水利水利工程泥沙災(zāi)害

1、水利工程中存在的泥沙災(zāi)害及對策CONTENT一、研究背景二、水庫泥沙淤積的計算三、泥沙的危害四、清淤措施的管理與評價五、泥沙危害的防治措施一、研究背景我國有很多流域，如長江流域、黃河流域、淮河流域等，在這些流域中都或多或少的存在著泥沙問題。在天然河流上修建水庫后，將會給該地區(qū)一系列的影響。庫區(qū)水位的抬高，使過水斷面擴大，水力坡降變緩，水流速度減小。這些將導致水流挾沙能力的降低，從而改變原河道的泥沙運動規(guī)律，導致大量泥沙在庫區(qū)逐漸沉淀淤積。也就是說，修建水庫成為河流泥沙淤積的主要原因。黃河流域是世界上含沙量最大的河流，因此泥沙帶來的問題相對于其他河流更為顯著，因為泥沙的淤積，黃河的河床不斷的抬高

2、，因此黃河被形象的稱為“懸河”。在多沙的河流中，要考慮泥沙的沉積對水庫庫容的影響，也要考慮到泥沙對水輪機的磨損，還要考慮到泥沙對建筑物的危害作用。一、研究背景圖1.1圖1.2研究背景水庫泥沙淤積狀況 全世界年均庫容損失約 450 億 m3，占水庫剩余庫容的 0.51%，我國水庫年淤損率為世界之最，高出世界平均值的 23 倍，如表 1.1 所示。 研究背景我國是水土流失最嚴重的國家之一，大量的泥沙進入河道，使以興利為目標的許多水庫淤積嚴重，表 1.2 列出了我國部分水庫的淤積情況。 研究背景我國水庫淤積至少呈現(xiàn)以下兩個特點： （1）水庫淤積現(xiàn)象普遍。無論是北方還是南方，無論是多沙的黃河流域還是含

3、沙量較少的長江、珠江等流域，都不同程度地存在水庫淤積問題。據(jù)長江水利委員會水文局1994年7月的長江上游地區(qū)水庫統(tǒng)計資料，截至20世紀80年代末，嘉陵江流域內(nèi)已建成各類水庫4542座，總庫容56.10億m3，年淤積率約為0.86%。根據(jù)19901992年黃河流域的水庫泥沙淤積調(diào)查，至1989年全流域共有小（一）型以上水庫601座，總庫容522.5億m3，淤損庫容109.0億m3，占總庫容的21%。（2）中小型水庫淤積問題突出。國內(nèi)550余座有淤積資料的水庫統(tǒng)計表明，中小水庫的泥沙淤積速率一般較大型水庫高出50237%，北方嚴重水土流失區(qū)的中小型水庫淤積速率尤甚。如，陜西省杏河水庫兩年建成，而僅

4、一年就被淤滿；馬家灣水庫總庫容750萬m3 ，興利庫容300萬m3 ，已淤積43萬m3 ；白家坪水庫庫容240萬m3 ，已淤積230萬m3 ；延安王瑤水庫淤積也十分嚴重，總庫容 2.03億m3 ，淤積已占總庫容的44.5%（高志科，2001）。二、水庫泥沙淤積的計算根據(jù)黃耀華，黃煜齡對天然河道長河段一維非穩(wěn)定流的數(shù)模研究可知，泥沙運動的規(guī)律類似于水體，不僅服從連續(xù)條件，而且也服從運動方程的要求三峽大學彭輝教授結(jié)合他們的想法，并依據(jù)非均勻質(zhì)不平衡輸沙原理建立水庫泥沙淤積的一維數(shù)學模型，計算中，按全沙模式和劃分時段、河段，逐時段、逐河段進行。水庫泥沙淤積的計算一維水流泥沙沖淤方程組應(yīng)滿足以下方程：

