為145 萬t。

入庫水量及來沙分布不均勻,基本上隨降雨一致,來沙、來水多集中在雨季7 月、8 月份,特別是暴雨期來沙更加集中于來水。據(jù)1951 年～2018 年統(tǒng)計,7 月、8 月水量4947 萬m3,占全年水量的45.9%,沙量1698 萬t,占全年沙量的79.8%；7 月、8 月、9 月份來水量約占全年來水量的55%,約為5914 萬m3,來沙量1834 萬t,占全年沙量的86.2%；10 月～6 月水量4861 萬m3,沙量294 萬t。

2.2 含沙量高

河水為高含沙量河流,受地質(zhì)條件影響,暴雨后黃土塬、丘陵溝壑區(qū)迅速形成面流,順坡槽、沖溝迅速下泄到黃土溝道中,最終匯入主河流中。黃土地區(qū)地形破碎,匯水面積大,同期、同一地點匯入大范圍含泥沙的水流,根據(jù)水文站1951 年～2018 年監(jiān)測數(shù)據(jù),蒲河上含沙量為197 kg/m3,主汛期含沙量為310 kg/m3。

2.3 沙峰猛漲猛落、來沙集中

受區(qū)域地形地貌及氣候條件控制,無論雨水的大小皆形成高含沙量水流入庫,水庫基流為溝道側(cè)壁溢出泉水,水量較小。蒲河流域降雨后即形成沙峰,該沙峰隨之降雨的停止亦停止,因該區(qū)域降雨多為暴雨,降雨量大且集中。流域內(nèi)小暴雨也能攜泥沙入庫。因此實測泥沙時小流量常常會攜帶幾百公斤的泥沙,這是由該地區(qū)降雨特征及黃土特性共同決定的。

據(jù)圖1 水庫洪水過程線分析該流域內(nèi)洪水多為猛漲猛落型,洪峰歷時一般不會超過20 h,短則2 h 或3 h。全年入庫沙量多也集中在幾次暴雨洪峰期,據(jù)1956 年～1996 年統(tǒng)計資料來看,洪水累計來水量為18.55 億m3,占總來水量的34.2%,來沙量9.66 億t,占總來沙量的78.3%。非洪水期累計來水量35.64 億m3,占總來水量的65.8%,來沙量2.67 億t,占總來沙量的21.7%。

圖1 水庫1980 年入庫洪水過程線

2.4 懸移質(zhì)泥沙顆粒級配及入庫推移質(zhì)輸沙量甚少

來沙懸移質(zhì)泥沙顆粒較細,按1977 年～1991 年統(tǒng)計資料,各年d50多在0.016 mm～0.026 mm 之間,平均為0.022 mm。多為細砂及粉粒,符合該區(qū)域黃土顆粒特征。

據(jù)泥沙分類表,粒徑2 mm～20 mm 屬于礫石,按2004 年蒲河庫區(qū)淤積物坑測資料分析,在庫區(qū)末端的淤積物中僅有少量的礫石推移質(zhì),個別取樣淤積物級配中粒徑大于2 mm的占2%,少數(shù)取樣點淤積物級配中粒徑大于2 mm,僅占0.1%～0.2%,多數(shù)取樣點淤積物級配中粒徑都小于2 mm。姚新莊懸移質(zhì)泥沙顆粒級配測驗資料中最大粒徑為5 mm,如1984 年年平均大于5 mm 的泥沙占0.1%。由于礫石推移質(zhì)來量極少來沙中推移質(zhì)極少,可忽略不計。

3 水庫淤積形態(tài)

根據(jù)工程區(qū)土的部位及時代、成因的不同,將土劃分為一般沉積黃土和新近沉積黃土。壩體附近黃土結(jié)構(gòu)較為復雜。按沉積成因和時間分為8 小層,其中3 層庫區(qū)淤土（上、中、下淤土）,5 層人工堆積（初建壩體、一期加高土體、二期加高土體、貼坡土體和上層蓋重土體）。

（1）水庫淤積縱剖面

庫區(qū)自然河道河床縱剖面平均坡降為千分之22.6,淤積物平行淤積堆高,淤積物呈錐形。圖2、圖3 是水庫運用以來河槽縱剖面形態(tài)變化情況。

圖2 水庫干流淤積縱剖面圖

圖3 水庫支流黑河淤積縱剖面圖

圖4 蒲河淤積斷面1（距壩3.69 km）

圖5 蒲河淤積斷面2（距壩6.13 km）

從庫區(qū)淤積剖面及原始地形剖面對比可以看出,水庫淤積是平行向上抬升的。因水庫運行方式的變化,局部段淤積剖面略有變化。庫區(qū)淤積平衡坡降為萬分之2.6,沖刷平衡坡降為萬分之4.7。

因水庫未進行排沙運用,造成水庫壩前段大量淤積,河床縱比降減小為萬分之2.0,現(xiàn)狀河床深泓點較2004 年除險加固工程初步設計提出的設計縱剖面高3 m～6 m；水庫淤積面逐年抬升,致使淤積末端向上游延伸,現(xiàn)狀淤積末端距壩址約28 km。隨著淤積面的抬升,水庫淤積末端將繼續(xù)向上游延伸。蒲河支流黑河匯入口位于壩址上游,淤積形態(tài)與主河道相同,該河道淤積平衡坡降為萬分之2.35,淤積剖面變化同蒲河,現(xiàn)狀河床深泓點較2004 年除險加固工程初步設計提出的設計縱剖面高4 m～5 m。

（2）水庫淤積橫斷面

由圖6～圖7 蒲河、黑河斷面套繪可以看出,蒲河、黑河灘地、主槽均是平行淤高,灘地寬闊且近似為水平淤積,主要淤積萎縮嚴重。自庫尾至壩前,寬度由窄而寬變化。

圖6 蒲河淤積斷面3（距壩16.62 km）

圖7 蒲河淤積斷面4（距壩13.95 km）

校核洪水位1125.94 m 以下剩余庫容1.37 億m3,略大于設計防洪庫容1.304 億m3；正常蓄水位1115 m 以下剩余庫容539 萬m3,占設計調(diào)節(jié)庫容（2030 萬m3）的26.6%,汛限水位1111 m以下庫容僅剩64萬m3。巴家咀水庫不同時期庫容見圖8。

圖8 水庫庫容曲線

4 結(jié)論

通過收集巴家咀水庫歷次清淤資料,總結(jié)出黃土地區(qū)水庫淤積特點如下：

（1）水庫1962 年7 月建成,2006 年～2010 年實施除險加固,壩頂加高1.87 m,現(xiàn)狀壩高75.6 m,壩頂高程1126.30 m,壩頂長539 m,頂寬6 m,總庫容5.40 億m3,屬大（2）型水庫。受黃土特殊工程地質(zhì)特性及流域內(nèi)降雨特征,水庫淤積問題已經(jīng)相當嚴重,亟待解決庫區(qū)淤積問題。

（2）水庫淤積問題是黃土水庫存在較為突出的問題,其河流水沙特征及淤積特點為洪水猛漲猛落、峰高量小歷時短、來沙集中。另外,隨著庫水位的消落,水庫區(qū)黃土坍岸造成的淤積也相當嚴重。

（3）對于水庫淤積問題,在水庫勘察階段采用以工程地質(zhì)測繪為主,輔助勘探試驗,通過查明建庫河道河流水沙及洪水等特征,預判庫區(qū)黃土坍岸淤積及上游泥流溝道淤積情況,綜合研判水庫建成后會出現(xiàn)的淤積情況,并建議設計采取必要的排沙措施。