肖 俊，胡 健
(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）
新疆卡拉贝利水利枢纽是克孜河上具有季调节性能的控制性工程,以防洪、灌溉为主,兼顾发电等综合利用。水库正常蓄水位1 770 m,总库容2.534 亿m3,调节库容1.879 亿m3,死水位1 740 m,死库容0.655 亿m3,电站装机容量60 MW。卡拉贝利水库库沙比(库容与年入库沙量之比)为20,小于壅水建筑物结构50 a 的设计基准期,泥沙淤积属于严重类别。
卡拉贝利水库所在的克孜河属于塔里木河流域喀什噶尔河水系,为冰雪融水型内陆河流,其来水来沙特性与国内雨式河流有着明显的差异。河流的水源补给方式以高山冰雪融水、季节积雪融水和降雨为主,汛期往往集中在温度最高的4 个月,汛期水量占年水量的65%,甚至更高。逐日洪水过程则受太阳辐射强度和每日气温变化过程的直接影响,汛期洪峰过程表现为一日一峰。河流流经的上中游地区多为高原山区,土质疏松且植被覆盖条件差,是河流泥沙的主要来源区,产沙原因主要是降雨侵蚀,如遇暴雨汇入河流中的泥沙量骤增,产生高含沙洪水。冰雪融水型河流具有“大水大沙、小水小沙”的水沙同步特性,水库运用不能简单参照雨式河流蓄清排浑或低水位运行的方式,否则会出现汛期大量弃水、汛末无水可蓄的现象。
水库淤积与排沙是工程泥沙研究的重要课题。我国水库泥沙淤积现象普遍,根据全国6 702 座水库统计的水库年均淤损率为0.49%,相当于每年损失一座库容达10 亿m3的大型水库［1］。我国对于多沙河流的水库淤积与排沙研究开始于20 世纪50 年代,其中三门峡水库是国内水库排沙减淤研究最多的水库,先后提出了蓄清排浑运用方式、异重流排沙和壅水排沙等减淤措施［2-3］。在此之后,多沙河流的重要水库工程在设计可研阶段均采用物理模型试验进行专项泥沙研究。
新疆地区水库运行管理方式比较粗放,水库泥沙淤积问题相对较为突出。以克孜尔水库为例,水库建成运行前10 a(1992—2001 年)的入库泥沙量为9 617.2 万t,出库沙量为375.1 万t,水库的拦沙率高达96.1%［4］。水库的拦沙排沙效果除受水库规模与入库水沙特性的影响外,还与水库的运用方式息息相关。冰雪融水型河流水库排沙遵循与内地雨式河流水库相同的蓄清排浑调度方式,但为保证充分利用宝贵的水资源,年内不同时期蓄水水位和排沙方式需与来水来沙特点相适应,排沙调度运用更为灵活多样。
目前,冰雪融水型河流水库拦沙排沙方面的研究成果较少。郑忠等［5］研究了冰雪融水型河流水库的排沙运用方式,从水流挟沙力的角度分析了坝前蓄水位与水库淤积的关系,分析了卡拉贝利水库发生异重流的条件,并探讨了蓄清排浑运用、异重流排沙和泄空冲刷在冰雪融水型河流水库排沙中的运用。托尔巴衣尔［6］统计了2003—2019 年乌鲁瓦提水库排沙时段特征值,证实排沙水位是影响水库排沙效果的最重要因素,并拟合得到乌鲁瓦提水库的排沙比计算公式。近十多年来,随着国家援疆水利工程的推进,新疆地区陆续建设了乌鲁瓦提、卡拉贝利、大石门、阿尔塔什等重大水利枢纽工程,有必要开展冰雪融水型河流水库泥沙问题的研究工作,以期为今后类似工程设计提供可靠的依据。
卡拉贝利水库坝区泥沙物理模型试验包括3 个方面:一是不同坝前水位条件下的泄水建筑物附近水流流态,研究泄洪建筑物布置方案的合理性；
二是水库泥沙淤积接近平衡的地形条件下进行动床冲沙试验,研究不同排沙水位和排沙流量的水库排沙效果,观测排沙建筑物前的冲刷漏斗形态,分析排沙底孔布置的合理性；
三是库区泄空排沙试验,研究水库敞泄24 h 的库区溯源冲刷效果。
