肖 俊，胡 健

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 引言

新疆卡拉貝利水利樞紐是克孜河上具有季調(diào)節(jié)性能的控制性工程,以防洪、灌溉為主,兼顧發(fā)電等綜合利用。水庫正常蓄水位1 770 m,總庫容2.534 億m3,調(diào)節(jié)庫容1.879 億m3,死水位1 740 m,死庫容0.655 億m3,電站裝機容量60 MW?？ɡ惱畮鞄焐潮?庫容與年入庫沙量之比)為20,小于壅水建筑物結(jié)構(gòu)50 a 的設(shè)計基準(zhǔn)期,泥沙淤積屬于嚴(yán)重類別。

卡拉貝利水庫所在的克孜河屬于塔里木河流域喀什噶爾河水系,為冰雪融水型內(nèi)陸河流,其來水來沙特性與國內(nèi)雨式河流有著明顯的差異。河流的水源補給方式以高山冰雪融水、季節(jié)積雪融水和降雨為主,汛期往往集中在溫度最高的4 個月,汛期水量占年水量的65%,甚至更高。逐日洪水過程則受太陽輻射強度和每日氣溫變化過程的直接影響,汛期洪峰過程表現(xiàn)為一日一峰。河流流經(jīng)的上中游地區(qū)多為高原山區(qū),土質(zhì)疏松且植被覆蓋條件差,是河流泥沙的主要來源區(qū),產(chǎn)沙原因主要是降雨侵蝕,如遇暴雨匯入河流中的泥沙量驟增,產(chǎn)生高含沙洪水。冰雪融水型河流具有“大水大沙、小水小沙”的水沙同步特性,水庫運用不能簡單參照雨式河流蓄清排渾或低水位運行的方式,否則會出現(xiàn)汛期大量棄水、汛末無水可蓄的現(xiàn)象。

水庫淤積與排沙是工程泥沙研究的重要課題。我國水庫泥沙淤積現(xiàn)象普遍,根據(jù)全國6 702 座水庫統(tǒng)計的水庫年均淤損率為0.49%,相當(dāng)于每年損失一座庫容達(dá)10 億m3的大型水庫［1］。我國對于多沙河流的水庫淤積與排沙研究開始于20 世紀(jì)50 年代,其中三門峽水庫是國內(nèi)水庫排沙減淤研究最多的水庫,先后提出了蓄清排渾運用方式、異重流排沙和壅水排沙等減淤措施［2-3］。在此之后,多沙河流的重要水庫工程在設(shè)計可研階段均采用物理模型試驗進(jìn)行專項泥沙研究。

新疆地區(qū)水庫運行管理方式比較粗放,水庫泥沙淤積問題相對較為突出。以克孜爾水庫為例,水庫建成運行前10 a(1992—2001 年)的入庫泥沙量為9 617.2 萬t,出庫沙量為375.1 萬t,水庫的攔沙率高達(dá)96.1%［4］。水庫的攔沙排沙效果除受水庫規(guī)模與入庫水沙特性的影響外,還與水庫的運用方式息息相關(guān)。冰雪融水型河流水庫排沙遵循與內(nèi)地雨式河流水庫相同的蓄清排渾調(diào)度方式,但為保證充分利用寶貴的水資源,年內(nèi)不同時期蓄水水位和排沙方式需與來水來沙特點相適應(yīng),排沙調(diào)度運用更為靈活多樣。

目前,冰雪融水型河流水庫攔沙排沙方面的研究成果較少。鄭忠等［5］研究了冰雪融水型河流水庫的排沙運用方式,從水流挾沙力的角度分析了壩前蓄水位與水庫淤積的關(guān)系,分析了卡拉貝利水庫發(fā)生異重流的條件,并探討了蓄清排渾運用、異重流排沙和泄空沖刷在冰雪融水型河流水庫排沙中的運用。托爾巴衣爾［6］統(tǒng)計了2003—2019 年烏魯瓦提水庫排沙時段特征值,證實排沙水位是影響水庫排沙效果的最重要因素,并擬合得到烏魯瓦提水庫的排沙比計算公式。近十多年來,隨著國家援疆水利工程的推進(jìn),新疆地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了烏魯瓦提、卡拉貝利、大石門、阿爾塔什等重大水利樞紐工程,有必要開展冰雪融水型河流水庫泥沙問題的研究工作,以期為今后類似工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

