小浪底水库泥沙淤积问题初步探索

　　摘要: 对小浪底水库泥沙淤积问题进行了分析, 结果表明: 目前水库运用中所采用的库区和漏斗区泥沙淤积测验、泥沙信息采集与管理及调水调沙等手段, 对控制和调整水库泥沙淤积是有效的; 通过消除干流泥沙淤积的“翘尾巴”现象, 可使干流淤积三角洲顶点往坝前迁移; 应限制支流河口拦门沙坎的形成与发展; 建议加强观测与泥沙信息管理, 确保进水塔前闸门启闭安全以及排沙洞进口段不淤堵。

　　关键词: 淤积三角洲; 闸门; 泥沙淤积; 小浪底水库

　　中图分类号:TV145;TV882. 1　文献标识码: A　do:i 10.3969/ .j issn.1000-1379.2010.09. 008

　　1 小浪底水库泥沙淤积现状

　　小浪底水利枢纽建成蓄水后, 受库水位抬高的影响, 入库含沙水流受水库回水的顶托, 流速下降, 挟沙能力降低, 部分粗颗粒泥沙先行落淤, 细颗粒泥沙则潜入库底, 以异重流的形式向前演进, 在库底形成浑水水库。浑水水库中的细颗粒泥沙随着时间的推移, 大部分也会逐渐沉积下来。泥沙堆积到水库后, 会对水库运用方式和效益发挥产生重要影响。

　　小浪底水库的运用划分为3个阶段, 即拦沙初期、拦沙后期和正常运用期。拦沙初期是指水库泥沙淤积量达到22亿m3之前的运用时期; 拦沙后期, 库区淤积形态将形成高滩深槽, 坝前滩面高程为254 m, 水库泥沙淤积量约为75. 5亿m3; 以后水库将转入正常运用期, 利用254 m高程以下10. 5亿m3 的槽库容进行调水调沙运用, 长期保持254 m高程以上40. 5亿m3 的防洪库容。小浪底水库泥沙淤积实测资料显示, 2000——2009年各年末实测泥沙累计淤积量分别为4. 19 亿、7. 16 亿、9. 88亿、13. 91亿、14. 83 亿、16. 86 亿、18. 86亿、21. 29亿、22. 25亿m3和24. 12亿m3。从数据看, 2008年年末水库淤积的泥沙已达到拦沙初期预期的淤积量, 如何延缓泥沙淤积速度、延长水库有效库容的使用寿命, 长期发挥枢纽的综合效益, 是摆在枢纽管理单位面前的重要课题。

　　通过对小浪底水库干流泥沙淤积形态的测验分析可以看出, 每年汛后库区泥沙淤积部位变化较大, 总体来讲泥沙淤积形态由蓄水初期的带状淤积已演变为三角洲淤积, 且三角洲的洲顶在动态变化的同时不断向坝前推进。2003——2009年实测资料显示, 干流淤积三角洲的顶点平均每年向坝前推进3. 69km。2010年5月测验结果表明, 目前小浪底水库干流三角洲的顶点位于黄河干流13断面, 距坝21. 41 km, 已达库区最窄河段——八里胡同进口附近。

　　对于小浪底水库干流横断面而言, 实测资料显示的干流断面横向泥沙淤积形态一般表现为平淤, 即淤积面接近水平; 水库各支流断面横向淤积形式与干流类似。

　　同时, 从小浪底水库历年干流纵向淤积剖面图也可以看出, 干流泥沙淤积形态在2003年汛后出现距坝70 km以上淤积抬高现象, 即典型的“翘尾巴”现象, 这是一种不利的泥沙淤积形态。对支流而言, 支流河口形成拦门沙坎则是另一种不利的泥沙淤积形态。在水库运行中, 无论出现那一种不利的泥沙淤积形态, 严重时都会出现水库水量被分开, 难以统一、有效地进行调度的被动局面。

　　另外, 在小浪底水库运行过程中形成异重流后, 在水库库底一定范围内会形成一个庞大的浑水区域, 浑水中悬浮着大量细颗粒泥沙, 这些泥沙颗粒在经过一段时间后会逐渐沉积到库底, 从而增加水库泥沙淤积量。如2007——2008年坝前浑水水库观测资料显示, 2007年汛期异重流形成的浑水水库在2008年5月塔前01断面处(距进水塔60 m)仍有近7 m厚的浑水层, 浑水层中泥沙落淤时间是比较漫长的。

　　2 泥沙淤积对水库运行的影响

　　随着库内泥沙的淤积, 小浪底水库进水塔塔前泥沙淤积高程逐渐提高并形成塔前漏斗区。将来漏斗区滩顶高程可达254m, 而进水塔大多数闸门的高程为180m, 与泥沙淤积滩顶存在70余m的高差, 落淤泥沙存在滑塌的风险, 特别是有水流淘刷甚至发生地震时, 一旦出现滑塌, 将对闸门的正常启闭带来不利或严重影响。

　　小浪底水利枢纽《拦沙初期运用调度规程》规定: ：“当实测塔前01断面泥沙淤积面高程达到183. 5 m 时, 运行管理单位应报请水库调度单位批准, 小开度短历时开启排沙洞工作闸门, 以检查其进口流道是否畅通。以后可按0. 5 m 为一级逐步提高塔前允许淤积面高程, 但最终许可值不得大于187 m。”因此, 进口段防淤堵是排沙洞运用中一项重要的调度任务。高含沙水流对运行的水轮发电机组会产生泥沙磨损。