2.1 来水来沙特性与水库运行调度方式
克孜河具有上游来水、中游产沙的水沙异源特点。上游水源主要为玛尔坎苏河的冰雪融水和雨水。流域侵蚀以雨水冲蚀为主,尤其是夏季的阵发性降水是山地侵蚀和河流来沙的主要动力条件。同时季节性融雪汇流的产沙作用也很强烈,对河流的产输沙有重要影响。根据1958—2005 年的实测水文资料,卡拉贝利水文站多年平均水量为21.37 亿m3,多年平均流量为67.9 m3/s,来水具有典型的冰雪融水型河流特点,水量年际间的变化较小,年水量变化于14.43 亿～27.24 亿m3,最大最小水量比为1.89。水量年内分配不匀,年最大流量往往发生在5—8 月,汛期水量占年来水量的66.2%。
克孜河丰水年基本对应丰沙年,沙量与水量的增减相对应,仅有少数年份来沙量与来水量相比偏高。年内来沙较为集中,主要集中于汛期的一两个月内,甚至集中于少数几场大洪水。卡拉贝利水文站年最大输沙量5 741.5 万t(1999 年),最小输沙量573.3 万t(1971 年),年最大输沙量与最小输沙量之比为10.0；
多年平均含沙量为6.69 kg/m3,年平均最大含沙量22.6 kg/m3(1999 年),年平均最小含沙量2.98 kg/m3(1970年),两者之比为7.6。多年平均汛期输沙量1 256.7万t,占年输沙量的88.2%；
多年平均非汛期输沙量168.7万t,仅占年输沙量的11.8%。
水库的泥沙冲淤除与水库来水来沙、水库地形有关外,还与水库运行方式和运行水位有密切关系。卡拉贝利水库排沙期为4 月初至9 月底,采取多种排沙方式相结合的调度运行方式:春汛期4 月、5 月结合灌溉用水进行异重流排沙,5 月末水库放空至1 740 m 死水位；
6 月、7 月采取排沙水位1 735 m 控制泥沙淤积,如遇高含沙洪水适当加大泄流量、降低水位泄空排沙；
8 月上旬水库蓄水至水位1 750 m,利用洪水加大泄流相机排沙；
8 月中旬水库开始蓄水,逐渐达到非汛期运行水位1 770 m。
2.2 模型设计
卡拉贝利水库坝区动床泥沙物理模型研究范围为坝址以上约2.5 km 的河道,库区死水位以下河床最大宽度774.5 m,库区1 775 m 高程以下的最大河宽1 260 m。本模型试验是坝区模型动床试验,主要研究不同工况下的水库泄流与排沙关系以及坝前冲刷形态,模型设计时应考虑坝前水流对建筑物和泥沙冲淤形态的影响,因此设计上宜采用正态模型,避免几何变态模型造成的建筑物扭曲,保证垂向水流流速分布相似和环流结构相似。考虑现有场地条件与坝区泥沙物理模型相似性要求,模型采用1 ∶100 的正态模型。模型循环系统由动床模型、清水系统、浑水加沙系统、地表水库、沉沙池等部分构成,进口水、沙采用各自独立的循环系统,以提高模型试验水沙施放的精度,模型平面布置见图1。
图1 模型平面布置
2.3 模型沙选择
坝区动床模型沙用量大,且水库冲刷漏斗的形态与泥沙水下休止角关系较为密切,不宜选择造价较高、水流运动与河床变形比尺相差太大的轻质模型沙。因此,选择密度较大、水下休止角与天然沙接近的粉煤灰作为模型沙。根据卡拉贝利水库数学模型计算成果［7］,水库坝址上游2.5 km 内淤积10～50 a 的滩地淤积物中值粒径为0.05～0.07 mm,河槽淤积物中值粒径为0.10～0.18 mm,据此计算糙率:
式中:D50为床沙中值粒径；
A为系数,取值在19～21之间。
计算得到库区模型范围内的滩地天然糙率为0.032～0.034,原型河槽糙率为0.036～0.040；
