中塬沟水库泥沙淤积形态分析与计算

任红卓,安新强

(咸阳市水利水电规划勘测设计研究院,陕西 咸阳 712000)

亭口水库是彬长矿区的供水骨干水源,主要解决彬县、长武两县城镇生活用水及矿区工业发展用水,由于亭口水库在排沙期受泥沙限制不能供水,这就需要对亭口水库的径流调节过程进行反调节,以满足工业及生活供水需求,并满足设计供水保证率不小于90%和最大破坏深度控制在20%以内的供水要求。亭口水库在采用水位逐步抬高、汛期低水位相机排沙的水库运行方式时,对不同反调蓄容量经过径流调节计算,并进行经济技术比较后,确定反调蓄工程调蓄容量为700×104m3;在此规模下亭口水库年供水量 7 190.0×104m3,供水保证率94.07%,破坏深度19.996%。

反调蓄工程水资源利用方式为:在黑河亭口水库压力输水洞坝后汇流池下游设抽水站,当亭口水库含沙量满足引水沙限(＜8 kg/m3)且亭口水库有弃水时引抽亭口水库汇流池中的水,向调蓄库供水;当亭口水库在排沙期或供水量不足时由反调蓄工程向矿区用水户供水。

该反调蓄工程选定的坝址位于中塬沟内,中塬沟是泾河支流黑河最下游处的一条较大支沟,位于黑河干流尾闾段的右岸。主沟长约6 km,流域面积10.2 km2,主沟道比降为1.2%。沟道无常流量,沟内两岸草木茂盛,植被良好,土壤侵蚀轻微,该流域平面图如图1所示。

反调蓄工程洪水计算结果:300 a一遇校核洪水洪峰流量193.3m3/s,入库平均流量80m3/s,入库洪水总量162×104m3,经调洪计算,最高库水位为 921.0 m,总库容986.00×104m3,平均库水位920.8 m。

经计算:坝址处天然年均输沙量为3.366×104t/a,工程运用50 a后沟道来沙量为129.45×104m3;入库泵站50 a期间从引水所带来的沙量5.67×104m3;工程蓄水后上覆黄土状岸坡会有小规模崩塌发生,故对库区进行塌岸预测,塌岸总量预计约104.46×104m3。反调蓄水库运用50 a后总的来沙量 239.58×104m3。

1 横向淤积分布

反调蓄库坝址处河床高程859.5 m,正常蓄水位920.3 m,校核洪水位921.0 m,即滞洪水位较高,库内水深很大,淤积将使河道整个断面全面淤高,故淤积横向分布形态按不分滩槽计算[1～4]。

2 纵向淤积形态判别Ⅰ

2.1 淤积形态

根据判别式

判别,此公式为清华大学水利系及西北水利科学研究所公式[5]。

式中:α为淤积形态的判别系数,当α＞0.3,为三角洲淤积;当α＜0.3时,为锥体淤积;V为汛期平均库水位以下的库容,V=975×104m3;W为入库水量,用汛期平均来水量,W=162×104m3。

图1 中塬沟水库库区平面图

由于计算α=6.02＞0.3,故为三角洲淤积形态,根据亭口水库泥沙资料,平均悬移质颗粒级配的中值粒径为0.018 mm,类比到中塬沟流域,则中塬沟水库汛期来沙量较细,容易产生异重流,三角洲淤积按会产生异重流情况对待。

2.2 三角洲和异重流的淤积量分配

已知D50=0.018 mm,则大于0.018 mm的泥沙占全部来沙的α%=1-50%=50%,同时考虑在三角洲淤积的泥沙中有10%小于该粒径(根据官厅水库淤积资料估算),设参加三角洲造床的小于0.018mm的泥沙占全部来沙的x%,则x符合下式[5]:

式中:Ws为壅水期的入库总沙量,Ws=129.45×104m3,则异重流淤积量:129.45-71.97=57.48×104m3。

2.3 淤积三角洲顶坡和前坡的确定

根据中塬沟沟道的自然比降,主沟平均比降1.2%,左支沟比降2.9%,右支沟比降2.3%,采用公式J顶=λj·J0[5]计算,此公式是从淤积前后河床组成的变化来确定淤积三角洲顶坡比降的,其中λj因属丘陵地区沙质河床,取0.5～0.7,顶坡比降取1.5%。J0为库区原河道比降。

