克孜爾水庫異重流排沙分析及塑造技術探究

木合塔爾·坎吉

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 工程概況

克孜爾水庫是以灌溉、防洪、發電、養殖、旅游等一體化的水利樞紐。正常蓄水位在1 149.5 m，庫容量則為6.04×108m3，電站的裝機容量為4×6.5 MW。當地的水庫管理局對其開展了7次左右的淤積測量，具體如下表1所示。從表中可以看出，運行20年的泥沙淤積值和初期的預測值對比，死水位和汛限水位高達2.5倍左右，而正常的蓄水位同樣也達到2倍左右，進而說明，泥沙淤積值高于當初的設計值，表明淤積的問題十分的嚴重。

表1 水庫泥沙淤積的測量

2 克孜爾水庫異重流排沙的規律

2.1 異重流潛入的條件分析

根據以現有研究的資料結果相結合來講，異重流和洪泛之間存在較大的聯系，其是低速且保持時間較長，并且大于一定的密度的低密度準穩定濁流，而形成異重流則是由于地形和氣候以及密度差的控制，當水體的密度過小，并且地形的高差較大且構造活動比較強烈的湖盆更加容易出現異重流。形成異重流最根本的條件即為：深度的清水、庫底坡降、入庫的水流含沙量。

2.1.1 水庫異重流潛入臨界的水沙條件分析

通過綜合性的對現有資料進行分析，把水庫出現異重流臨界的水沙條件總結果如下：(1)入庫流量大于120 m3/s；(2)水位保持1 140.0 m，且高于1 135.0 m；(3)入庫的流量為120 m3/s，且含沙量為25 kg/m3；(4)當入庫的流量高于900 m3/s時，含沙量則應當在15 kg/m3左右；(5)入庫的流量在120～900 m3/s時，渾水含沙量和水流量表現為單調減小的關系，而兩者則可以運用S≥27-0.015Q進行表示，其中S代表水流的含沙量，而Q則代表水流的流量。

2.1.2 水庫的臨界底坡分析

通常可以把異重流當作為比較特殊的明渠流，因而計算時將其簡化為均勻流。根據異重流正常的水深以及潛入點的水深得出：

(1)

式中：hn為為異重流正常的水深；h0為異重流潛入點的水深；λ′為綜合阻力；J0為庫底的坡降。

由于在異重流潛入中存在綜合阻力，因此在渾水的水深高于異重流的正常水深時潛入為不成功。根據資料選擇范圍為0.02～0.03。在上述公式(1)中的左邊值為1時，即得出異重流庫底的坡降范圍：

J1=0.001 5～0.002 2

(2)

根據水庫的庫底坡降的相關條件表明，庫底的坡降J0>J1時異重流潛入只需要達到潛入的表達公式便可。

2.2 水庫異重流的持續運行條件分析

2.2.1 持續運行水沙的條件

通過綜合性的對現有異重流排沙的相關資料進行分析，總結異重流持續運行臨界水沙的條件如下：(1)入庫的流量大于200 m3/s，且懸移質泥沙中值粒徑D50<0.025 mm百分比≥65%；(2)入庫的流量在200～1 000 m3/s時可以運用S≥42-0.006Q來計算兩者關系；(3)和水庫形成異重流時的含沙量對比，水流含沙量在持續運行時較大，由此證明異重流能夠保持持續運行的動力來自水流泥沙。

2.2.2 異重流的持續運行時間

為準確掌握異重流在持續運行到泄水的建筑時確保泄水閘開啟的時間，進而提升排沙的工作效率，因此需要明確水庫異重流的運行到泄水建筑的所用時間。本文則以入庫段的洪水參數構建計算運行時間的公式。

異重流的運行時間：

(3)

式中：L為異重流運行的距離；S0為入庫段洪水的含沙量；Jb為水庫的底坡比降；q為入庫水流的單寬流量；C為庫容的系數；

針對水庫而言，其大小不一，因此C也是不同，本研究的庫容系數率經過計算得出為0.458。

3 水庫異重流的塑造分析

3.1 堤渠的布置

異重流在排沙時會導致克孜河和干流木扎提河于魚嘴區域形成交混的水流問題，進而致使克孜河的異重流大大的降低傳播的作用，由此導致泥沙淤積在了魚嘴的周圍并形成攔沙的底坎，阻止泥沙流向泄水建筑，最終減少異重流排沙的實際效果。