5、水流連續(xù)方程：河床變形方程：泥沙連續(xù)方程：水庫泥沙淤積的計算水流挾沙公式：水庫泥沙淤積的計算將上述方程進行理想化處理，做出如下假設(shè)：將整個時段劃分成若干小時段，假設(shè)每個時段除沖淤面積外其他因素均不改變；將河段劃分成若干小河段，假設(shè)每個小河段內(nèi)流量不變；忽略 項的影響，不考慮流速變化，假設(shè)淤積泥沙在水庫中均勻平鋪。則通過上述方程即可求得水庫的淤積量與時間的函數(shù)關(guān)系。因此，當求得的水庫淤積量到達或者接近水庫的死庫容時，就要進行采取清淤措施。此外，上述方程是基于理論分析推導出來的，較為復雜，且目前由于水庫泥沙資料不全，計算方法仍不夠完善，所以很難得到精確的結(jié)果。實際運用中，為簡化計算，常采用簡化法和

6、沙莫夫法分別進行懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙的淤積量的估計。這2種方法偏于經(jīng)驗估計，所以可以根據(jù)各個水庫的具體情況來確定經(jīng)驗參數(shù)，從而求得各個階段的泥沙淤積量，并對是否進行泥沙清淤進行決策。三、泥沙的危害河流中的泥沙按其運動方式可以分為懸移質(zhì)、推移質(zhì)和河床質(zhì)三類。懸移質(zhì)：受水流作用而懸浮于水中并隨水流移動的泥沙；推移質(zhì)：受水拖曳作用沿河床滾動、滑動、跳躍或?qū)右频哪嗌?；河床質(zhì)：組成河床活動層并處于相對靜止而停留在河床上的泥沙。泥沙的危害3.1 對水庫庫容的影響在天然的河流上修建水庫之后，隨著庫區(qū)水位的抬高，過水斷面的擴大，水力坡度的變緩，水流速度的減小，夾雜在河水中的懸移質(zhì)就會慢慢的在庫區(qū)中沉淀淤積。水流

7、含沙量越大，在水庫中的淤積程度也就會越高，如黃河三門峽水庫，多年平均含沙量37.8kg/m3,在 1960-1970 年，水庫總淤積泥沙達 55.5 億 t，使水庫的庫容損失高達 43%。水庫淤積侵占了水庫的調(diào)節(jié)庫容，使水庫的綜合效益降低；另外，水庫的回水末端的淤積上，將增加水庫周圍的淹沒損失，威脅上游重要城鎮(zhèn)、工況和交通設(shè)施的安全。泥沙的危害泥沙的危害3.3 對壩體的影響1）隨著泥沙在壩體前的淤積，泥沙的壓力增大了壩體的壓應(yīng)力，尤其在壩踵處最為明顯。另外，上游壩坡度增加的幅度較下游壩坡大，隨著壩高的增加，上游壩坡壓應(yīng)力增加的幅度減小，但當壩高超過一定高度時，泥沙壓力對下游壩坡的影響加劇。2）

8、泥沙壓力使壩體的應(yīng)力變得不均勻，破壞了應(yīng)力狀態(tài)，因此在多沙河流的壩體設(shè)計的過程中，應(yīng)考慮到泥沙壓力對壩體受力的影響。四、清淤措施的管理與評價隨著科學技術(shù)的進步和工程實踐經(jīng)驗的積累，水庫泥沙淤積防治措施在不斷地發(fā)展。當前常用的措施包括：水土保持、蓄清排渾、異重流排沙、機械挖沙（挖泥船挖沙、干挖、水力虹吸抽沙）等。不同淤積防治措施取得的效果、對環(huán)境的影響、對社會的影響、產(chǎn)生的經(jīng)濟效益都存在差異。為了確定水庫合理的泥沙淤積防治措施，不僅需要考慮技術(shù)可行性，還要分析經(jīng)濟性及對社會和環(huán)境的影響。因此，迫切地需要開展水庫泥沙淤積管理評價工作。開展水庫泥沙淤積管理，具有非常重要的工程意義，包括：（1）保持水

9、庫庫容，實現(xiàn)水庫功能的可持續(xù)利用；（2）減輕大壩荷載，改善大壩安全狀況；（3）降低庫尾高程，提高防洪效益；（4）疏浚庫尾河段的航道，提高航運效益；（5）減輕庫區(qū)淹沒，緩解移民問題；（6）減少有機物在泥沙上的吸附，改善庫區(qū)水質(zhì)。清淤措施管理與評價傳統(tǒng)的水庫規(guī)劃、設(shè)計和運行都基于一個基本假設(shè)，即水庫存在有限的“設(shè)計壽命（Design Life）”，考慮泥沙淤積，這個“設(shè)計壽命”通常只有 100 年左右（Morris 等，1997）。庫容淤損后，該理念很少考慮通過修復手段維持水庫功能。隨著移民問題和環(huán)境問題的日益突出和備受關(guān)注，水庫建設(shè)受到越來越多的限制，通過新建水庫來維持總庫容量是一條不可持續(xù)的道

