中塬溝水庫泥沙淤積形態分析與計算

任紅卓,安新強

(咸陽市水利水電規劃勘測設計研究院,陜西 咸陽 712000)

亭口水庫是彬長礦區的供水骨干水源,主要解決彬縣、長武兩縣城鎮生活用水及礦區工業發展用水,由于亭口水庫在排沙期受泥沙限制不能供水,這就需要對亭口水庫的徑流調節過程進行反調節,以滿足工業及生活供水需求,并滿足設計供水保證率不小于90%和最大破壞深度控制在20%以內的供水要求。亭口水庫在采用水位逐步抬高、汛期低水位相機排沙的水庫運行方式時,對不同反調蓄容量經過徑流調節計算,并進行經濟技術比較后,確定反調蓄工程調蓄容量為700×104m3;在此規模下亭口水庫年供水量 7 190.0×104m3,供水保證率94.07%,破壞深度19.996%。

反調蓄工程水資源利用方式為:在黑河亭口水庫壓力輸水洞壩后匯流池下游設抽水站,當亭口水庫含沙量滿足引水沙限(＜8 kg/m3)且亭口水庫有棄水時引抽亭口水庫匯流池中的水,向調蓄庫供水;當亭口水庫在排沙期或供水量不足時由反調蓄工程向礦區用水戶供水。

該反調蓄工程選定的壩址位于中塬溝內,中塬溝是涇河支流黑河最下游處的一條較大支溝,位于黑河干流尾閭段的右岸。主溝長約6 km,流域面積10.2 km2,主溝道比降為1.2%。溝道無常流量,溝內兩岸草木茂盛,植被良好,土壤侵蝕輕微,該流域平面圖如圖1所示。

反調蓄工程洪水計算結果:300 a一遇校核洪水洪峰流量193.3m3/s,入庫平均流量80m3/s,入庫洪水總量162×104m3,經調洪計算,最高庫水位為 921.0 m,總庫容986.00×104m3,平均庫水位920.8 m。

經計算:壩址處天然年均輸沙量為3.366×104t/a,工程運用50 a后溝道來沙量為129.45×104m3;入庫泵站50 a期間從引水所帶來的沙量5.67×104m3;工程蓄水后上覆黃土狀岸坡會有小規模崩塌發生,故對庫區進行塌岸預測,塌岸總量預計約104.46×104m3。反調蓄水庫運用50 a后總的來沙量 239.58×104m3。

1 橫向淤積分布

反調蓄庫壩址處河床高程859.5 m,正常蓄水位920.3 m,校核洪水位921.0 m,即滯洪水位較高,庫內水深很大,淤積將使河道整個斷面全面淤高,故淤積橫向分布形態按不分灘槽計算[1～4]。

2 縱向淤積形態判別Ⅰ

2.1 淤積形態

根據判別式

判別,此公式為清華大學水利系及西北水利科學研究所公式[5]。

式中:α為淤積形態的判別系數,當α＞0.3,為三角洲淤積;當α＜0.3時,為錐體淤積;V為汛期平均庫水位以下的庫容,V=975×104m3;W為入庫水量,用汛期平均來水量,W=162×104m3。

圖1 中塬溝水庫庫區平面圖

由于計算α=6.02＞0.3,故為三角洲淤積形態,根據亭口水庫泥沙資料,平均懸移質顆粒級配的中值粒徑為0.018 mm,類比到中塬溝流域,則中塬溝水庫汛期來沙量較細,容易產生異重流,三角洲淤積按會產生異重流情況對待。

2.2 三角洲和異重流的淤積量分配

已知D50=0.018 mm,則大于0.018 mm的泥沙占全部來沙的α%=1-50%=50%,同時考慮在三角洲淤積的泥沙中有10%小于該粒徑(根據官廳水庫淤積資料估算),設參加三角洲造床的小于0.018mm的泥沙占全部來沙的x%,則x符合下式[5]:

式中:Ws為壅水期的入庫總沙量,Ws=129.45×104m3,則異重流淤積量:129.45-71.97=57.48×104m3。

2.3 淤積三角洲頂坡和前坡的確定

根據中塬溝溝道的自然比降,主溝平均比降1.2%,左支溝比降2.9%,右支溝比降2.3%,采用公式J頂=λj·J0[5]計算,此公式是從淤積前后河床組成的變化來確定淤積三角洲頂坡比降的,其中λj因屬丘陵地區沙質河床,取0.5～0.7,頂坡比降取1.5%。J0為庫區原河道比降。