利用堤渠的形式來幫助塑造異重流進行排沙的主體方案內容如下：于克孜河的上游位置構建導流堤，進一步把帶有泥沙的水流方向改變至河道的左岸，根據水流則可以順勢而下通過順壩把泥沙導入至人工的排沙明渠，再流至壩前泄水建筑。詳細的布置如上圖1所示。

圖1 堤渠結合方案

3.2 水位的有效控制

依據實際的水流量對水位加以控制：

(1)1年一遇時控制在1 150.0 m以下。在順壩位置的兩側水位差距較小，并且排沙渠的進水口的水流十分穩定，出口也十分的平順，排沙的效果未受到水庫回水線的淤積造成的不利影響。

(2)5年一遇時控制在1 145.0 m以下。水流的提高而導致導流堤和沖刷槽的作用力加強，進而致使一小部分的泥沙淤積在回水線的周圍；而水位顯現回落時在沖槽中的淤積泥沙被沖掉，進而沖刷槽完全有效的暢通。

(3)10年、20年、30年一遇時控制在1 140.0 m以下。在導流堤的上堤腳位置的沖刷深度高于5.0 m，最高時達到5.5 m；沖刷的流速高達2.9 m/s以上；沖刷槽的寬度則在80～130 m。

水庫在汛期時的沙量較高，大約占據全年的90.0%左右，而當汛期過后，水庫的水位下降到1 135.0 m時，下泄的流量保持在750.0 m3/s時可以把沙量的85.0%有效的排出，進而減少水庫的淤積。

3.3 實施的效果

自從塑造異重流的排沙使用后顯示，效果良好，并經過現場的觀察來看，主河槽已經改道走向排沙孔的左岸位置，進而異重流的距離顯著的縮短，在汛期的水位保持在1 140.0 m，泥沙完全可以跟隨異重流排出庫外。泥沙的出庫量如下表2的實際統計。

表2 汛期進出庫泥沙分析表

泥沙大多發生在水庫的汛期，并且入庫的泥沙十分大，而用堤渠結合塑造異重流進行排沙則同樣發生在汛中期和汛末期，此和形成異重流的相關特點所匹配，即主是泥沙較多可以多排，并且含量的沙水流非常容易導致異重流的形成。通過針對采用相應的措施前后的排沙對比分析可以看出，在汛期時的排沙效果更加的明顯，在采取上述的解決措施后的排沙比沒有實施前高達6倍。

根據表3顯示出的汛期沙峰期排沙的實際效果數據可以看出，水位有效保持在1 140.0 m以下，平均的進庫含沙量遠遠高于出庫的，但是，平均的入庫流量則全部低于出庫時的流量，并且產生的變化幅度遠遠高于含沙量的變化，因此，兩者作用的結果促進出庫的泥沙總量遠高于進庫，并且排沙的比例均達到高于100%，極大值高達380.2%。通過觀測支流段所形成的溯源沖刷長度為6.0 km，以及寬度40.0 m，并且平均深度高于3.0 m，排沙的效果十分明顯。

表3 汛期排沙的效果分析

4 結語

克孜爾水庫在汛期時，各項水沙的特性均達到形成異重流的各項要求，通過利用異重流來將水庫中的淤積泥沙進行排出的效果十分顯著，并且能夠提升水庫的使用年限。通過對異重流的相關資料進行分析，并總結了異重流的發生和運行到泄水建筑的各項條件，以此為基礎提出用于計算入庫洪水的異重流持續運行的時間方法，進而為異重流的排沙打下一定的基礎。然后再與水庫的特點相結合，最終開展施行堤渠輔助塑造異重流的可行方案，進而提升了水庫的排沙效果，并針對水庫前期的泥沙問題得到有效的解決，由此為后續的相關工作提供一定的參考價值。