采用经验估算法公式J前=(1.6～1.9)J0计算[5],前坡比降取4.3%。

2.4 三角洲顶点高程的确定

根据汛期入库平均流量(Q=80 m3/s)、三角洲顶坡比降(J顶=1.5%)、河床糙率(n=0.035)及所剖横断面,可求得平均水深h0=2.0 m,则三角洲顶点高程为汛期平均库水位920.8减去平均水深2.0得918.8 m。

2.5 试摆确定三角洲淤积体

根据所剖的沟道纵断面、20个横断面(主沟2个,左支沟9个,右支沟9个),在纵剖面图上前后摆动顶点A位置,A点向上的坡比取顶坡比降1.5%,向下的坡比取前坡比降4.3%,进行试算,试算的三角体体积应等于三角洲淤积量,试算结果:三角洲最下游距坝轴线距离1360 m,沟底高程891.3 m,顶点 A距坝轴线2 000 m。

2.6 异重流淤积体分布

由于中塬沟库底比降比较陡,库区回水短,可近似将异重流淤积量57.48×104m3按坝前平铺对待,淤积比降为0,由此查库容曲线,异重流淤积坝前高程为883.9 m。

2.7 塌岸量与引水来沙量分布

塌岸量与引水来沙共计110.13×104m3,而坝前部分塌岸量84.51×104m3,引水来沙量5.67×104m3,即坝前总淤积量为90.18×104m3,按锥体形态叠加在上述两种淤积体上对待,经计算,坝前高程为885 m,淤积比降 i左=1.55%,i右=1.35%。

结论:三角洲淤积形态在考虑异重流情况下,三角洲顶点 A距坝轴线2 000 m,经计算坝前50 a后淤积高程为885.0 m,泄洪洞口处淤积面高程为887.0 m。

三角洲淤积形态在不考虑异重流情况下,沟道淤积量129.45×104m3,用上述方法计算,结果是:三角洲顶点A距坝轴线1 700m,三角洲最下游距坝轴线形距离950 m,塌岸量与引水来沙共计110.13×104m3,其中坝前总淤积量为90.18×104m3,按叠加在三角洲淤积体上对待,经计算,坝前塌岸淤积高程为881.0 m,泄洪洞口处淤积面高程883.0 m,塌岸淤积比降i=1.55%。

3 纵向淤积形态判别 Ⅱ

3.1 淤积形态

根据判别式

判别,此公式为清华大学水利系及西北水利科学研究所公式[5]。式中:α′为淤积形态的判别系数,当 α′＞2.2,为三角洲淤积;当 α′＜2.2时,为锥体淤积;V为汛期平均库水位以下的库容,V=975×104m3;Ws为入库沙量(m3),多年平均入库沙量 W=2.589×104m3;J0为库区原河道平均比降,以万分率计为245‱。

经计算,α′=1.54＜2.2,故判别为锥体淤积形态。

3.2 淤积末端位置的确定

根据沟道纵剖面图,坝址处河床位置为B,即B点高程为859.5 m。

该库最高库水位921.3 m与原库底线的水平交点A′的位置,从沟道纵断面可知:L左=2.28 km,L右=2.86 km。

根据公式L=k·L0计算淤积末端距坝址距离L。

式中:L0为交点A′到B的水平距离;k为一系数,一般取1.0～1.3,从对该库淤积资料分析,由于该库来沙量小、滞洪持续时间短、淤积量小,故选用小值即k取1.0,则淤积末端位置A距坝址距离为:

3.3 试摆确定淤积部位

从淤积末端A出发,试作几条淤积纵剖面线,交于坝轴线于 O,即坝前淤积高程,使锥体 AOB体积等于淤积量129.45×104m3,其淤积面AO线即为所求的淤积面。

根据所剖的沟道纵断面、20个横断面(主沟2个,左支沟9个,右支沟9个)计算,计算结果表明,当坝前淤积高程为877.0 m时,锥体淤积体积为129.25×104m3,与实际的129.45×104m3接近,此时淤积面坡降i右=1.55%,i左=1.99%。

3.4 塌岸量与引水来沙量分布

塌岸量与引水来沙共计110.13×104m3,按叠加在上述两种淤积体上对待,经计算,坝前高程为 885 m,此时淤积面坡降 i右=1.35%,i左=1.8%。

结论:锥体淤积形态情况下,经计算坝前淤积高程为885.0 m,泄洪洞口处淤积面高程887.0 m。

4 用经验面积减少法计算淤积分布[5～8]

4.1 确定水库淤积分布的类型

淤积分布的经验面积减少法,是以运用多年的水库淤积分布的实测资料为依据,并加以概化得出水库沿高程的淤积量分布。

影响水库淤积分布的因素很多,如入库泥沙颗粒及其组成、进出库流量关系、水库大小、形状及水库运用方式等,这些因素相互影响,经验方法确定水库淤积分布,即抓住了影响淤积分布的主要因素乃是水库的地形。

