浅谈水库泥沙淤积计算方法在工程中的应用

浅谈水库泥沙淤积计算方法在工程中的应用

杨妮武如锐

杨妮武如锐

安康市水利水电勘测设计院陕西省安康市725000

摘要：某水电站为旬河梯级开发中的一级，该工程为小型水电站工程，水库回水与上游水电站尾水衔接，二级公路沿库区右岸通过。计算水库泥沙淤积和回水高度，确定库区淹没范围，是主要设计内容，因此泥沙淤积计算是该电站设计的重点之一。本次对水库淤积的纵、横剖面形态进行了计算，并采用美国陆军兵团水面线计算软件HEC-RAS推算了水库回水曲线。

关键词：泥沙淤积平衡比降水电站应用

一、工程概况

本工程水库正常蓄水位331.00m，总库容436.9万m3，电站装机容量9000kW，多年平均发电量2293万kWh。大坝坝顶总长度124.50m，坝顶高程335.10m，最大坝高30.60m。溢流坝段长64.50m，布置在主河床，堰高16.50m；左岸挡水坝长11.00m，坝高16.60m；右岸厂房坝段长49.00m，布置在主河床右侧，其中机组段长29.00cm，安装间段长12.00m。水库采取“蓄清排浑”的运行方式，即当汛期入库流量大于分界流量182m3/s，小于造床流量729m3/s时，水库降低至排沙水位329.00m运行，多余水量通过泄水闸门控制泄流。水电站库区为山区型河道，多为“U”型，两岸大部分为岩质岸坡，库区河段天然平均比降J0=1.8‰。河谷宽窄相间，库面平均宽度88m，回水长度4.1km。水库悬移质多年平均输沙量111万t，推移质按悬移质的20%估算，为22.2万t，共计输沙量133.2万t。

二、水库泥沙冲淤分析及计算

1.水库泥沙淤积形态判别

水库泥沙淤积形态判别采用《泥沙计算手册》中清华大学水利系及西北水利科学研究院公式：

α=V/WS/J0

式中：α—判别系数；V—水库正常蓄水位331.0m以下的库容（万m³），V=265；WS—多年平均输沙量（万m³），WS=133.2；J0—水库库区原河床平均比降（‱），J0=18.0。

计算得α=0.11<2.2，库区纵向淤积形态为锥体淤积。水库库容很小，水库在很短时间即可达到淤积平衡状态，泥沙淤积厚度自上而下沿程递减至坝前，淤积面比降近乎一个比降，一次洪水的淤积就可能达到坝前。

2.水库淤积形态计算

2.1纵向形态计算

天然河道比降是水沙过程和和床之间的长期作用的结果，而建库后的平衡比降只是在造床水沙条件改变之后，同是两者相互作用的产物，因此本工程采用倍比法计算水库平衡比降。考虑本工程取水枢纽布置形式为闸坝式，侵蚀基准面抬高值较小，确定水库淤积平衡比降为原河道比降的0.8倍。原河道河床比降为i0=1.8‰，淤积平衡比降为i=1.44‰。根据水库统计资料，水库滩地淤积纵剖面比降与原河槽比降的关系为1:10，即滩地淤积纵剖面比降i滩=0.18‰。

2.2.横向淤积形态计算

从造床流量相当于平滩(河漫滩)流量这个概念出发，按照《泥沙设计手册》中钱意颖公式计算确定造床流量。

式中：—汛期平均流量，取=84.5m³/s（取主汛期7~9月）。

计算得Q造=729m³/s。根据水文资料分析，水库坝址处2年一遇洪峰流量为870m³/s，多年平均洪峰流量为1250m³/s。根据上述计算及经验，造床流量采用钱意颖公式计算结果。

按照《泥沙设计手册》C.T阿尔杜宁稳定河宽关系

式中：B—稳定河宽，m；Q—水库造床流量（m³/s），Q=729m³/s；i—水库淤积平衡比降，i=1.44‰；A—稳定河宽系数，与滩岸和河岸土质有关，表征河岸稳定情况，A值越大，河岸越不稳定，蜿蜒型河道A=0.64～1.15，游荡型河道2.23～5.41，过度型河道1.3～1.7，结合本河段天然河相关系，取A=0.85。