2 卡拉貝利水庫排沙效果的模型試驗研究

卡拉貝利水庫壩區(qū)泥沙物理模型試驗包括3 個方面:一是不同壩前水位條件下的泄水建筑物附近水流流態(tài),研究泄洪建筑物布置方案的合理性；二是水庫泥沙淤積接近平衡的地形條件下進(jìn)行動床沖沙試驗,研究不同排沙水位和排沙流量的水庫排沙效果,觀測排沙建筑物前的沖刷漏斗形態(tài),分析排沙底孔布置的合理性；三是庫區(qū)泄空排沙試驗,研究水庫敞泄24 h 的庫區(qū)溯源沖刷效果。

2.1 來水來沙特性與水庫運行調(diào)度方式

克孜河具有上游來水、中游產(chǎn)沙的水沙異源特點。上游水源主要為瑪爾坎蘇河的冰雪融水和雨水。流域侵蝕以雨水沖蝕為主,尤其是夏季的陣發(fā)性降水是山地侵蝕和河流來沙的主要動力條件。同時季節(jié)性融雪匯流的產(chǎn)沙作用也很強烈,對河流的產(chǎn)輸沙有重要影響。根據(jù)1958—2005 年的實測水文資料,卡拉貝利水文站多年平均水量為21.37 億m3,多年平均流量為67.9 m3/s,來水具有典型的冰雪融水型河流特點,水量年際間的變化較小,年水量變化于14.43 億～27.24 億m3,最大最小水量比為1.89。水量年內(nèi)分配不勻,年最大流量往往發(fā)生在5—8 月,汛期水量占年來水量的66.2%。

克孜河豐水年基本對應(yīng)豐沙年,沙量與水量的增減相對應(yīng),僅有少數(shù)年份來沙量與來水量相比偏高。年內(nèi)來沙較為集中,主要集中于汛期的一兩個月內(nèi),甚至集中于少數(shù)幾場大洪水。卡拉貝利水文站年最大輸沙量5 741.5 萬t(1999 年),最小輸沙量573.3 萬t(1971 年),年最大輸沙量與最小輸沙量之比為10.0；多年平均含沙量為6.69 kg/m3,年平均最大含沙量22.6 kg/m3(1999 年),年平均最小含沙量2.98 kg/m3(1970年),兩者之比為7.6。多年平均汛期輸沙量1 256.7萬t,占年輸沙量的88.2%；多年平均非汛期輸沙量168.7萬t,僅占年輸沙量的11.8%。

水庫的泥沙沖淤除與水庫來水來沙、水庫地形有關(guān)外,還與水庫運行方式和運行水位有密切關(guān)系?？ɡ惱畮炫派称跒? 月初至9 月底,采取多種排沙方式相結(jié)合的調(diào)度運行方式:春汛期4 月、5 月結(jié)合灌溉用水進(jìn)行異重流排沙,5 月末水庫放空至1 740 m 死水位；6 月、7 月采取排沙水位1 735 m 控制泥沙淤積,如遇高含沙洪水適當(dāng)加大泄流量、降低水位泄空排沙；8 月上旬水庫蓄水至水位1 750 m,利用洪水加大泄流相機排沙；8 月中旬水庫開始蓄水,逐漸達(dá)到非汛期運行水位1 770 m。

