松塔水电站泥沙淤积分析与控制措施

宋文君

（晋中市水利局，山西 晋中 030600）

1 松塔水电站流域概况

松塔水电站位于潇河主干上游的松塔河段上，距山西省晋中市城区约44 km。坝址控制流域面积1 174 km2，枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道、导流泄洪排沙洞、供水发电洞和坝后电站。大坝为均质土坝，最大坝高62.6 m，正常蓄水位1 027 m，死水位994.00 m，总库容9 740万m3，死库容 800万m3。工程于2009年7月动工，2011年8月下闸蓄水。

潇河是汾河的第二大支流，其上游有白马河和松塔河两大支流，且以松塔河为主流，松塔河发源于昔阳县沾尚乡马道岭，先后汇入龙泉河、木瓜河，流域面积1 273 km2，在松塔水电站下游的寿阳县芦家庄与白马河汇合为干流。以下沿途又有涂河、涧河等支流汇入，潇河全长147 km，流域面积3 894 km2。

坝址以上为大部分砂页岩土石山区与小部分黄土丘陵区，流域属大陆性半干旱气候，多年平均降水量483 mm，降水量年际变化较大，且年内分配不均匀，汛期降水量约占全年的70%。

潇河流域水文观测站有宜铜铺、独堆、芦家庄、潇河大坝4处。宜铜铺、独堆位于坝址控制流域内，工程建成后，独堆站迁至松塔。

2 水电站入库泥沙分析

2.1 坝址输沙量计算

泥沙来量主要集中于汛期，由独堆水文站实测资料统计，多年平均输沙率24.6 kg/s，多年平均含沙量11.8 kg/m3，实测最大含沙量284 kg/m3，实测最小含沙量0 kg/m3，实测多年平均悬移值输沙量54.1万t，以此推算坝址多年平均悬移值输沙量为55.2万t，考虑10%的推移值，多年平均总输沙量为60.7万t。坝址输沙量系列见表1。

表1 独堆站、坝址输沙量系列表 单位：万t

2.2 级配组成

独堆水文站无泥沙颗粒级配资料，芦家庄水文站1974年以后有该项分析测验成果，尽管70年代以后大水年份较少，多属小水沙样，经分析挟沙粒径与洪水流量基本无关，而与沙源关系很大，选择了独堆水文站以上有较大洪水，而白马河基本不发水时芦家庄水文站的悬移质断面平均颗粒级配。

以芦家庄水文站1974～2004年中选择了29场洪水的颗粒级配曲线，并通过点据中心绘一条平均颗粒级配曲线，颗粒级配见表2。可以看出，该颗粒级配情况，符合砂页岩土石山区的来沙特性。

表2 泥沙颗粒积配表

2.3 入库泥沙冲淤分析

按照淤积形态判别公式：

式中：α′——泥沙淤积形态判别指数；

V——水库总库容，万m3；

Ws——入库沙量，万m3；

J0——库区原始河道比降，%。

当α′＞2.2，为三角洲淤积，α′＜2.2时，为锥体淤积。

计算出α′＞2.2，为三角洲淤积形态。

工程运行30年后坝前淤积总量为211万m3。相应淤积高程985.50 m。考虑大坝前库岸塌方224万m3，坝前淤积高程为989.90 m。淤积计算成果见表3。

表3 淤积计算成果表

3 水电站泥沙控制措施

3.1 布置导流泄洪排沙洞

洞底坎高程是决定排沙效果、恢复槽库容大小、保持终极库容大小的决定性因素。根据恒山等水库研究成果，洞底坎高程越低，对滞洪排沙效果越突出，控制形成槽库容的侵蚀基准面越低，冲刷形成的槽库容量大，但洞底高程越低，冲刷形成主槽的纵比降变陡，在运用中必然有较粗的泥沙推向坝前，对蓄水后的滞洪排沙和冲刷恢复槽库容不利，因而洞高程也不能太低，综合考虑，根据来沙粒径情况，取中等粒径0.041 mm作为推向坝前推移质的临界控制粒径。

冲槽纵坡比降公式：

式中：J0——冲槽纵坡比降；

ρ——汛期平均含沙量，kg/m3；

Q——汛期平均流量，m3/s；

d50——临界控制中粒径，mm。

计算得，d＞0.041 mm时，沙粒不会推向坝前的纵坡比降为J0≤0.005 6。

洞底高程Δh计算公式：

式中：Z校——校核洪水位，m；

L——校核洪水位相应回水长度，m。

计算出Δh为975.2 m，取洞底高程高出原河床8.5 m，即洞底高程为975.5 m。

洞子的泄流规模综合考虑施工导流、泄洪和冲沙作用，内径5.5 m，圆形断面，出口设有检修平板钢闸门、弧形工作钢闸门，蓄水排沙时可以依靠闸门控制泄量，设计洪水位1 027.41（P=1%）情况下泄量为594 m3/s，校核洪水位1 028.22（P=0.1%）情况下泄量为599 m3/s。