10、路。傳統(tǒng)的管理理念將不能滿足未來可持續(xù)發(fā)展的要求，需要對水庫設(shè)計與運行方式進行改進，把受制于泥沙淤積的水庫轉(zhuǎn)變成可持續(xù)利用的基礎(chǔ)設(shè)施（Wang 等，2005）。 鑒于傳統(tǒng)水庫泥沙淤積管理中存在的問題，世界銀行提出了水庫可持續(xù)管理的“生命周期（Life Cycle）”理念（Palmieri 等，2003），作為水庫“設(shè)計壽命”管理理念的補充，以實現(xiàn)水庫庫容的長期保持及代際公平。 清淤措施管理與評價（1）“設(shè)計壽命設(shè)計壽命”管理理念管理理念 “設(shè)計壽命”管理理念是指在工程的壽命期內(nèi)，完成工程的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行和維護，實現(xiàn)工程既定的各項任務(wù)，是一個有限的線性壽命管理過程。工程的壽命一旦確定（5

11、0 年、75 年或是 100 年），工程的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行和維護就限于這個時段內(nèi)進行?！霸O(shè)計壽命”管理理念的主要特征可概括為圖4.1。該圖由三部分組成：工程規(guī)劃時的環(huán)境和社會因素；工程的設(shè)計、施工、運行維護及降等報廢；工程對外部環(huán)境和社會的影響。核心內(nèi)容為工程的設(shè)計、施工、運行維護及降等報廢。各部分之間用箭頭鏈接，表示各事件的先后順序，空心箭頭表示外部因素的輸入。 這種管理理念已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水庫設(shè)計與運行管理具有如下特點： 清淤措施管理與評價具有如下特點：1）工程的壽命是確定的，工程的管理是壽命有限的線性過程；2）水庫建設(shè)、運行與維護的約束基本上是在規(guī)劃或設(shè)計時考慮的外部因素；3）隨著工

12、程的老化、水庫的不斷淤積，工程逐步喪失各項功能；4）工程壽命末期，報廢或降等產(chǎn)生的環(huán)境和社會影響由后代承擔。在這種管理理念下，工程的經(jīng)濟評估、環(huán)境影響評估以及社會影響評估都局限在工程的壽命期內(nèi)。在“設(shè)計壽命”管理理念下，為了實現(xiàn)水庫的各項功能，需要根據(jù)建設(shè)目的和約束因素，確定水庫設(shè)計與運行管理的幾個關(guān)鍵要素，包括：水庫壽命、樞紐布置、運行調(diào)度方式。同時，由于運行與維護的需要，需要對水庫進行安全管理。 水庫運行期間，若外部條件發(fā)生變化，尤其是來水來沙條件變化，一些水庫的庫容會不斷減少，甚至被淤滿。水庫的庫容變化過程可用圖 4.2 表示。 清淤措施管理與評價圖4.1 “設(shè)計壽命”管理理念圖4.2

13、“設(shè)計壽命”管理理念下，水庫庫容變化概圖清淤措施管理與評價（2）生命周期管理理念）生命周期管理理念 2003 年，世界銀行提出的水庫可持續(xù)管理的“生命周期”理念，是與“設(shè)計壽命”理念不同的管理理念。整個理念包含的元素與“設(shè)計壽命”管理方法中的基本一致，但以循環(huán)的形式進行組織，實施泥沙淤積管理從而保持水庫庫容是循環(huán)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵之一，其特征可概括為圖 4.3。由于水庫不斷地進行泥沙淤積管理，庫容能長期維持，工程能夠長久發(fā)揮作用。若工程老化需要拆除，工程的拆除管理也包含在工程的管理目標中。 該理念的根本目標是通過積極的管理和維護，實現(xiàn)水庫主要功能的長久維持。當工程老化不可避免時，允許大壩報廢，同時