模型相应的滩地糙率为0.016 左右,河槽糙率为0.017～0.018。粉煤灰糙率一般为0.01～0.028,本研究未做相应的水槽试验,参考同样采用粉煤灰作为模型沙的三门峡库区泥沙模型(中值粒径0.035 mm),其预备试验的糙率值为0.017～0.019［8］。根据同材质模型沙糙率比较,所选模型沙的阻力特性可以满足河床阻力相似条件。
为确保模型与原型的床沙起动相似,需进行起动流速的相似性校验。卡拉贝利水库最大排沙水深为56 m,原型起动流速的水深计算范围定为10～60 m,相应模型水深范围为0.1～0.6 m,原型沙的密度为2 650 kg/m3,中值粒径为0.14 mm,模型沙的密度为2 120 kg/m3,中值粒径取0.054 mm,泥沙起动流速相似性校验的计算结果见表1。
表1 床沙起动流速及流速比尺
由表1 可以看出,模型沙的起动流速比尺在8.6～9.1之间变化,比设计值10.0 略小,模型沙所需起动流速偏大,不容易起动,从工程的角度考虑冲刷漏斗范围是偏安全的。考虑到水库天然淤积物的固结因素,起动比尺与设计值将更为接近,因此模型沙的起动是基本相似的。
验证试验是模型试验必不可少的环节,一般在正式试验之前均需要进行验证试验。本模型研究开展了模型沙水下休止角水槽试验,验证了模型沙休止角是满足相似要求的。但是模型模拟的库区上游2.5 km左右的河道,既没有天然实测的水面线或水流流势流态等方面的资料作为验证依据,也没有相近两次天然实测的河道地形资料作为河床冲淤验证的依据。考虑到近坝区泄流建筑物附近的水流流态与冲刷漏斗形态主要受坝前壅水水位和排沙洞下泄流量的影响,因此通过严格校核相似条件来满足试验的相似要求。
2.4 试验工况
卡拉贝利水库的发电排沙建筑利用左岸山体地形,由岸边向内分别为2＃排沙洞、发电洞、1＃排沙洞,建筑物进水口底板高程分别为1 708、1 722、1 696 m。1＃排沙洞为施工导流洞和泄洪排沙洞合二为一,利用进水口底板高程接近河床底高程的特点,尽可能多地排沙,其功能为前期导流、后期泄洪排沙,工作门孔口宽和高均为4.5 m,设计泄流量423 m3/s。2＃排沙洞在满足各种工况泄流量下尽可能抬高,以降低闸门承受的水头压力,工作门孔口宽和高均为5.0 m,设计泄流量531 m3/s。
试验按照水库的运行水位和排沙调度运用方式,得到4 种排沙运用水位(1 735、1 740、1 750、1 770 m)下单独开启1＃排沙洞、单独开启2＃排沙洞和同时开启2 个排沙洞的方案组合,共计12 种壅水排沙试验方案。卡拉贝利水库下游防洪安全泄流量482 m3/s,其中水库的发电引水流量为107 m3/s,因此试验中的排沙洞冲沙流量为375 m3/s。
模型还模拟了水库敞泄排沙方案,卡拉贝利水库狭窄细长、滩库容相对较小,充分利用克孜河洪水的水沙集中特点,在大洪水即将来临的时机进行水库泄空冲沙,延长水库的使用寿命。
3.1 坝前水流流态
试验观测了各种方案水库壅水冲沙的表流与底流流态,坝前蓄水位越高对表面流态的影响越小。水库按正常蓄水位1 770 m 运用时坝前水深较深,发电排沙运用对水流流态的影响不大,泄流建筑前无明显的回流区。汛限水位1 750 m 开启排沙洞时建筑物附近表层水流开始出现回流现象,开启1＃排沙洞排沙运行时洞前回流较弱,无漂浮物集结现象；
开启2＃排沙洞冲沙运用时,受开挖地形的影响,表面流场以发电引水洞平台为界存在回流方向相反的两个回流区,其中发电引水口附近形成一个顺时针的表面回流,范围贯通整个开挖段,回流强度较强,与此对应,发电平台头部近岸侧形成一个逆时针的回流区,回流强度较弱。
