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(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 研究背景

新疆克孜爾水庫自1992年下閘蓄水運行至今，泥沙淤積總量已高達2.501×108m3，庫容損失率高達41.2%[1]，泥沙淤積問題已嚴(yán)重影響水庫各項正常使用性能，甚至已經(jīng)危及到大壩的安全?？俗螤査畮炷嗌秤俜e問題，集中體現(xiàn)在汛期大量泥沙隨著洪水涌入庫區(qū)，懸移質(zhì)泥沙沿程落淤。采用泄空沖沙雖能解決汛期泥沙淤積，但考慮到水庫下游23.33×104hm2的灌溉面積[1]及水庫發(fā)電效益，泄空沖沙并不是水庫汛期排沙的首選方案。綜合考慮汛期利用異重流排沙是當(dāng)前水庫解決泥沙淤積問題的不二之選。

為了提高水庫異重流排沙減淤工作的實際效果，必須對水庫異重流現(xiàn)象及其運行規(guī)律有深刻的認(rèn)識。本文在已有水庫異重流研究成果的基礎(chǔ)上，對新疆克孜爾水庫異重流實測資料進行分析，試圖定量提出克孜爾水庫異重流潛入及持續(xù)運行條件、不同來水條件時異重流運行規(guī)律及排沙效果，以期結(jié)合工程措施在克孜爾水庫塑造出高排沙率的水庫異重流現(xiàn)象減輕水庫泥沙淤積問題。

2 工程概況

渭干河克孜爾水庫位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)渭干河干流木扎提河與支流黑孜河的交匯處，系塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖與旅游開發(fā)等綜合效益的大(I)型水利樞紐工程。整個樞紐利用現(xiàn)代壩工技術(shù)修建在F2活動斷層上，由主壩、副壩、二道壩、開敞式溢洪道、泄洪排沙導(dǎo)流洞、壩后式電站組成。水庫正常蓄水位為1 149.6 m，相應(yīng)庫容為6.04×108m3，壩址以上流域面積17 000 km2，電站裝機容量為4×6.5 MW，保證出力6.4 MW，多年平均年發(fā)電量1.34億kW·h[2]。

水庫管理局1992—2010年先后利用斷面法與水下地形圖法對水庫進行了7 次泥沙淤積測量，詳見表1。由表1可知：水庫運行20 a實際泥沙淤積值與設(shè)計初期預(yù)測值相比，死水位及汛限水位以下已達2.5倍，正常蓄水位以下泥沙淤積總量也已達2倍之多，實際泥沙淤積值遠遠大于設(shè)計初期預(yù)測值，水庫泥沙淤積問題嚴(yán)重。

表1 克孜爾水庫泥沙淤積測量結(jié)果Table 1 Measured sedimentation in Kizil reservoir

3 異重流排沙規(guī)律分析

異重流的研究可以追溯到20世紀(jì)40年代，在長達一個多世紀(jì)的時間里，國內(nèi)外學(xué)者對于水庫異重流的產(chǎn)生、運行等問題進行了由淺入深的研究，取得了十分寶貴的研究成果。近年來對于異重流的研究主要分為2個方面：①以異重流發(fā)生時的相關(guān)特征參數(shù)為對象進行理論研究，如李濤等[3]對異重流潛入點處垂線流速分布物理圖形進行數(shù)學(xué)分析，得出潛入點處垂線流速分布理論公式為拋物線形；胡鵬等[4]探討了異重流水卷吸系數(shù)和泥沙交換經(jīng)驗公式對復(fù)雜地形上異重流演化模擬的適用性；賀治國等[5]研究了異重流在層結(jié)與非層結(jié)水體中的運動特性，非層結(jié)水體中異重流頭部速度先迅速增大，而后基本不變、減速幅度較小，而在層結(jié)水體中異重流頭部速度先增大，之后明顯減小。②建立異重流的物理、數(shù)學(xué)模型，如王增輝等[6]建立了基于庫區(qū)不規(guī)則斷面的一維非恒定異重流數(shù)學(xué)模型，該模型能夠預(yù)測異重流的厚度、含沙量分布及傳播過程；紀(jì)道斌等[7]以三峽水庫支流庫灣中層倒灌異重流為對象構(gòu)建了相關(guān)物理模型，分析了異重流頭部移動速度、交界面高度、頭部厚度等主要水力學(xué)要素的變化過程及受入流量、初始水位、溫度差的影響規(guī)律。

