小浪底水庫泥沙淤積

小浪底水庫泥沙淤積的

觀測及處理途徑探索水資一班王柯鑫、趙靜、王焰、郄虎虎、胡俊亞、李浩、趙慶格

梗概一、小浪底介紹二、水庫淤積觀測三、泥沙處理途徑探索一、小浪底介紹黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽市孟津縣小浪底，在洛陽市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽市40公里。上距三門峽水利樞紐130公里，是黃河干流三門峽以下唯一能取得較大庫容的控制性工程。被中外水利專家稱為世界上最具挑戰(zhàn)性的工程之一。水庫面積達272.3平方公里，控制流域面積69.42萬平方公里；長期有效庫容51億m3，淤沙庫容75.5億m3,總裝機容量為180萬千瓦，年平均發(fā)電量為51億千瓦時；每年可增加40億立方米的供水量小浪底工程由攔河大壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。攔河大壩采用斜心墻堆石壩，設(shè)計最大壩高154米，壩頂長度為1667米，壩頂寬度15米，壩底最大寬度864米磅礴氣勢-泄水二、水庫淤積觀測

水庫泥沙運用的設(shè)計原則按小浪底水庫泥沙運用的設(shè)計思想，小浪底水庫泥沙運用應(yīng)遵循的主要原則是：攔粗排細，且初期以攔沙運用為主。采用蓄清排渾運用方式，利用水庫75.5億m3的攔沙庫容和10.5億m3的調(diào)水調(diào)沙庫容，在50年運用期內(nèi)相當于約25年內(nèi)下游河床不再抬升。蓄水以來水庫泥沙沖淤情況蓄水后第一年即2000年，水庫入庫沙量3.61億t，出庫沙量0.042億t，排沙比僅為1.2%。蓄水后第二年即2001年，水庫入庫沙量2.94億t，出庫沙量0.29億t，排沙比為9.9%。蓄水后第三年即2002年，水庫入庫沙量2.71億t，出庫沙量0.634億t，排沙比為23.4%。蓄水后第四年即2003年，水庫入庫沙量7.10億t，出庫沙量1.07億t，排沙比為15.1%。到2006年4月,在壩前40km范圍內(nèi)淤積了約7億m3細顆粒泥沙(水庫總淤積量約21.66億m3),庫容損失較大62億噸小浪底調(diào)水調(diào)沙水庫過水斷面及縱斷面變化