2.2 模型設(shè)計

卡拉貝利水庫壩區(qū)動床泥沙物理模型研究范圍為壩址以上約2.5 km 的河道,庫區(qū)死水位以下河床最大寬度774.5 m,庫區(qū)1 775 m 高程以下的最大河寬1 260 m。本模型試驗是壩區(qū)模型動床試驗,主要研究不同工況下的水庫泄流與排沙關(guān)系以及壩前沖刷形態(tài),模型設(shè)計時應(yīng)考慮壩前水流對建筑物和泥沙沖淤形態(tài)的影響,因此設(shè)計上宜采用正態(tài)模型,避免幾何變態(tài)模型造成的建筑物扭曲,保證垂向水流流速分布相似和環(huán)流結(jié)構(gòu)相似。考慮現(xiàn)有場地條件與壩區(qū)泥沙物理模型相似性要求,模型采用1 ∶100 的正態(tài)模型。模型循環(huán)系統(tǒng)由動床模型、清水系統(tǒng)、渾水加沙系統(tǒng)、地表水庫、沉沙池等部分構(gòu)成,進(jìn)口水、沙采用各自獨立的循環(huán)系統(tǒng),以提高模型試驗水沙施放的精度,模型平面布置見圖1。

圖1 模型平面布置

2.3 模型沙選擇

壩區(qū)動床模型沙用量大,且水庫沖刷漏斗的形態(tài)與泥沙水下休止角關(guān)系較為密切,不宜選擇造價較高、水流運動與河床變形比尺相差太大的輕質(zhì)模型沙。因此,選擇密度較大、水下休止角與天然沙接近的粉煤灰作為模型沙。根據(jù)卡拉貝利水庫數(shù)學(xué)模型計算成果［7］,水庫壩址上游2.5 km 內(nèi)淤積10～50 a 的灘地淤積物中值粒徑為0.05～0.07 mm,河槽淤積物中值粒徑為0.10～0.18 mm,據(jù)此計算糙率:

式中:D50為床沙中值粒徑；A為系數(shù),取值在19～21之間。

計算得到庫區(qū)模型范圍內(nèi)的灘地天然糙率為0.032～0.034,原型河槽糙率為0.036～0.040；模型相應(yīng)的灘地糙率為0.016 左右,河槽糙率為0.017～0.018。粉煤灰糙率一般為0.01～0.028,本研究未做相應(yīng)的水槽試驗,參考同樣采用粉煤灰作為模型沙的三門峽庫區(qū)泥沙模型(中值粒徑0.035 mm),其預(yù)備試驗的糙率值為0.017～0.019［8］。根據(jù)同材質(zhì)模型沙糙率比較,所選模型沙的阻力特性可以滿足河床阻力相似條件。

為確保模型與原型的床沙起動相似,需進(jìn)行起動流速的相似性校驗?？ɡ惱畮熳畲笈派乘顬?6 m,原型起動流速的水深計算范圍定為10～60 m,相應(yīng)模型水深范圍為0.1～0.6 m,原型沙的密度為2 650 kg/m3,中值粒徑為0.14 mm,模型沙的密度為2 120 kg/m3,中值粒徑取0.054 mm,泥沙起動流速相似性校驗的計算結(jié)果見表1。

表1 床沙起動流速及流速比尺

由表1 可以看出,模型沙的起動流速比尺在8.6～9.1之間變化,比設(shè)計值10.0 略小,模型沙所需起動流速偏大,不容易起動,從工程的角度考慮沖刷漏斗范圍是偏安全的?？紤]到水庫天然淤積物的固結(jié)因素,起動比尺與設(shè)計值將更為接近,因此模型沙的起動是基本相似的。

驗證試驗是模型試驗必不可少的環(huán)節(jié),一般在正式試驗之前均需要進(jìn)行驗證試驗。本模型研究開展了模型沙水下休止角水槽試驗,驗證了模型沙休止角是滿足相似要求的。但是模型模擬的庫區(qū)上游2.5 km左右的河道,既沒有天然實測的水面線或水流流勢流態(tài)等方面的資料作為驗證依據(jù),也沒有相近兩次天然實測的河道地形資料作為河床沖淤驗證的依據(jù)。考慮到近壩區(qū)泄流建筑物附近的水流流態(tài)與沖刷漏斗形態(tài)主要受壩前壅水水位和排沙洞下泄流量的影響,因此通過嚴(yán)格校核相似條件來滿足試驗的相似要求。