由上公式计算得B=85m，确定稳定河道宽为85m。根据稳定河床主槽几何形态关系经验公式确定，河道宽度B=85m，平衡水深h=3.25m，过水面积为276m²。

本水库淤积物相对较粗，随淤随冲，冲刷时往往引起岸壁坍塌，因而横断面面坡较缓，边坡系数m平均值为1：6，横断面形态近似三角形。

3.河道水沙特性及排沙分界流量选择

3.1河道水沙特性

水电站水库枢纽控制流域面积3169km²，坝址处旬河多年平均径流量为10.7亿m³，多年平均流量34.0m³/s。旬河汛期5～10月径流量占全年径流量的78.9%，而枯水期12～3月径流量仅占全年径流量的10.0%。悬移质多年平均输沙量111万t，推移质按悬移质的20%估算，为22.2万t，共计输沙量133.2万t。坝址处输沙量泥沙年内分配极不均匀，汛期5～10月悬移质输沙量为110.3万t，占全年输沙量的99.4%，其中6～9月悬移质输沙量为97.7万t，占全年输沙量的88.0%，7～8月悬移质输沙量为65.0万t，占全年输沙量的58.6%。水电站坝址处多年平均径流量和悬移质输沙量年内分配见表1。

表1水电站坝址处多年平均径流量和悬移质输沙量年内分配表

3.2排沙分界流量选择

为了合理选择排沙分界流量，采用典型年法对坝址逐日流量和输沙率进行频率分析，分析结果如下：入库流量大于等于182m³/s的年平均排沙时间为10天，在这段时间里，入库沙量占全年来沙量的80%，输沙量比较集中，对控制水库泥沙淤积有重要意义。根据上述分析结果并考虑排沙对发电的影响，选择排沙分界流量为182m³/s。

4.代表水位确定

根据长期的工程实践经验，排沙水位选择为水库的死水位329.00m。根据水库运行方式，坝前运行水位即造床流量下对应的坝上游水位324.88m。初拟坝前淤积高程为坝前运行水位与平衡水深之差，为321.63m，再根据造床流量经回水计算修正。

5.河道糙率的选择

水库糙率和天然河床糙率都由床面糙率及岸壁糙率两部分组成。根据水库地形、地质、植被及河床组成等条件，并考虑水库蓄水后，泥沙淤积床面组成的变化和边壁情况，确定水库回水计算的糙率为：河床淤积面糙率取为0.025，原河床面糙率取为0.03，库岸糙率取为0.04。

6.水库泥沙淤积计算方法

根据水库泥沙淤积平衡比降，选取坝前运行水位（造床流量下对应水位），采用美国陆军兵团水面线计算软件HEC-RAS，用造床流量进行回水计算。具体方法如下：先用造床流量推算回水曲线，若过水断面大于稳定河宽对应的过水面积，首先假定淤积面高程进行铺沙，同时对大于稳定河宽的横断面设置阻水区域，保证计算河宽不大于稳定河宽，然后推算回水，若计算的过水面积小于稳定河宽对应的过水面积，则降低淤积高程，反之增加淤积高程，直至计算的过水面积等于稳定河宽对应的过水面积。同时注意回水水面线应光滑合理，否则需修正河道边界条件。按此方法从坝址向上游逐断面铺沙计算后，所得淤积线即为水库平衡后淤积线。

7.计算结果

按照前述计算参数及方法，水库泥沙淤积平衡后，淤积末点距大坝0.98km，淤积量为27.4万m³。水库淤积纵剖面见图1。

图1水库淤积纵断面

水库回水计算成果见表2，当河道来水为5年、20年、25年一遇流量时，水库回水尖灭点位于7#断面。

表2不同洪水标准水库回水计算成果表

三、结语

通过对水库计算成果分析可以看出：水库纵向淤积属于锥体淤积，库水位较低壅水段短，一场洪水的泥沙淤积就可能达到坝前，水库在较短的时间内可达到淤积平衡。水库回水尖灭点距坝址1.46km，回水段短，淤积平衡后库区各频率洪水回水对库区的淹没影响较小。

参考文献:

【1】涂启华，杨赉斐泥沙计算手册[M]中国水利水电出版社2006

【2】陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室合编水库泥沙[M]水利电力出版社1979

【3】国家能源局水电工程泥沙设计规范（NB/T35049-2015）[Z]中国电力出版社2015