洲面段在距壩74.5km-113.1km之間，前坡段延伸到距壩49.6km，形成了一個長達63.5km的淤積三角洲。洲面段和前坡段的比降分別為0.28‰和1.43‰。通過計算，該三角洲泥沙淤積量為3.23億m3，占2003年水庫干流淤積量的93.3%。高程-庫容變化最低河底高程變化庫區(qū)水沙特性小浪底水庫人庫站為三門峽水文站。1952-2000年三門峽站年平均徑流量382.0億m3，,年平均輸沙量為12.3億t，最大年出庫沙量22.56億t,最大出庫含沙量911.0kg/m3。三門峽至小浪底區(qū)間泥沙入庫主要是汛期暴雨徑流形成泥沙,區(qū)間內(nèi)產(chǎn)沙很少,約0.47億t，僅占三門峽年輸沙量的0.4%根據(jù)實測資料,距離小浪底大壩40km的庫區(qū)范圍內(nèi)主要是細泥沙沉積區(qū),水深60～75m;距離小浪底大壩100km的庫尾主要是粗泥沙沉積區(qū),水深一般為8～15m;兩區(qū)之間是粗細泥沙過渡區(qū),水深15～60m。在淤積泥沙的顆粒組成上，測驗范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細，d50一般在0.004~0.016m之間，屬于粉沙類。2003年汛后觀測結(jié)果顯示，在距壩40.9km以下，淤積泥沙其d50在0.004~0.008mm之間，屬極細的粉沙類庫區(qū)泥沙淤積觀測與分析年入出庫水量2004年庫區(qū)來水2003來沙較年偏少,庫水位最高達到EL261.99m,相應(yīng)庫容為82.63億m3,最低庫水位EL218.63m,相應(yīng)庫容18.60億m3。2004年人庫水量166.4億m3，月平均人庫流量為13.87億m3，最大日均人庫流量為2840m3/s，7-10月份入庫水量占全年的39.6%，全年出庫水量206.6億m3，最大日均出庫流量是2680m3/s。月平均出庫流量為17.22億m3，7-10月份出庫水量占全年的33.4%入出庫泥沙量2004年泥沙人庫主要集中在2次調(diào)水調(diào)沙期間,其中8月22日最大日均人庫含沙量542kg/m3。第3次調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為0.44億t，出庫沙量為0.055億t，第4次調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為1.7億t，出庫沙量為1.5億t渾水泥沙顆粗徑分布雖然含沙量隨深度增加而變大,但泥沙粒徑卻沒有明顯的變化。8月19日及9月7日出現(xiàn)渾水水庫時,中值粒徑為0.004-0.005mm,平均粒徑為0.005-0.006mm之間,9月28日及10月26日中值粒徑為0.004-0.005mm之間,平均粒徑為0.006mm這表明在異重流運行到壩前,不論是渾水層上升還是下沉階段,泥沙粒徑組成基本相同,均屬于細粉砂類泥沙。如將渾水水庫中的泥沙及時下泄,這部分細顆粒泥沙完全可以挾沙入海,且不會對下游河床造成淤積。研究思路加大排沙力度,較好的途徑是提高水庫異重流排沙效率和擴大淤積面溯源沖刷范圍;措施是進行水庫淤積面泥沙擾動,增大水庫渾濁層厚度、泥沙含量以及加大壩前淤積河床縱比降?？紤]到富含細顆粒的高含沙水流可進行高效、遠距離的管道輸送且大壩上、下游存在水位差這一有利條件,需開發(fā)水深為60m左右的庫區(qū)挖沙及擾沙設(shè)備,在水庫調(diào)水調(diào)沙及發(fā)電供水期間,挖、擾壩前40km左右(常年回水區(qū))落淤區(qū)內(nèi)的細泥沙,利用非牛頓體兩相流低能耗輸送、虹吸及調(diào)水調(diào)沙異重流等自然力量,輔以少量機械措施,使挖、擾的細泥沙排泄出庫。三、水庫泥沙處理途徑探索泥沙擾動技術(shù)方案分析目前比較成熟可靠的水下人工擾沙方法主要有兩種:一是利用水下高壓射流或脈沖射流擾沙;二是利用機械設(shè)備攪動床沙并抽取泥漿噴灑回水中,進行雙重擾沙第一種方法在三門峽水庫庫尾清淤和小浪底水庫庫尾擾沙中得到了應(yīng)用;第二種方法在2004～2005年黃河下游河段擾沙和2005～2006年封丘河段切灘導流以及黃河標準化堤防建設(shè)中得到了應(yīng)用并取得了很好的效果,特別是細沙松動時較一般射流沖刷的效率更高,技術(shù)相對成熟、可靠。大型潛吸式擾沙船擾沙、排沙分析在調(diào)水調(diào)沙期,將潛吸式擾沙船(抽沙流量4000m3/h、揚程60m、最大潛水深度70m、最大泥漿輸送濃度50%)自庫區(qū)溯源沖刷可能波及的邊緣地帶開始,按間距300～500m沿大壩縱向布設(shè),利用擾沙船將電動抽沙泵沉入庫底絞動淤沙。被擾動的一部分泥沙借助高速脈沖射流的驅(qū)動形成人工異重流(含沙量600～800kg/m3),隨庫區(qū)水流被帶向壩前漏斗區(qū),產(chǎn)生溯源和沿程沖刷,并經(jīng)排沙底孔出庫;一部分泥沙則借助潛水抽沙泵以高濃度泥漿形式抽吸經(jīng)管道輸送至壩前,借助虹吸原理翻越大壩、排出庫外,與水庫泄水混合向下游輸送設(shè)計圖紙成果計算小浪底水庫這幾年的調(diào)度運用表明，排沙洞的調(diào)度一直是個敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及運用各方友好協(xié)商，在尊重科學的基礎(chǔ)上，使排沙洞發(fā)揮其應(yīng)有的作用。壩前淤積高程的變化取決于泄洪洞的運用。當異重