2.4 試驗工況

卡拉貝利水庫的發(fā)電排沙建筑利用左岸山體地形,由岸邊向內(nèi)分別為2＃排沙洞、發(fā)電洞、1＃排沙洞,建筑物進(jìn)水口底板高程分別為1 708、1 722、1 696 m。1＃排沙洞為施工導(dǎo)流洞和泄洪排沙洞合二為一,利用進(jìn)水口底板高程接近河床底高程的特點,盡可能多地排沙,其功能為前期導(dǎo)流、后期泄洪排沙,工作門孔口寬和高均為4.5 m,設(shè)計泄流量423 m3/s。2＃排沙洞在滿足各種工況泄流量下盡可能抬高,以降低閘門承受的水頭壓力,工作門孔口寬和高均為5.0 m,設(shè)計泄流量531 m3/s。

試驗按照水庫的運行水位和排沙調(diào)度運用方式,得到4 種排沙運用水位(1 735、1 740、1 750、1 770 m)下單獨開啟1＃排沙洞、單獨開啟2＃排沙洞和同時開啟2 個排沙洞的方案組合,共計12 種壅水排沙試驗方案。卡拉貝利水庫下游防洪安全泄流量482 m3/s,其中水庫的發(fā)電引水流量為107 m3/s,因此試驗中的排沙洞沖沙流量為375 m3/s。

模型還模擬了水庫敞泄排沙方案,卡拉貝利水庫狹窄細(xì)長、灘庫容相對較小,充分利用克孜河洪水的水沙集中特點,在大洪水即將來臨的時機進(jìn)行水庫泄空沖沙,延長水庫的使用壽命。

3 水庫壅水排沙試驗成果

3.1 壩前水流流態(tài)

試驗觀測了各種方案水庫壅水沖沙的表流與底流流態(tài),壩前蓄水位越高對表面流態(tài)的影響越小。水庫按正常蓄水位1 770 m 運用時壩前水深較深,發(fā)電排沙運用對水流流態(tài)的影響不大,泄流建筑前無明顯的回流區(qū)。汛限水位1 750 m 開啟排沙洞時建筑物附近表層水流開始出現(xiàn)回流現(xiàn)象,開啟1＃排沙洞排沙運行時洞前回流較弱,無漂浮物集結(jié)現(xiàn)象；開啟2＃排沙洞沖沙運用時,受開挖地形的影響,表面流場以發(fā)電引水洞平臺為界存在回流方向相反的兩個回流區(qū),其中發(fā)電引水口附近形成一個順時針的表面回流,范圍貫通整個開挖段,回流強度較強,與此對應(yīng),發(fā)電平臺頭部近岸側(cè)形成一個逆時針的回流區(qū),回流強度較弱。

圖2 為1 735 m 水位運用方案排沙洞附近的表面與底部流態(tài)。當(dāng)運用水位為1 735 m 時,建筑物附近的水深較淺,泄洪排沙時能觀測到明顯的表面流速,表面回流強度大于1 750 m 水位方案的。因此,在開啟2＃排沙洞沖沙運用時壩前的浮渣容易匯集于壩址左側(cè)的開挖段,設(shè)計時需考慮電站防漂浮物的措施。

圖2 1 735 m 水位運用方案的表面與底部流態(tài)

3.2 沿程流速垂向分布

為研究水庫排沙時流速的沿程變化,試驗測量了壩前不同測點的流速。以排沙洞進(jìn)水口為起點(編號V0),沿流線方向向模型上游間隔10 cm(天然10 m)布置一流速測點,越向上游編號越大。

不同水位沖沙時河床底部水流流速隨測點距建筑物進(jìn)口距離增加而迅速衰減,流速影響范圍與建筑物附近的水位成反比,壩前水位越高則底流衰減速度越快、影響范圍越小。以開啟2＃排沙洞為例,排沙建筑物附近的流速垂向分布如圖3 所示。泄流排沙對流速的垂向影響范圍為自河底向上20～30 m,河底各測點流速最大,沿河床向上流速逐漸減小,距河底30 m 以上的上層水流影響較小。從排沙孔口向上游河道方向的沿程測點,流速隨著距排沙孔口門距離的增加而減小,同時各測點流速的垂向分布更均勻。以測點流速的垂向分布差異作為判斷標(biāo)準(zhǔn),可得出水庫運用水位越低則底部水流流速越大,而且影響范圍越大。例如1 735 m方案2＃排沙洞排沙的平面影響距離可到V8 測流點(距進(jìn)口80 m),隨壩前水深的增加,排沙泄流對上游流場的影響范圍顯著減小,1 770 m 水位時流速垂向衰減很快,最遠(yuǎn)平面距離僅到 V3 測流點(距進(jìn)口30 m)。