當(dāng)挾沙水流進入蓄有清水的水庫后，不同容重比的清渾水在交界面處形成環(huán)流，導(dǎo)致挾沙水流潛入清水層下運行，這一現(xiàn)象被定義為異重流的潛入，它是異重流開始形成的標(biāo)志[8-9]。水庫泥沙異重流可看成是一種泥沙運動的特殊形式，同時也是水庫調(diào)水調(diào)沙必須考慮的因素[10]。異重流潛入點位置與流量、含沙量、河床邊界條件及庫水位等因素有關(guān)，一般位于水深沿程變化較大的水庫回水末端，且隨著入庫流量和含沙量的變化而上下移動[11]。對于克孜爾水庫來說，因其庫區(qū)平面大、回水長，異重流沿程變化則更加復(fù)雜，因此針對克孜爾水庫異重流水沙輸移規(guī)律進行研究更具其必要性，本文主要對克孜爾水庫異重流潛入及持續(xù)運行條件這2方面進行研究。

3.1 克孜爾水庫異重流潛入條件

結(jié)合已有研究成果看，異重流的形成與洪泛密切相關(guān)，是一種低速、持續(xù)時間長、高于一定密度門檻的低密度準(zhǔn)穩(wěn)定濁流[12]。異重流主要受地形、氣候、密度差等因素控制，水體密度小、近物源、地形高差大、中-小河流發(fā)育、構(gòu)造活動強烈的陸相湖盆更利于異重流的產(chǎn)生[13]。異重流的形成需要具備的基本條件可以概括為水庫有一定深度的清水及庫底坡降、入庫水流有一定的含沙量及流量[14]。故筆者將從水沙條件及水庫底坡比降方面探討克孜爾水庫異重流的潛入條件。

3.1.1 異重流潛入臨界水沙條件

綜合分析新疆克孜爾水庫異重流的實測資料，可將克孜爾水庫異重流發(fā)生時的臨界水沙條件歸納為：①入庫流量基本在120 m3/s以上；②水庫水位控制在1 140.0 m左右，不應(yīng)低于1 135.0 m以下；③入庫流量在120 m3/s時，水流含沙量一般應(yīng)在25 kg/m3左右；④若入庫流量>900 m3/s，相應(yīng)入庫含沙量約為15 kg/m3；⑤當(dāng)入庫水流流量介于120～900 m3/s之間時，渾水含沙量與水流流量呈單調(diào)減小關(guān)系，二者關(guān)系可用式S≥27-0.015Q(S為含沙量，Q為流量)表達。

3.1.2 水庫臨界底坡

異重流可看作是一種特殊的明渠流[15]，在計算中為了簡化常常將其視為均勻流。利用異重流的正常水深與潛入點水深可得

(1)

式中：hn為異重流的正常水深；h0為異重流潛入點水深；λ′為綜合阻力；J0為庫底坡降。

鑒于異重流潛入時綜合阻力λ′的存在，所以當(dāng)渾水水深大于異重流正常水深時，異重流的潛入是不成功的。文獻[16]給出了綜合阻力λ′的取值范圍，即在0.02～0.03之間。當(dāng)式(1)左邊值取1時，即可求得異重流發(fā)生時庫底坡降的臨界值范圍為

Jl=0.001 5～0.002 2 。

(2)

按照庫底坡降條件，當(dāng)庫底坡降J0>Jl時，異重流的潛入則只需滿足范家驊[17]提出的潛入表達式即可，否則潛入不成功。

3.2 異重流持續(xù)運行條件

水庫異重流排沙的必要條件是異重流形成之后能夠挾帶泥沙持續(xù)運行至泄水建筑物并最終將泥沙排出庫外。異重流持續(xù)運行的動力來自于水流中的泥沙，其與異重流的形成條件并不一致，故必須將異重流的形成條件與持續(xù)條件區(qū)別看待[18]。

