干清支渾型水庫泥沙淤積形態和運動規律研究

周 勤，何長青，米家杉，張春澤

(1.重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400041；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都610056)

天然河流中廣泛存在主支流交匯現象。河流交匯處，由于河相關系發生改變，干支流原有水沙平衡被打破。在匯流摻混范圍內，強烈的水流紊動造成動能損失，水體攜帶的泥沙顆粒(尤其推移質)將在匯口附近淤積，形成攔門沙壩或河口灘[1]，可能引起河道上游水位壅高、堤防潰決等問題，一直被水利工程、航道工程、水環境工程等領域廣泛關注[2-3]。

現有相關研究可根據水流挾沙方式不同大體分為兩類：其一為交匯區懸移質運動引起的宏觀淤積，如王小艷[4-5]研究了渭河口門形成攔門沙倒灌黃河，探討其形成及消失條件，劉建新[6]通過原型觀測和模型試驗研究嘉陵江與長江匯口處的輸沙與沖淤特性。其二為推移質輸沙為主的沙質或礫石河流交匯區河床形態研究，如Best[7]通過天然小河觀測與模型試驗研究沙質河床交匯區泥沙推移和床面形態，提出交匯區床面形態要素，建立床面形態與交匯角、匯流比的關系，付敏中[8]通過模型試驗研究不同交匯角情況下，彎道干支流交匯后的推移質運動特性及床面形態變化特征，認為交匯面附近推移質輸沙率將增大，易沖刷形成深槽。

洪水的短歷時與突發性，使得原型觀測十分困難，很大程度上限制了對匯口上下游泥沙運動的相關研究。由于模型試驗可以彌補原觀資料帶來的限制，目前已成為研究此類問題的重要手段。本文將通過模型試驗研究一種特殊的干清支渾的近壩支流入匯問題，即支流含沙量大，干流則基本為清水的干清支渾入匯問題。在樞紐運行后，匯口水流條件將發生顯著改變，并且隨著庫區的淤積不斷發生變化[9]。深入研究其泥沙運動規律和淤積形態分布對下游樞紐的安全經濟運行有著重要意義。

1 工程概況

本文主要研究對象為雅礱江支流安寧河入匯口至其下游的桐子林水電站之間河段。桐子林水電站位于雅礱江下游段，枯期正常蓄水位為1 015 m，汛期運行水位為1 012 m，電站壩址上游約2.5 km處為65°急彎，支流安寧河從彎頂匯入，與匯口下游干流夾角約140°。桐子林水電站上游約18 km處已建的二灘水電站將雅礱江全部推移質攔截在庫內，懸移質出庫沙量明顯減小變細，因此支流安寧河為主要沙源。

2 模型試驗設計

2.1 模型比尺

模型選用幾何比尺1∶100正態模型，模型試驗范圍包含安寧河灣灘水電站至河口約10 km，雅礱江安寧河河口上游1 km至桐子林電站下游1 km。模型沙為輕質榮昌精煤，其容重為13.3×103N/m3。根據模型相似定律與水槽試驗確定模型比尺，其中，平面及垂直比尺為100；水流方面，流速比尺為10，流量比尺為100 000，糙率比尺為2.15，水流運動時間比尺為10；懸移質方面，沉速比尺為10，粒徑比尺為1.41～6.68，揚動流速比尺為8.73～10.54，含沙量比尺為0.398，沖淤時間比尺為73；推移質方面，粒徑比尺為9.4，起動流速比尺為10，輸沙率比尺為348；沖淤時間比尺為83。

2.2 試驗方法

在數學模型計算所得的水庫運行5年末淤積床面為基礎，在河床上初步鋪沙，然后施放造床流量Q=8 060 m3/s及對應懸移質和推移質進行造床，之后采用雅礱江、安寧河豐水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)為代表年的水沙系列，分別按懸移質含沙量及推移質輸沙量加沙，進行系列年輸沙循環試驗。試驗時來沙主要以安寧河為主。于雅礱江干流入口前設置大型沉沙池，確保干流接近清水，或僅含少量沖泄質。試驗時上游流量、下游水位均自動控制，懸沙含沙量實時監測調整，推移質則在安寧河入口添加。