圖3 2＃泄洪排沙洞附近流速的垂向分布

3.3 壩前沖刷漏斗

水庫沖刷漏斗的形成是多因素綜合作用的結(jié)果,影響因素主要有壩前水流條件、壩前淤積物組成、泄水建筑物的布置形式以及水庫運行方式。水庫開始排沙運行時,排沙孔口的泥沙沖刷迅速,在水流與重力的雙重作用下泥沙沿平面迅速展開并向上游溯源沖刷。隨著沖刷漏斗范圍的逐漸擴大,漏斗坡度變緩,滑塌與沖刷強度降低,最終形成穩(wěn)定的沖刷漏斗。沖刷漏斗的局部形態(tài)直接依賴于孔口布置形式,而漏斗最終平衡比降則取決于上游水沙條件與水庫運行方式。因此,每一個水庫的沖刷漏斗都不可能與另一個水庫完全相同,需要通過模型試驗預(yù)測沖刷漏斗的形態(tài),優(yōu)化排沙孔的布置。

圖4 為1 735 m 排沙水位的沖刷漏斗平面形態(tài)。泄洪運用時水流在行近排沙洞孔口流動過程中形式發(fā)生改變,逐漸由明渠流過渡到有壓底孔泄流。對于水深較大的1＃排沙洞,水流擴散與收縮幅度較大,漏斗的縱向坡度較陡,開啟1＃排沙洞的沖刷漏斗縱向邊坡為1 ∶3～1 ∶4,橫向邊坡為1 ∶3。而2＃排沙洞前的水深較淺,孔前的水流擴散與收縮幅度較1＃排沙洞都小得多,因而形成的漏斗坡度較緩,其沖刷漏斗縱向邊坡為1 ∶3.5～1 ∶5,橫向漏斗發(fā)展受兩側(cè)開挖邊坡限制無法直接測出,可參考1＃排沙洞的橫向坡度取值。圖5 為沖沙漏斗深泓點縱剖面,其中圖例S1735-1 為1 735 m 水位開啟1＃排沙洞的試驗結(jié)果,S1735-2 為1 735 m 水位開啟2＃排沙洞的試驗結(jié)果。由圖5 可見,較低的排沙水位有利于形成平緩的漏斗縱坡,提高排沙洞的排沙效果。

圖4 1 735 m 排沙水位的沖沙漏斗平面形態(tài)

圖5 沖刷漏斗的深泓點縱剖面

與其他水庫工程的原型沖刷漏斗比較可知,水庫原型觀測的橫向坡度接近泥沙水下休止角,一般為1 ∶3～1 ∶4,本模型試驗橫向坡度為1 ∶3；而天然沖刷漏斗縱坡一般為1 ∶5～1 ∶26,模型試驗的縱坡為1 ∶3～1 ∶5,原型漏斗的坡度更為平緩?？紤]到方案中包括壩前水深較大的方案且所選模型沙的起動流速偏低,認(rèn)為卡拉貝利水庫的沖刷漏斗縱坡試驗結(jié)果基本符合實際,水庫天然漏斗縱坡應(yīng)比試驗結(jié)果更緩,從工程安全的角度講試驗成果偏安全。

3.4 水庫排沙比

試驗將下游安全泄量作為起排流量恒定控制,試驗進(jìn)口含沙量按10 kg/m3控制,高于汛期平均含沙量。水庫的排沙比與壩前運用水位、泄洪排沙洞開啟方式都有關(guān)。壩前運用水位越低,則水庫的排沙比越大,見表2。當(dāng)開啟1＃排沙洞時,壩前水位1 735、1 740、1 750 m 對應(yīng)的水庫排沙比為0.80、0.52、0.45,隨運用水位的升高,水庫排沙比逐漸減小。開啟2＃泄洪排沙洞也有同樣的規(guī)律。因此,為保持水庫的庫容,在排沙運用時應(yīng)爭取更低的水位,甚至采用空庫排沙的方式。