3.2.1 持續(xù)運行水沙條件

通過整理分析新疆克孜爾水庫異重流排沙的實測資料，克孜爾水庫異重流持續(xù)運行的臨界水沙條件為：①入庫流量一般≥200 m3/s，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50<0.025 mm的百分比一般≥65%；②當(dāng)入庫流量介于200～1 000 m3/s之間時，兩者之間的關(guān)系可用S≥42-0.006Q進行計算；③與異重流形成時的水流含沙量相比，異重流持續(xù)運行時水流含沙量較大，這也佐證了異重流持續(xù)運行時動力來源于水流中的泥沙這一研究成果。

3.2.2 異重流持續(xù)運行時間

為了在異重流持續(xù)運行至泄水建筑物時，準(zhǔn)確把握泄水閘門的開啟時間進行排沙工作，從而提高水庫異重流排沙效率，就必須確定異重流運行至泄水建筑物的時間。

前人對異重流運行時間的計算公式均建立在異重流潛入點處的相關(guān)參數(shù)[16,19]的基礎(chǔ)上。為了方便計算，筆者基于入庫段洪水的相關(guān)參數(shù)建立了異重流運行時間的計算公式(另文詳述)。

異重流庫區(qū)運行時間T為

(3)

式中：L為異重流運行距離；S0為入庫段洪水含沙量；Jb為水庫底坡比降；q為入庫水流單寬流量；C為庫容系數(shù)，對于不同的水庫，C是不同的，通過計算克孜爾水庫庫容系數(shù)率定為0.458。

4 異重流的塑造

從現(xiàn)有的異重流塑造手段來看，主要有梯級水庫的聯(lián)調(diào)[20-21]以及機械設(shè)備輔助制造高含沙水流入庫[22-24]。鑒于新疆克孜爾水庫上游并無可進行聯(lián)調(diào)的水庫，而機械設(shè)備輔助制造高含沙水流并不經(jīng)濟，故水庫決定采用一種新的異重流塑造手段——堤渠結(jié)合方式輔助塑造水庫異重流排沙。

4.1 堤渠布置方案

克孜爾水庫來流主要由干流木扎提河和支流克孜河組成，支流克孜河來沙較細且河道屬窄深式，故相較于干流木扎提河河道形式更易產(chǎn)生異重流。以往水庫運用異重流排沙過程中存在一個問題，即支流克孜河與干流木扎提河在“魚嘴”附近常形成交混水流，導(dǎo)致支流克孜河異重流傳播能量減弱，大量泥沙在“魚嘴”附近落淤，逐漸形成“攔沙底坎”阻截異重流挾帶泥沙運至泄水建筑物，大大降低了水庫異重流的排沙效率。

堤渠結(jié)合方式輔助塑造水庫異重流排沙方案指：在支流克孜河上游修筑導(dǎo)流堤，將挾沙水流挑向河道左岸，挾沙水流沿左岸順勢而下，繼而由順壩將挾沙水流導(dǎo)入人工排沙明渠，最后經(jīng)壩前排沙明渠行進至壩前泄水建筑物。具體布置方案見圖1。

圖1 堤渠結(jié)合布置方案示意圖Fig.1 Layout scheme of dam and canal combination

堤渠結(jié)合輔助制造異重流技術(shù)優(yōu)點主要表現(xiàn)為：①縮短了支流克孜河異重流運行至大壩的運行距離，減小了異重流沿程的能量損失，水流挾沙能力及出庫泥沙含量較之以前大大提高；②支流庫段形成沿淤積三角洲的頂點處向上游發(fā)展的溯源沖刷現(xiàn)象，從而使異重流挾沙量增大，排沙效果更加顯著；③改變原有河道走向，與原有河道相比使河道窄深程度加大，有利于異重流持續(xù)運行至壩前。

4.2 水庫水位控制

根據(jù)來水流量對水庫水位進行控制：

(1)1 a一遇時，庫水位控制在1 150.0 m以下。由于順壩兩側(cè)水位差小，排沙渠進口處水流流態(tài)穩(wěn)定，出口處過流平順，沖刷槽及人工排沙渠排沙效果不受水庫回水線附近部分淤積物的影響。

(2)5 a一遇時，庫水位控制在1 145.0 m以下。來水流量的增大加劇了導(dǎo)流堤及沖刷槽的沖刷強度，部分推移質(zhì)及較大顆粒的懸移質(zhì)泥沙逐漸淤積在回水線附近的沖刷槽內(nèi)；但當(dāng)水位逐漸回落時，前期淤積在沖槽內(nèi)的泥沙又被水流沖掉，而后沖刷槽迅速恢復(fù)暢通。