14、每年定期拿出工程的部分收益建立報廢基金。如此，從大壩獲益的任何一代人都能為大壩報廢做出應(yīng)有的貢獻，代際公平得以維持。該理念的核心思想是可持續(xù)性，其關(guān)鍵手段是水庫泥沙淤積管理和工程效益-成本計算。一般而言，在這種管理理念下，水庫部分庫容可長期保持，庫容變化過程如圖 4.4 所示。清淤措施管理與評價圖4.3 生命周期管理理念圖4.4 生命周期管理理念下，水庫庫容變化概圖清淤措施管理與評價兩種管理理念的比較兩種管理理念的比較 盡管兩種管理理念涉及的基本元素大體相同，但管理結(jié)果卻大相徑庭。在“設(shè)計壽命”管理理念下，伴隨著大壩的報廢或降等，水庫對環(huán)境、社會產(chǎn)生的很多影響無法得到解決，包括：下游河道演變、

15、河口演變、生態(tài)環(huán)境破壞、水文條件改變、泥沙淤積問題、土地利用方式改變、局部人口結(jié)構(gòu)改變、供水供電能力削弱、洪水危害程度增大、有毒物質(zhì)下泄等等，甚至還會造成殘存工程對社會與環(huán)境的影響無法消除、自然資源不能充分利用、社會需求不能充分滿足等嚴重后果。而在生命周期管理理念下，由于持續(xù)地根據(jù)外部因素的變化調(diào)整工程的設(shè)計、規(guī)劃和運行方式，工程的效益能夠長久維持，并且還可利用收益建立相應(yīng)的報廢基金，“設(shè)計壽命”管理理念中存在的問題能夠得到很好地控制和解決。清淤措施管理與評價隨著水庫運行年數(shù)的增加，上游來水來沙條件的改變，水庫泥沙淤積管理工作日益緊迫。必須以生命周期管理理念為指導，開展水庫泥沙淤積管理評價研究

16、，建立全面的、系統(tǒng)的評價體系，開發(fā)通用的評價模型，以尋求技術(shù)可行、經(jīng)濟最優(yōu)、環(huán)境影響和社會影響最小的管理方案，從而有效地開展水庫淤積管理，使水庫功能得以長久維持。 五、泥沙危害的防治措施泥沙的危害范圍很廣泛，它的破壞性不容忽視。因此，對于水利水電建設(shè)來說，一方面必須了解河流的泥沙特性；另一方面，要采取合理的工程措施防止或減少泥沙進入引水渠道。泥沙危害的防治措施5.1 河流的泥沙特性泥沙的特性分為泥沙顆粒的特性和泥沙群體的特性兩種。其中泥沙顆粒的特性主要有重度、粒徑、沉速和細粒泥沙表面的物理化學性質(zhì)，而群體特性包括粒徑分布、中值粒徑和均勻沙的群體沉速等。下面針對泥沙顆粒的凈水沉速和泥沙的群體沉速

17、做簡單介紹。泥沙危害的防治措施5.1.1 泥沙顆粒的凈水沉速泥沙的沉速一般是指單粒泥沙在靜止、等溫、廣域清水中自由下降的平均速度。泥沙顆粒的凈水沉速根據(jù)在水中的自由沉降可以分為層流、過渡和紊流三種狀態(tài)。層流區(qū)的泥沙顆粒大多是扁平的盤狀黏粒和由多面組成的雜角形粉粒，它們的沉速顯著小于等容的球體。過渡區(qū)的泥沙是常見的各種粗細不同的沙子，沙子的形狀變化較大，相同的等容粒徑，因形狀各異，其沉速大小之比可達1.5倍。紊流區(qū)的泥沙是自由可動的，顆粒運動的軌跡因其形狀的不同而復雜多變。泥沙危害的防治措施泥沙危害的防治措施5.2 工程措施1）上游攔截，就地處理。在水庫上游采取攔沙措施，減少入庫泥沙，是防止和減少水庫泥沙淤積的最根本的方法。具體措施有：做好水土保持工作、在來沙較多的支流上修建攔沙壩庫、修建旁引水庫等。2）水庫排沙，保持庫容。即將進入水庫的泥沙盡可能多的排走，并將前期淤積下來的泥沙盡可能多的沖走。具體措施有：水庫采取蓄清排渾的運用方式，在汛期降低水位運用，使大部分來沙淤積在死庫