表2 不同方案的沖沙效果

泄洪排沙洞的進(jìn)口底板高程也對水庫的排沙有重要的作用,開啟1＃排沙洞更有利于水庫的排沙。由表2 可知,壩前水位為1 735 m 時,開啟1＃泄洪排沙洞時水庫排沙比為0.80,而開啟2＃排沙洞時水庫排沙比為0.57,兩者差異明顯。

4 敞泄排沙成果分析

模型試驗?zāi)M了水庫泄空24 h 條件下沖刷過程,采用的地形為水庫沖淤平衡后通過泄空排沙恢復(fù)部分庫容的地形。敞泄沖沙方案試驗有兩種,方案O-1 為開啟1＃排沙洞,方案O-2 為開啟2＃排沙洞。模型進(jìn)口泄放的沖沙流量與沖刷漏斗形態(tài)試驗方案的排沙流量相同,均為375 m3/s。

水庫的泄空沖刷包含沿程沖刷與溯源沖刷兩種方式,在泄洪排沙洞排沙形成沖刷漏斗的過程中,原河道淤積基點下降,河道自壩前向上游方向產(chǎn)生溯源沖刷。溯源沖刷過程發(fā)展較快,沖刷強度大,模型上能觀測到明顯的水流擾動。沖刷方式以下切為主,逐漸向上游傳遞,橫向展寬幅度則較小。試驗結(jié)果表明,經(jīng)天然24 h(模型65 min)的敞泄沖刷,影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)壩址上游約1.6 km 處的河段,庫區(qū)敞泄排沙沖刷形成寬度為40～90 m 的主槽,與原灘面有明顯高差,形成復(fù)式斷面形態(tài)。

圖6 為敞泄沖刷試驗的深泓點縱剖面,依據(jù)比降變化可將泄洪排沙洞沖刷漏斗分成兩段,其中靠近泄水排沙洞口段稱為小漏斗段,縱比降主要受孔口流場的影響,比降較陡；將受上游來水來沙和孔口流場雙重作用段稱為大漏斗段,此段的比降明顯小于小漏斗段。2＃排沙洞前的小漏斗段長度約200 m,縱向坡度約為1 ∶11.4,大漏斗段的縱向坡度為1 ∶90 左右(縱坡比降約為1.1%)。1＃排沙洞前的小漏斗段長度約160 m,縱向坡度約為1 ∶6.2,橫向坡降約1 ∶3.5,大漏斗段的縱坡比降則與2＃排沙洞大體相同,為1.0%。

圖6 敞泄沖刷方案的深泓點縱剖面

沖沙流量與水深是影響水庫排沙效率的重要因素。從兩方案的對比可以看出,在沖沙流量和壩前水位相同的情況下2＃排沙洞的孔口底板高程較高,壩前沖沙水深淺,小漏斗段比降明顯小于方案O-1,影響范圍也更大。由于兩方案上游來流流量相同,因此主要由沖沙流量決定的大漏斗比降也基本是相同的,說明在沖刷流量與河床組成相同的條件下水庫沖刷平衡比降大體相同。

5 結(jié)語

(1)壩前運用水位越低,水庫的排沙效率越高。冰雪融水型河流水庫應(yīng)根據(jù)上游來水來沙條件、電站運用情況和排沙洞前淤積高程,抓住有利時機,靈活地運用多種方式?jīng)_沙保庫。汛期水庫降低水位運行,結(jié)合實際情況開啟排沙洞及泄洪閘適時排沙。

(2)水庫淤積接近沖淤平衡階段,當(dāng)庫區(qū)上游來高含沙洪水時,適時進(jìn)行泄空沖刷,如上游來水含沙量過高(大于30 kg/m3)或洪水流量持續(xù)較大時,可考慮停運全部發(fā)電機組、降低水位進(jìn)行沖庫敞泄排沙,開啟1＃排沙洞,充分利用洪峰大流量排沙,恢復(fù)部分庫容。