(3)10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇時，庫水位控制在1 140.0 m以下。導(dǎo)流堤上游堤腳沖刷深度均在5.0 m以上，最大值達5.5 m；此時沖刷流速也較大，達到2.9 m/s以上；沖刷槽寬度在80.0～130.0 m之間。

由于克孜爾水庫汛期來沙量約占其全年來沙量的90.0%，當(dāng)汛期庫水位降至1 135.0 m附近及下泄流量穩(wěn)定在750.0 m3/s以內(nèi)時，支流克孜河庫段全年來沙量的85.0%將被排出庫外，有效緩解了水庫泥沙淤積問題。

4.3 實施效果及其分析

克孜爾水庫堤渠結(jié)合輔助塑造異重流排沙技術(shù)自2012年投入運行至今，實施效果顯著：

(1)通過實地觀測，支流克孜河庫段的主河槽已明顯改道至距離大壩排沙底孔較近的左岸處，異重流運行距離明顯縮短，水庫汛期維持在1 140.0 m水位以下運行時，支流入庫泥沙均能隨著異重流運行至大壩從而排出庫外。

(2)統(tǒng)計分析2006—2015年水庫汛期進出庫泥沙資料，見表2。

表2 水庫汛期進出庫泥沙統(tǒng)計Table 2 Statistics of inbound and outbound sediment ofreservoir during flood season

水庫未采取堤渠結(jié)合輔助塑造異重流措施時，水庫年均排沙比較低，除2010年達到7.0%以外，其余年份均在3%以下。2010年平均排沙比較大的原因是當(dāng)年水庫入庫泥沙總量較大，利于異重流的形成。水庫自采取堤渠結(jié)合輔助塑造異重流排沙技術(shù)之后，水庫年平均排沙比得到了極大的提高，基本保持在10%以上。其中2014年年均排沙比達到10.4%，是2006年年均排沙比2.0%的5倍之多。入庫泥沙主要集中在汛期，且汛中(7月份)入庫泥沙量級較大，堤渠結(jié)合塑造異重流方式排沙效果同樣集中體現(xiàn)在汛中及汛末(即7—8月份)，這與異重流形成及運行規(guī)律相匹配，即泥沙多來多排、高含沙水流更易于形成異重流。對比分析采取措施前后汛期排沙比，可以發(fā)現(xiàn)汛期排沙效果較年均排沙效果更為顯著，采取措施前后排沙比可達到6倍之多。

(3)分析水庫汛期沙峰期間排沙效果統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表3)可知，當(dāng)庫水位控制在1 140.0 m以下時，雖然平均進庫含沙量均大于出庫含沙量，但平均入庫流量均小于出庫流量，且變化幅度大于含沙量的變化幅度，故二者作用的結(jié)果促使出庫泥沙總量大于進庫泥沙總量，排沙比均>100%，極大值甚至達到380.1%。水庫汛期排沙比超過100%的原因除去異重流攜帶泥沙出庫外，支流河道束窄使支流克孜河庫段形成的沿淤積三角洲頂點處向上游發(fā)展的溯源沖刷現(xiàn)象也是重要原因。通過現(xiàn)場觀測支流段形成的溯源沖刷長度達6.0 km、寬度達40.0 m、平均深度在3.0 m以上，排沙效果顯著。

表3 水庫汛期沙峰期間排沙效果Table 3 Effect of sediment discharge during sand peak in flood season

5 結(jié) 論

(1)新疆克孜爾水庫汛期水沙特性符合異重流形成規(guī)律，運用異重流進行水庫排沙減淤工作，可達到延長水庫壽命的目的。

(2)通過對新疆克孜爾水庫異重流實測資料的分析，歸納出了水庫異重流發(fā)生及持續(xù)運行至泄水建筑物時的臨界水沙條件及水庫底坡坡降條件，提出了基于入庫洪水特性的異重流持續(xù)運行時間的計算方法，為水庫異重流排沙提供了理論基礎(chǔ)。

(3)結(jié)合克孜爾水庫固有特性實施的堤渠結(jié)合輔助塑造異重流方案，不僅使水庫異重流排沙效率提高，并且解決了部分水庫前期泥沙淤積問題，為今后大庫盤水庫的泥沙減淤工作提供了經(jīng)驗。