采用經驗估算法公式J前=(1.6～1.9)J0計算[5],前坡比降取4.3%。

2.4 三角洲頂點高程的確定

根據汛期入庫平均流量(Q=80 m3/s)、三角洲頂坡比降(J頂=1.5%)、河床糙率(n=0.035)及所剖橫斷面,可求得平均水深h0=2.0 m,則三角洲頂點高程為汛期平均庫水位920.8減去平均水深2.0得918.8 m。

2.5 試擺確定三角洲淤積體

根據所剖的溝道縱斷面、20個橫斷面(主溝2個,左支溝9個,右支溝9個),在縱剖面圖上前后擺動頂點A位置,A點向上的坡比取頂坡比降1.5%,向下的坡比取前坡比降4.3%,進行試算,試算的三角體體積應等于三角洲淤積量,試算結果:三角洲最下游距壩軸線距離1360 m,溝底高程891.3 m,頂點 A距壩軸線2 000 m。

2.6 異重流淤積體分布

由于中塬溝庫底比降比較陡,庫區回水短,可近似將異重流淤積量57.48×104m3按壩前平鋪對待,淤積比降為0,由此查庫容曲線,異重流淤積壩前高程為883.9 m。

2.7 塌岸量與引水來沙量分布

塌岸量與引水來沙共計110.13×104m3,而壩前部分塌岸量84.51×104m3,引水來沙量5.67×104m3,即壩前總淤積量為90.18×104m3,按錐體形態疊加在上述兩種淤積體上對待,經計算,壩前高程為885 m,淤積比降 i左=1.55%,i右=1.35%。

結論:三角洲淤積形態在考慮異重流情況下,三角洲頂點 A距壩軸線2 000 m,經計算壩前50 a后淤積高程為885.0 m,泄洪洞口處淤積面高程為887.0 m。

三角洲淤積形態在不考慮異重流情況下,溝道淤積量129.45×104m3,用上述方法計算,結果是:三角洲頂點A距壩軸線1 700m,三角洲最下游距壩軸線形距離950 m,塌岸量與引水來沙共計110.13×104m3,其中壩前總淤積量為90.18×104m3,按疊加在三角洲淤積體上對待,經計算,壩前塌岸淤積高程為881.0 m,泄洪洞口處淤積面高程883.0 m,塌岸淤積比降i=1.55%。

3 縱向淤積形態判別 Ⅱ

3.1 淤積形態

根據判別式

判別,此公式為清華大學水利系及西北水利科學研究所公式[5]。式中:α′為淤積形態的判別系數,當 α′＞2.2,為三角洲淤積;當 α′＜2.2時,為錐體淤積;V為汛期平均庫水位以下的庫容,V=975×104m3;Ws為入庫沙量(m3),多年平均入庫沙量 W=2.589×104m3;J0為庫區原河道平均比降,以萬分率計為245?。

經計算,α′=1.54＜2.2,故判別為錐體淤積形態。

3.2 淤積末端位置的確定

根據溝道縱剖面圖,壩址處河床位置為B,即B點高程為859.5 m。

該庫最高庫水位921.3 m與原庫底線的水平交點A′的位置,從溝道縱斷面可知:L左=2.28 km,L右=2.86 km。

根據公式L=k·L0計算淤積末端距壩址距離L。

式中:L0為交點A′到B的水平距離;k為一系數,一般取1.0～1.3,從對該庫淤積資料分析,由于該庫來沙量小、滯洪持續時間短、淤積量小,故選用小值即k取1.0,則淤積末端位置A距壩址距離為:

3.3 試擺確定淤積部位

從淤積末端A出發,試作幾條淤積縱剖面線,交于壩軸線于 O,即壩前淤積高程,使錐體 AOB體積等于淤積量129.45×104m3,其淤積面AO線即為所求的淤積面。

根據所剖的溝道縱斷面、20個橫斷面(主溝2個,左支溝9個,右支溝9個)計算,計算結果表明,當壩前淤積高程為877.0 m時,錐體淤積體積為129.25×104m3,與實際的129.45×104m3接近,此時淤積面坡降i右=1.55%,i左=1.99%。

3.4 塌岸量與引水來沙量分布

塌岸量與引水來沙共計110.13×104m3,按疊加在上述兩種淤積體上對待,經計算,壩前高程為 885 m,此時淤積面坡降 i右=1.35%,i左=1.8%。

結論:錐體淤積形態情況下,經計算壩前淤積高程為885.0 m,泄洪洞口處淤積面高程887.0 m。

4 用經驗面積減少法計算淤積分布[5～8]

4.1 確定水庫淤積分布的類型

淤積分布的經驗面積減少法,是以運用多年的水庫淤積分布的實測資料為依據,并加以概化得出水庫沿高程的淤積量分布。

影響水庫淤積分布的因素很多,如入庫泥沙顆粒及其組成、進出庫流量關系、水庫大小、形狀及水庫運用方式等,這些因素相互影響,經驗方法確定水庫淤積分布,即抓住了影響淤積分布的主要因素乃是水庫的地形。