2.3 試驗邊界及概化

利用安寧河口上游約3 km處灣灘水文站豐水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)代表年來水來沙(懸沙)系列，按模型試驗規程概化后開展洪-中-枯循環試驗，共進行了20個系列年的輸沙試驗；入口推移質主要模擬其可動部分；下游水位根據水位流量關系插值；雅礱江桐子林及安寧河灣灘水電站閘門調度方式則參照設計或實際運行方式確定。

2.4 模型水面線驗證

模型采用卵石按梅花形排列加糙方式調整糙率，經過初步糙率計算選取了20 mm左右的小卵石加糙，排列間距約20 cm，基本達到了與原型的阻力相似，水面線驗證情況見圖1。

圖1 水面線驗證

3 庫區泥沙淤積規律

3.1 泥沙淤積量

不同試驗年份下庫區泥沙淤積量和淤積速率統計見表1。從表1可以看出，水庫呈累積性淤積趨勢，但淤積速率逐年減少，至第20年末水庫淤積基本達到新平衡。

3.2 水庫淤積形態

干流入庫清水以及大量含沙的支流入庫水流沿程不斷地摻混，但由于支流入匯點距離大壩僅約2.5 km，直至壩址處清渾水的摻混仍不完全，因而該水庫淤積形態較一般庫區淤積形態明顯不同。

3.2.1順流向淤積形態

(1)入匯口。安寧河入匯口位于雅礱江急彎段彎頂處，雅礱江匯口上下游段與安寧河夾角分別約為65°與140°。受安寧河匯流作用，本該沖向河道左岸的主流向河心偏轉，并在偏轉區下游形成高速水流區，該區域自干流上游河心至匯口下游右岸，斜切整個匯口段(見圖2)。高流速區右側與右岸之間形成流速、壓強及紊動強度均較低的分離區(即回流區)[10]。對于這種“Y”形的匯流口，水體撞擊摻混會對干支流均產生頂托。雖然匯口處于樞紐庫區內，但并不改變該段河道受復雜水沙條件所控制的淤積形態和粒徑分布規律，反而加速了其形成過程。受主流水體擠壓托抬影響，工程運行第5年末，支流河口附近最大淤積厚度達到13 m，攔門沙壩開始形成，淤積后的河床深泓高程約為1 004 m；運行第10年末，河口附近最大淤積厚度約15 m，沙壩壩高約6 m；運行第15年末，河口附近淤積厚度全面增至15 m，沙壩加高至8 m。匯口回流區水體動能較小，淤積趨勢相對顯著。工程運行第5、10、15年以及20年末，回流區淤積厚度分別為5～10、6～15、6～18 m和6～20 m，淤積后的深泓高程約982～990、982～990、982～992、986～992 m。高流速區水體挾沙力強，細顆粒泥沙不易落淤，因而該區域淤積形態和沙質組成明顯不同。工程運行多年后，該區域積厚度最高僅為4 m，與周圍河床高程差最大可達10 m，形成明顯深槽，并沿水動力軸線呈帶狀分布，且床沙也主要為粗質顆粒。

表1 庫區泥沙淤積量和淤積速率

注：3年淤積量中包含洪水造床后的淤積量，以下同．

圖2 樞紐運行第15年末，交匯口淤積形態分布

圖3 庫區不同年份后泥沙淤積等值線

(2)支流安寧河。總體來說，安寧河縱剖面為帶狀淤積。水庫運行第5年末，安寧河淤積范圍為河口及以上2.3 km，淤積體上游段厚約2～5 m，深泓高程約1 004～1 006 m；匯口以上段，淤厚度自上至下不斷增大，河口900 m以下最大淤積厚度普遍超過10 m；運行第10年末，淤積范圍上延600 m至河口以上3 km，上段淤積厚度大致為1～4 m，淤積床面深泓高程1 004～1 008 m，中段淤積厚度大致在3～7 m，淤積床面深泓高程1 004～1 006 m；運行第15年末，淤積范圍上溯至河口以上約3.4 km，上段淤積厚度2～4 m，淤積深泓高程1 006～1 008 m，中段淤積厚度4～8 m，淤積深泓高程約1 006 m；運行第20年末，安寧河內淤積范圍及厚度變化不大，僅局部略有調整，表明其沖淤已達平衡狀態。

