小浪底水庫(kù)泥沙淤積

小浪底水庫(kù)泥沙淤積的

觀測(cè)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(kù)淤積觀測(cè)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(yáng)市孟津縣小浪底，在洛陽(yáng)市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽(yáng)市40公里。上距三門(mén)峽水利樞紐130公里，是黃河干流三門(mén)峽以下唯一能取得較大庫(kù)容的控制性工程。被中外水利專(zhuān)家稱(chēng)為世界上最具挑戰(zhàn)性的工程之一。水庫(kù)面積達(dá)272.3平方公里，控制流域面積69.42萬(wàn)平方公里；長(zhǎng)期有效庫(kù)容51億m3，淤沙庫(kù)容75.5億m3,總裝機(jī)容量為180萬(wàn)千瓦，年平均發(fā)電量為51億千瓦時(shí)；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(jì)最大壩高154米，壩頂長(zhǎng)度為1667米，壩頂寬度15米，壩底最大寬度864米磅礴氣勢(shì)-泄水二、水庫(kù)淤積觀測(cè)

水庫(kù)泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)原則按小浪底水庫(kù)泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)思想，小浪底水庫(kù)泥沙運(yùn)用應(yīng)遵循的主要原則是：攔粗排細(xì)，且初期以攔沙運(yùn)用為主。采用蓄清排渾運(yùn)用方式，利用水庫(kù)75.5億m3的攔沙庫(kù)容和10.5億m3的調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容，在50年運(yùn)用期內(nèi)相當(dāng)于約25年內(nèi)下游河床不再抬升。蓄水以來(lái)水庫(kù)泥沙沖淤情況蓄水后第一年即2000年，水庫(kù)入庫(kù)沙量3.61億t，出庫(kù)沙量0.042億t，排沙比僅為1.2%。蓄水后第二年即2001年，水庫(kù)入庫(kù)沙量2.94億t，出庫(kù)沙量0.29億t，排沙比為9.9%。蓄水后第三年即2002年，水庫(kù)入庫(kù)沙量2.71億t，出庫(kù)沙量0.634億t，排沙比為23.4%。蓄水后第四年即2003年，水庫(kù)入庫(kù)沙量7.10億t，出庫(kù)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(xì)顆粒泥沙(水庫(kù)總淤積量約21.66億m3),庫(kù)容損失較大62億噸小浪底調(diào)水調(diào)沙水庫(kù)過(guò)水?dāng)嗝婕翱v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(gè)長(zhǎng)達(dá)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(guò)計(jì)算，該三角洲泥沙淤積量為3.23億m3，占2003年水庫(kù)干流淤積量的93.3%。高程-庫(kù)容變化最低河底高程變化庫(kù)區(qū)水沙特性小浪底水庫(kù)人庫(kù)站為三門(mén)峽水文站。1952-2000年三門(mén)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(kù)沙量22.56億t,最大出庫(kù)含沙量911.0kg/m3。三門(mén)峽至小浪底區(qū)間泥沙入庫(kù)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(mén)峽年輸沙量的0.4%根據(jù)實(shí)測(cè)資料,距離小浪底大壩40km的庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)主要是細(xì)泥沙沉積區(qū),水深60～75m;距離小浪底大壩100km的庫(kù)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(xì)泥沙過(guò)渡區(qū),水深15～60m。在淤積泥沙的顆粒組成上，測(cè)驗(yàn)范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細(xì)，d50一般在0.004~0.016m之間，屬于粉沙類(lèi)。2003年汛后觀測(cè)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(xì)的粉沙類(lèi)庫(kù)區(qū)泥沙淤積觀測(cè)與分析年入出庫(kù)水量2004年庫(kù)區(qū)來(lái)水2003來(lái)沙較年偏少,庫(kù)水位最高達(dá)到EL261.99m,相應(yīng)庫(kù)容為82.63億m3,最低庫(kù)水位EL218.63m,相應(yīng)庫(kù)容18.60億m3。2004年人庫(kù)水量166.4億m3，月平均人庫(kù)流量為13.87億m3，最大日均人庫(kù)流量為2840m3/s，7-10月份入庫(kù)水量占全年的39.6%，全年出庫(kù)水量206.6億m3，最大日均出庫(kù)流量是2680m3/s。月平均出庫(kù)流量為17.22億m3，7-10月份出庫(kù)水量占全年的33.4%入出庫(kù)泥沙量2004年泥沙人庫(kù)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(kù)含沙量542kg/m3。第3次調(diào)水調(diào)沙期間人庫(kù)沙量為0.44億t，出庫(kù)沙量為0.055億t，第4次調(diào)水調(diào)沙期間人庫(kù)沙量為1.7億t，出庫(kù)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(méi)有明顯的變化。8月19日及9月7日出現(xiàn)渾水水庫(kù)時(shí),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(yùn)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(xì)粉砂類(lèi)泥沙。如將渾水水庫(kù)中的泥沙及時(shí)下泄,這部分細(xì)顆粒泥沙完全可以挾沙入海,且不會(huì)對(duì)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(kù)異重流排沙效率和擴(kuò)大淤積面溯源沖刷范圍;措施是進(jìn)行水庫(kù)淤積面泥沙擾動(dòng),增大水庫(kù)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(xì)顆粒的高含沙水流可進(jìn)行高效、遠(yuǎn)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(kāi)發(fā)水深為60m左右的庫(kù)區(qū)挖沙及擾沙設(shè)備,在水庫(kù)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(xì)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(jī)械措施,使挖、擾的細(xì)泥沙排泄出庫(kù)。三、水庫(kù)泥沙處理途徑探索泥沙擾動(dòng)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(jī)械設(shè)備攪動(dòng)床沙并抽取泥漿噴灑回水中,進(jìn)行雙重?cái)_沙第一種方法在三門(mén)峽水庫(kù)庫(kù)尾清淤和小浪底水庫(kù)庫(kù)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(dǎo)流以及黃河標(biāo)準(zhǔn)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(xì)沙松動(dòng)時(shí)較一般射流沖刷的效率更高,技術(shù)相對(duì)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(yáng)程60m、最大潛水深度70m、最大泥漿輸送濃度50%)自庫(kù)區(qū)溯源沖刷可能波及的邊緣地帶開(kāi)始,按間距300～500m沿大壩縱向布設(shè),利用擾沙船將電動(dòng)抽沙泵沉入庫(kù)底絞動(dòng)淤沙。被擾動(dòng)的一部分泥沙借助高速脈沖射流的驅(qū)動(dòng)形成人工異重流(含沙量600～800kg/m3),隨庫(kù)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(kù);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(kù)外,與水庫(kù)泄水混合向下游輸送設(shè)計(jì)圖紙成果計(jì)算小浪底水庫(kù)這幾年的調(diào)度運(yùn)用表明，排沙洞的調(diào)度一直是個(gè)敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及運(yùn)用各方友好協(xié)商，在尊重科學(xué)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(yùn)用。當(dāng)異重