水庫的容積與水深的關系,即水庫的庫容曲線一般可以用下面公式來表達:

式中:V為相應水深h的庫容(m3);N為系數;h為從原河床算起的壩前水深(m);m為庫容沿高程增加的指數,是反映水庫地形特性的一個指標。

從美國的30個水庫的淤積資料中,把水庫淤積量沿高程分布用相對值繪于一張圖上,得出淤積分布可以按水庫地形特性的指標m值分為4種類型(如圖2所示);它們基本上概括了各類水庫淤積分布的特點,這4種類型是:Ⅰ.湖泊型水庫:m ＞3.5;Ⅱ.山麓型水庫:2.5＜m ＜3.5;Ⅲ.丘陵型水庫:1.5＜m＜2.5;Ⅳ.峽谷型水庫:m＜1.5。

圖2 按水庫地形分類的淤積分布圖

根據中塬溝水庫地形資料,將水庫庫容水深關系點繪制在雙對數紙上,即庫容曲線的雙對數曲線,量取其斜率,由于m=2.23,根據典型經驗曲線判別該水庫屬于丘陵型水庫,即第 Ⅲ型淤積分布曲線。

4.2 確定壩前淤積深度h0

設幾個壩前淤積深度h0,分別查算其相應的V0,A0及值。

式中:V0為壩前淤積面以下的淤積體積(m3);Vs為水庫的總淤積量(m3);H為壩址原河床至正常高水位的總深度(m);A0為水庫深度h等于壩前淤積面以下的深度h0(即h=h0)處的淤積面積(m2)。

結論:經驗面積減少法計算出壩前淤積高程889.16 m,泄洪洞口淤積高程891.0 m。

表1 面積減少法淤積深度試算表

5 淤積形態分布計算方法分析與比較

上述三種計算方法結果見表2。

表2 泥沙淤積形態分布計算成果表

從表中可以看出,三角洲淤積形態在考慮異重流情況下的洞前淤積高程887.0 m,經驗面積減少法計算的洞前淤積高程為891.0 m,錐體淤積形態下的洞前淤積高程為887.0 m,而三角洲淤積形態在不考慮異重流情況下的洞前淤積高程為883.0 m,考慮到中塬溝水庫為小(Ⅰ)型水庫,總庫容為986.0×104m3,而經驗面積減少法是從美國30個水庫淤積資料總結概括的,資料的范圍是:庫容從0.4×108m3～386×108m3,所以該方法不太適合中塬溝的淤積形態計算;錐體淤積判別式中考慮的因素較多,用來沙量Ws代替來洪量較為合理,同時兼顧到庫區自然河道比降,但該種淤積形態一般都是在滯洪壅水時庫水位變幅較大、來沙量又多的情況下產生,而中塬溝水庫為亭口水庫的反調蓄庫,長期處于滿庫狀態,水位變幅小,且來沙量不大,故錐體淤積形態不符合中塬溝水庫的情況;此次采用的三角洲淤積形態判別式中參數雖然僅考慮總庫容與來洪量因素,沒有考慮到庫形因素,為最簡單的判別公式,但考慮到中塬溝水庫庫內水位長期保持在高水位,比較穩定,變幅較小,相對于入庫的洪量來說,庫容又比較大,同時溝道回水短,比降陡,這些情況下庫區淤積多為三角洲淤積形態,即三角洲淤積形態比較適合中塬溝溝道泥沙形態分析。

同時考慮到中塬溝水庫平均入庫流量(Q平均=80 m3/s)和含沙量(ρ=21 kg/m3)不大,根據亭口水庫工程在水庫采用汛期相機敞泄排沙的運行方式下,分析產生異重流時的排沙沙限為50 kg/m3,類比到中塬溝水庫,即 qs＜qs最小,故不易產生異重流。

綜上所述,此次水庫泥沙淤積形態分布計算采用三角洲淤積形態不考慮異重流情況下的計算結果,即壩前淤積高程為881.0 m,推算至泄洪洞口前,淤積高程為883.0 m。

6 結 論

從上述淤積形態分析與計算成果來看,在三角洲淤積形態下,中塬溝水庫泄洪洞口前的淤積高程為883.0 m,同時發現影響壩前淤積面高程的主要因素不是溝道來沙,因為溝道來沙距壩軸線距離較遠(三角洲頂點A距壩軸線1 700 m,三角洲最下游距壩軸線距離950 m),而主要是壩前區塌岸,而塌岸形成的淤積面坡比近似等于溝道比降的50%。

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