(3)干流雅礱江。雅礱江干流庫段隨水庫淤積的發展而河勢逐漸趨直，河寬也逐漸趨于一致。水庫運行第5、10、15、20年末，匯口至下游彎道淤積厚度大致在2～10、2～12、4～16、4～20 m，淤積后深泓高程約為992～994 m；彎道以下至壩上900 m一般淤積厚度分別為2～11、2～12、4～16、4～20 m，最大淤積厚度分別約20、23、26、26 m，淤積后的深泓高程約982～990、982～990、982～992、982～992 m。

3.2.2橫斷面淤積形態

圖4 匯口以下(距壩2.4～1.6 km)部分橫斷面淤積分布

從泥沙淤積橫向分布來看，運行多年后，安寧河庫段河床普遍發生淤積，河口附近安寧河河底高程較雅礱江高約10～12 m，形成明顯的攔門沙壩。雅礱江水庫段則由于水庫蓄水引起水動力軸線改變，使得原深槽部分呈現淤積態勢，而凸岸邊灘和緩流區則是常規的淤積區域，特別是支流入匯口以下河道左側(支流入匯側)邊灘和緩流區淤積更為明顯，水庫運行20年末，左岸淤積為高邊灘，寬度大致在80 m左右，淤積床面高度接近死水位1 012 m(見圖4)。彎道以下河段左岸為凸岸，邊灘淤積現象也較明顯，淤積邊灘最大寬度約160 m，而后隨著泥沙摻混，淤積區明顯偏左的現象才逐漸有所減弱。

3.3 推移質泥沙運動規律

桐子林水庫推移質泥沙運動規律一方面遵循水庫淤積的普遍規律，另一方面也有自身的特點。受二灘水庫蓄沙在庫的影響，干流幾乎無推移質入庫，庫區推移質幾乎全部來自安寧河。水庫蓄水初期，推移質運動控制在支流安寧河內，以斷面的形式向下輸移，隨著運行年限加長，推移質進入干流后將迅速在庫區內輸移。水庫運行第10年末，推移質運動特別是粗顆粒泥沙運動仍集中在支流河口以上尚未進入干流庫段，而水庫運行第20年末，推移質開始出庫。此外，支流推移質入庫還與干支流水量比有關，當水量比較大(即支流水量相對較大時)時，推移質更易向下輸運。

圖5 水庫運行20年末，樞紐壩前淤積地形

從推移質運動規律來看，在支流安寧河內，推移質呈斷面整體向下輸移模式，而在干流庫段，且主要集中在推移質輸沙帶內向下輸移，輸沙帶處于左側灘槽交接區，寬約20 m(見圖5)，這與左岸支流為主沙源也是密不可分的。

4 結論及建議

桐子林水電站蓄水后庫區將發生累積性淤積，水庫逐年淤積，河道逐漸向高灘深槽、順直微彎方向發展，安寧河河口形成明顯的沙壩，運行至第20年末基本達到新的平衡狀態。庫區淤積總量約為899.03萬m3，其中，雅礱江庫段淤積量約為740.26萬m3，安寧河庫段淤積總量約為158.77萬m3，淤積范圍主要集中在干流庫段至支流安寧河總長近6 km的區域，淤積高程位于死水位1 012 m以下。

對推移質泥沙，其淤積洲頭在電站運行第10年末至河口、第20年末開始出庫，其在支流內呈全斷面輸移模式，在干流內則集中在20 m寬的輸沙帶內運動，該推移質輸沙帶位于河道左側灘槽交界區域，這一現象與左岸支流為主要沙源密切相關，由于電站靠左側布置，因此有粗沙過機風險，需要采取一定措施排沙以保證電站安全高效運行。