水库的容积与水深的关系,即水库的库容曲线一般可以用下面公式来表达:

式中:V为相应水深h的库容(m3);N为系数;h为从原河床算起的坝前水深(m);m为库容沿高程增加的指数,是反映水库地形特性的一个指标。

从美国的30个水库的淤积资料中,把水库淤积量沿高程分布用相对值绘于一张图上,得出淤积分布可以按水库地形特性的指标m值分为4种类型(如图2所示);它们基本上概括了各类水库淤积分布的特点,这4种类型是:Ⅰ.湖泊型水库:m ＞3.5;Ⅱ.山麓型水库:2.5＜m ＜3.5;Ⅲ.丘陵型水库:1.5＜m＜2.5;Ⅳ.峡谷型水库:m＜1.5。

图2 按水库地形分类的淤积分布图

根据中塬沟水库地形资料,将水库库容水深关系点绘制在双对数纸上,即库容曲线的双对数曲线,量取其斜率,由于m=2.23,根据典型经验曲线判别该水库属于丘陵型水库,即第 Ⅲ型淤积分布曲线。

4.2 确定坝前淤积深度h0

设几个坝前淤积深度h0,分别查算其相应的V0,A0及值。

式中:V0为坝前淤积面以下的淤积体积(m3);Vs为水库的总淤积量(m3);H为坝址原河床至正常高水位的总深度(m);A0为水库深度h等于坝前淤积面以下的深度h0(即h=h0)处的淤积面积(m2)。

结论:经验面积减少法计算出坝前淤积高程889.16 m,泄洪洞口淤积高程891.0 m。

表1 面积减少法淤积深度试算表

5 淤积形态分布计算方法分析与比较

上述三种计算方法结果见表2。

表2 泥沙淤积形态分布计算成果表

从表中可以看出,三角洲淤积形态在考虑异重流情况下的洞前淤积高程887.0 m,经验面积减少法计算的洞前淤积高程为891.0 m,锥体淤积形态下的洞前淤积高程为887.0 m,而三角洲淤积形态在不考虑异重流情况下的洞前淤积高程为883.0 m,考虑到中塬沟水库为小(Ⅰ)型水库,总库容为986.0×104m3,而经验面积减少法是从美国30个水库淤积资料总结概括的,资料的范围是:库容从0.4×108m3～386×108m3,所以该方法不太适合中塬沟的淤积形态计算;锥体淤积判别式中考虑的因素较多,用来沙量Ws代替来洪量较为合理,同时兼顾到库区自然河道比降,但该种淤积形态一般都是在滞洪壅水时库水位变幅较大、来沙量又多的情况下产生,而中塬沟水库为亭口水库的反调蓄库,长期处于满库状态,水位变幅小,且来沙量不大,故锥体淤积形态不符合中塬沟水库的情况;此次采用的三角洲淤积形态判别式中参数虽然仅考虑总库容与来洪量因素,没有考虑到库形因素,为最简单的判别公式,但考虑到中塬沟水库库内水位长期保持在高水位,比较稳定,变幅较小,相对于入库的洪量来说,库容又比较大,同时沟道回水短,比降陡,这些情况下库区淤积多为三角洲淤积形态,即三角洲淤积形态比较适合中塬沟沟道泥沙形态分析。

同时考虑到中塬沟水库平均入库流量(Q平均=80 m3/s)和含沙量(ρ=21 kg/m3)不大,根据亭口水库工程在水库采用汛期相机敞泄排沙的运行方式下,分析产生异重流时的排沙沙限为50 kg/m3,类比到中塬沟水库,即 qs＜qs最小,故不易产生异重流。

综上所述,此次水库泥沙淤积形态分布计算采用三角洲淤积形态不考虑异重流情况下的计算结果,即坝前淤积高程为881.0 m,推算至泄洪洞口前,淤积高程为883.0 m。

6 结 论

从上述淤积形态分析与计算成果来看,在三角洲淤积形态下,中塬沟水库泄洪洞口前的淤积高程为883.0 m,同时发现影响坝前淤积面高程的主要因素不是沟道来沙,因为沟道来沙距坝轴线距离较远(三角洲顶点A距坝轴线1 700 m,三角洲最下游距坝轴线距离950 m),而主要是坝前区塌岸,而塌岸形成的淤积面坡比近似等于沟道比降的50%。

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