图2 为1 735 m 水位运用方案排沙洞附近的表面与底部流态。当运用水位为1 735 m 时,建筑物附近的水深较浅,泄洪排沙时能观测到明显的表面流速,表面回流强度大于1 750 m 水位方案的。因此,在开启2＃排沙洞冲沙运用时坝前的浮渣容易汇集于坝址左侧的开挖段,设计时需考虑电站防漂浮物的措施。
图2 1 735 m 水位运用方案的表面与底部流态
3.2 沿程流速垂向分布
为研究水库排沙时流速的沿程变化,试验测量了坝前不同测点的流速。以排沙洞进水口为起点(编号V0),沿流线方向向模型上游间隔10 cm(天然10 m)布置一流速测点,越向上游编号越大。
不同水位冲沙时河床底部水流流速随测点距建筑物进口距离增加而迅速衰减,流速影响范围与建筑物附近的水位成反比,坝前水位越高则底流衰减速度越快、影响范围越小。以开启2＃排沙洞为例,排沙建筑物附近的流速垂向分布如图3 所示。泄流排沙对流速的垂向影响范围为自河底向上20～30 m,河底各测点流速最大,沿河床向上流速逐渐减小,距河底30 m 以上的上层水流影响较小。从排沙孔口向上游河道方向的沿程测点,流速随着距排沙孔口门距离的增加而减小,同时各测点流速的垂向分布更均匀。以测点流速的垂向分布差异作为判断标准,可得出水库运用水位越低则底部水流流速越大,而且影响范围越大。例如1 735 m方案2＃排沙洞排沙的平面影响距离可到V8 测流点(距进口80 m),随坝前水深的增加,排沙泄流对上游流场的影响范围显著减小,1 770 m 水位时流速垂向衰减很快,最远平面距离仅到 V3 测流点(距进口30 m)。
图3 2＃泄洪排沙洞附近流速的垂向分布
3.3 坝前冲刷漏斗
水库冲刷漏斗的形成是多因素综合作用的结果,影响因素主要有坝前水流条件、坝前淤积物组成、泄水建筑物的布置形式以及水库运行方式。水库开始排沙运行时,排沙孔口的泥沙冲刷迅速,在水流与重力的双重作用下泥沙沿平面迅速展开并向上游溯源冲刷。随着冲刷漏斗范围的逐渐扩大,漏斗坡度变缓,滑塌与冲刷强度降低,最终形成稳定的冲刷漏斗。冲刷漏斗的局部形态直接依赖于孔口布置形式,而漏斗最终平衡比降则取决于上游水沙条件与水库运行方式。因此,每一个水库的冲刷漏斗都不可能与另一个水库完全相同,需要通过模型试验预测冲刷漏斗的形态,优化排沙孔的布置。
图4 为1 735 m 排沙水位的冲刷漏斗平面形态。泄洪运用时水流在行近排沙洞孔口流动过程中形式发生改变,逐渐由明渠流过渡到有压底孔泄流。对于水深较大的1＃排沙洞,水流扩散与收缩幅度较大,漏斗的纵向坡度较陡,开启1＃排沙洞的冲刷漏斗纵向边坡为1 ∶3～1 ∶4,橫向边坡为1 ∶3。而2＃排沙洞前的水深较浅,孔前的水流扩散与收缩幅度较1＃排沙洞都小得多,因而形成的漏斗坡度较缓,其冲刷漏斗纵向边坡为1 ∶3.5～1 ∶5,横向漏斗发展受两侧开挖边坡限制无法直接测出,可参考1＃排沙洞的横向坡度取值。图5 为冲沙漏斗深泓点纵剖面,其中图例S1735-1 为1 735 m 水位开启1＃排沙洞的试验结果,S1735-2 为1 735 m 水位开启2＃排沙洞的试验结果。由图5 可见,较低的排沙水位有利于形成平缓的漏斗纵坡,提高排沙洞的排沙效果。
图4 1 735 m 排沙水位的冲沙漏斗平面形态
图5 冲刷漏斗的深泓点纵剖面
与其他水库工程的原型冲刷漏斗比较可知,水库原型观测的横向坡度接近泥沙水下休止角,一般为1 ∶3～1 ∶4,本模型试验横向坡度为1 ∶3；
而天然冲刷漏斗纵坡一般为1 ∶5～1 ∶26,模型试验的纵坡为1 ∶3～1 ∶5,原型漏斗的坡度更为平缓。考虑到方案中包括坝前水深较大的方案且所选模型沙的起动流速偏低,认为卡拉贝利水库的冲刷漏斗纵坡试验结果基本符合实际,水库天然漏斗纵坡应比试验结果更缓,从工程安全的角度讲试验成果偏安全。