3.2 采取合理有效的水沙调度运用方式

3.2.1 开展泥沙观测

水电站多年平均入库总沙量60.7万m3，正常蓄水位1 027.00 m，相应的库容9 170万m3，库沙比151。为掌握工程建成后的泥沙淤积分布、数量、水沙平衡、出库泥沙粒径组成及冲淤变化规律，制定合理的调水、调沙方案，充分发挥工程效益，同时为库区整治、泥沙研究提供资料，开展了泥沙观测。

（1）基本设施和仪器设备

水电站库水位变幅约30 m，不易形成稳定的冰盖，冰上作业难以实现，淤积测验采用船测法，横断面测量选择在每年汛后10～11月份，配备一条机动测船，其它设备有回声测深仪、经纬仪、水准仪等。

测定悬移质泥沙通过采样器汲取河水水样，经过水样处理后，求得含沙量，配置瞬时泥沙采样器5个、积时泥沙采样器5个及现场测沙仪3套。对采样泥沙进行分析配置的设备有烘箱2个，烘杯30个，分沙器2个，量杯3个，天平2台，水样桶100个，比重瓶3套，温度计4只，干燥器4个。

（2）淤积观测

采用断面法对最高蓄水位以下的全库区进行泥沙淤积测验，正常蓄水位时回水长度约11.92 km，库区段地形比较复杂，有较大支流汇入，断面布设范围从坝前至淤积末端以上1～2个断面，布设了38个横断面，其中干流段21个，5条支沟共布设了17个。泥沙淤积测验每年汛后测验一次，特枯年份不安排测验。按照该38条横断面和天然情况下河道纵断实测断面间距计算的库容与地形法计算的库容相差约10%，见表4。

表4 库容曲线表

工程运行6年来，最高蓄水位达到1 023 m，经泥沙实测资料分析计算，淤积量为240万m3，比设计计算成果少14%，考虑这几年流域内水保治理拉蓄泥沙成效，基本吻合，见图1。

图2 坝址水位～库容曲线

3.2.2 采取合理有效的水沙调度运用方式

根据泥沙观测资料，掌握每年入、出库的泥沙总量并进行水沙量平衡计算，核定实际排沙比，确定出库泥沙级配，以掌握不同运行方式下的排沙效果，采取合理的运用方式。

库水位低于982.10 m时，无压泄流，高于985.84 m时，有压泄流，起调水位1027m，当入库洪水不高于20年一遇时，仅开启洞子泄洪，下泄流量不超过594 m3/s，遭遇20年一遇洪水时只开启洞子的最大泄量；当洪水位超过20年一遇洪水位1 027.40 m时，开启全部泄洪建筑物敞泄，直至库水位降到1 027 m。库水位与洞子泄量关系见表5。

表5 库水位与泄洪排沙洞泄量关系

水电站运行年限按30年计算，来沙量1 821万t，汛期弃水有少量异重流排沙，排沙比4%，泥沙干容重按1.25 t/m3，排沙后的淤积量还有1 399万m3，预计坝前淤积高程989.90 m，高于导流泄洪排沙洞洞底高程975.50 m。汛期经常开启洞闸门泄流，在洞子进口的上游库区将会形成漏斗状水流通道，漏斗形态比较稳定，洞子在每年汛期基本都要泄流，不会造成淤积孔口堵塞现象。随着泥沙观测资料的分析，调度运行方式将合理调整。

3.3 加快流域内的水土保持治理

从6年来松塔水电站流域水保治理措施拦蓄的泥沙来看（见表6），水土保持对于控制水土流失，改变下垫面条件，减少泥沙来源，减轻淤积是行之有效的。今后应加快水土保持综合治理步伐，采取拦泥淤地、整修梯田、植树造林、种植牧草等综合治理措施控制水土流失，减少入库泥沙。

表6 2011—2017年流域各项治理措施拦蓄的泥沙量 单位：万t

4 结语

第一，在多泥沙河流上修建工程，设计阶段收集水文、泥沙、地形等方面的资料，计算来水来沙量对于合理布置泄洪排沙建筑物、确定调度运用方式是非常必要的。第二，泄流排沙建筑物应尽可能位于主流区，最好设在坝体的主流位置。对于山区河流上采用异重流排沙的建筑物，底坎高程应根据来沙粒径情况合理确定。第三，开展泥沙淤积观测，能真实地反映淤积度，为探索工程的淤积规律及综合治理提供可靠依据。第四，工程管理应注重泥沙淤积监测及入库洪水的水、沙要素分析研究，确定适合本工程的调度运用方式。