　　2003年8 月实测过机含沙量最大值为85 kg /m3, 面对这种情况, 是停机避沙还是正常发电, 需要分析研判。小浪底建管局通过论证分析, 认为虽然过机含沙量较高, 但其泥沙D50为0. 004~ 0. 006 mm, 属极细的粉沙类, 此类泥沙对水轮机的叶片损害较小, 机组可以正常运行, 该结论在随后10月份的机组检查中得到了验证。因此, 浑水发电应从水流含沙量和泥沙粒径两个方面进行把握, 以达到在保证机组不受泥沙损害的前提下多发电的目的。

　　对小浪底水利枢纽而言, 泥沙淤积也有积极的一面。在枢纽防渗体系设计中, 将大坝黏土心墙和上游围堰斜墙及坝前泥沙淤积层连接起来, 形成坝基的辅助防渗体系, 坝前落淤的泥沙在小浪底工程防渗体系中也发挥着重要的作用。水库蓄水以来的观测数据证明, 在同等条件下, 随着坝前泥沙铺盖的形成和抬升, 坝基渗水量、左右岸渗水量均有不同程度的减小, 大坝上游基础渗压计在相同库水位下, 其渗压水头值逐年降低。

　　如2000年10月下旬至11月上旬三门峡水库集中拉沙运用时,小浪底水库淤积泥沙2. 62亿m3。在这期间, 小浪底坝前泥沙淤积高程从150 m升至165 m, 呈平面状, 近15 m厚的沿坝泥沙淤积层降低了坝前渗透系数, 大坝上游基础渗压计测值最大降低近15 m。由此可见, 落淤泥沙发挥的防渗作用是显著的。

　　小浪底水利枢纽近几年的调水调沙运行还揭示, 适当的含沙量有助于提高水流的挟沙能力, 冲刷河道的效果更明显。利用其冲刷下游河道, 可提高单位水量的冲刷效果, 节省清水资源。

　　3 科学控制与利用水库淤积的泥沙

　　水库库容被淤积的泥沙占据后, 一般情况下很难恢复, 淤积泥沙所占的库容通常情况下会变成死库容, 且泥沙淤积速度加快时, 还将缩短水库发挥综合效益的寿命。因此, 科学控制水库泥沙的淤积对枢纽发挥长期作用意义重大。

　　由于黄河来水来沙具有季节性, 因此小浪底水库泥沙淤积主要发生在汛期, 如2006年汛期泥沙淤积量约占全年淤积量的90%。另一方面, 异重流在水库库底会形成浑水区域。因此, 要把控制汛期泥沙淤积和浑水落淤有机结合起来, 充分利用水库异重流进行排沙, 以减缓水库泥沙的淤积速度。

　　塑造合理的库区泥沙淤积形态非常重要。2003年汛后, 小浪底水库出现了库尾泥沙的“翘尾巴”现象, 对水库调度运用不利。针对这种不利的泥沙淤积形态, 根据黄河流域2004 年各水库的蓄水情况和预测降水情况, 2004年6——7月, 小浪底水库实施了首次人工扰动塑造异重流冲沙试验, 库尾淤积三角洲形态得到了有效的调整和改善。考虑到2004年汛期小浪底水库仅出现了2次异重流过程, 且第1次为人工扰动所形成并有4 d的浑水出库过程, 因此人工扰动塑造异重流对改善库尾泥沙淤积形态起到了积极作用。由此可见, 通过采取合适的工程技术措施控制和调整水库泥沙淤积形态是可能的。

　　4 加强观测与泥沙信息管理

　　对于泥沙淤积带来的不利影响, 如漏斗区泥沙淤积威胁闸门启闭安全、进口段泥沙淤堵影响排沙洞正常运用等情况, 要通过加强观测与泥沙信息管理, 及时掌握塔前漏斗区泥沙淤积形态和泥沙淤积边坡的稳定工况, 及时掌握排沙洞进口段泥沙淤积高程变化情况以及进口段淤积泥沙的固结情况等, 适时开启排沙洞进行拉沙运用, 以保证枢纽建筑物的稳定、安全运行。为此, 除常规监测设备与管理手段外, 小浪底建管局还为泥沙测验部门配备了先进的观测装备, 如英国GeoSw ath 条带测深系统, 为枢纽调度部门开发建立了小浪底水文泥沙信息管理系统, 这些设备和信息系统的使用, 为及时、准确、全面地捕获第一手资料提供了技术保障, 也为水库泥沙淤积观测与泥沙信息数字化管理奠定了基础。

　　进水塔前01断面是小浪底泥沙测验的控制断面, 该断面泥沙淤积高程直接关系到泄水孔洞闸门的启闭安全。从2010年3月观测结果看, 塔前平均淤积高程为178. 1 m, 且塔前漏斗区河底纵向泥沙淤积高程为178. 1~ 183. 0 m, 较为平缓, 尚无明显的漏斗形态出现。目前, 小浪底进水塔前淤积的泥沙处于187 m以下, 泄水排沙洞闸门的安全启闭是有保证的。

　　5 结语

　　泥沙淤积是小浪底水库不可回避的现实问题, 通过科学调度、合理控制, 调整水库泥沙淤积形态, 消除干流泥沙淤积? 翘尾巴#现象, 使干流淤积三角洲顶点顺利通过八里胡同狭窄河段, 往坝前迁移; 限制支流河口拦门沙坎的形成与发展; 加强观测与泥沙信息管理, 确保进水塔前闸门启闭安全以及排沙洞进口段不淤堵, 是枢纽调度运用的关键。

　　小浪底水库10 a多的调度运行实践表明, 目前所采用的调水调沙、进水塔前泥沙控制等手段对控制库区泥沙淤积是科学有效的, 小浪底水库必将长期发挥巨大的综合效益。

　　作者简介: 殷保合(1964—), 男, 河南新乡人, 高级工程师(教授级),小浪底水利枢纽建设管理局局长, 研究方向为水利枢纽建设与管理。