3.4 水库排沙比
试验将下游安全泄量作为起排流量恒定控制,试验进口含沙量按10 kg/m3控制,高于汛期平均含沙量。水库的排沙比与坝前运用水位、泄洪排沙洞开启方式都有关。坝前运用水位越低,则水库的排沙比越大,见表2。当开启1＃排沙洞时,坝前水位1 735、1 740、1 750 m 对应的水库排沙比为0.80、0.52、0.45,随运用水位的升高,水库排沙比逐渐减小。开启2＃泄洪排沙洞也有同样的规律。因此,为保持水库的库容,在排沙运用时应争取更低的水位,甚至采用空库排沙的方式。
表2 不同方案的冲沙效果
泄洪排沙洞的进口底板高程也对水库的排沙有重要的作用,开启1＃排沙洞更有利于水库的排沙。由表2 可知,坝前水位为1 735 m 时,开启1＃泄洪排沙洞时水库排沙比为0.80,而开启2＃排沙洞时水库排沙比为0.57,两者差异明显。
模型试验模拟了水库泄空24 h 条件下冲刷过程,采用的地形为水库冲淤平衡后通过泄空排沙恢复部分库容的地形。敞泄冲沙方案试验有两种,方案O-1 为开启1＃排沙洞,方案O-2 为开启2＃排沙洞。模型进口泄放的冲沙流量与冲刷漏斗形态试验方案的排沙流量相同,均为375 m3/s。
水库的泄空冲刷包含沿程冲刷与溯源冲刷两种方式,在泄洪排沙洞排沙形成冲刷漏斗的过程中,原河道淤积基点下降,河道自坝前向上游方向产生溯源冲刷。溯源冲刷过程发展较快,冲刷强度大,模型上能观测到明显的水流扰动。冲刷方式以下切为主,逐渐向上游传递,横向展宽幅度则较小。试验结果表明,经天然24 h(模型65 min)的敞泄冲刷,影响范围最远可达坝址上游约1.6 km 处的河段,库区敞泄排沙冲刷形成宽度为40～90 m 的主槽,与原滩面有明显高差,形成复式断面形态。
图6 为敞泄冲刷试验的深泓点纵剖面,依据比降变化可将泄洪排沙洞冲刷漏斗分成两段,其中靠近泄水排沙洞口段称为小漏斗段,纵比降主要受孔口流场的影响,比降较陡；
将受上游来水来沙和孔口流场双重作用段称为大漏斗段,此段的比降明显小于小漏斗段。2＃排沙洞前的小漏斗段长度约200 m,纵向坡度约为1 ∶11.4,大漏斗段的纵向坡度为1 ∶90 左右(纵坡比降约为1.1%)。1＃排沙洞前的小漏斗段长度约160 m,纵向坡度约为1 ∶6.2,横向坡降约1 ∶3.5,大漏斗段的纵坡比降则与2＃排沙洞大体相同,为1.0%。
图6 敞泄冲刷方案的深泓点纵剖面
冲沙流量与水深是影响水库排沙效率的重要因素。从两方案的对比可以看出,在冲沙流量和坝前水位相同的情况下2＃排沙洞的孔口底板高程较高,坝前冲沙水深浅,小漏斗段比降明显小于方案O-1,影响范围也更大。由于两方案上游来流流量相同,因此主要由冲沙流量决定的大漏斗比降也基本是相同的,说明在冲刷流量与河床组成相同的条件下水库冲刷平衡比降大体相同。
(1)坝前运用水位越低,水库的排沙效率越高。冰雪融水型河流水库应根据上游来水来沙条件、电站运用情况和排沙洞前淤积高程,抓住有利时机,灵活地运用多种方式冲沙保库。汛期水库降低水位运行,结合实际情况开启排沙洞及泄洪闸适时排沙。
(2)水库淤积接近冲淤平衡阶段,当库区上游来高含沙洪水时,适时进行泄空冲刷,如上游来水含沙量过高(大于30 kg/m3)或洪水流量持续较大时,可考虑停运全部发电机组、降低水位进行冲库敞泄排沙,开启1＃排沙洞,充分利用洪峰大流量排沙,恢复部分库容。
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