中图分类号: TV697 文献标识码: A do i : 10. 3969 / .j issn. 1000-1379. 2010. 09. 010
小浪底水利枢纽是以防洪(包括防凌)、减淤为主, 兼顾供水、灌溉、发电, 除害兴利、综合利用的枢纽工程。水库于1999年10月开始蓄水, 至2006 年汛后, 库区淤积泥沙21. 58 亿m3(断面法计算结果), 已达到《小浪底水利枢纽拦沙初期运用调度规程》确定的拦沙初期与拦沙后期的分界值(21亿~ 22亿m3) 。这就意味着小浪底水库拦沙初期即将结束而步入拦沙后期或两者之间的过渡期。水库运用方式将由拦沙初期的“蓄水拦沙调水调沙转为“多年调节泥沙, 相机降水冲刷”。“相机降水冲刷”是指当水库运用过程中遭遇较大洪水过程时, 适当降低水库运用水位冲刷库区淤积物, 恢复部分库容, 以延长水库拦沙寿命。库区淤积32亿m3 (三角洲顶点到达坝前的淤积量) 降水冲刷试验的初始河床是在2006年汛后实测地形基础上, 利用设计的水沙过程自然淤积塑造而成, 在此初始边界条件下进行两组不同洪水过程的降水冲刷试验, 由此比较在相同的初始地形条件下不同来水来沙的冲刷效果。降水冲刷专题研究采用模型试验与实测资料分析相结合的手段, 研究降低库水位冲刷的时机、方式、水库冲刷流量与持续冲刷历时、降水冲刷效果等, 以期为制定合理的后期防洪减淤运用方式提供依据, 同时为下游创造好的输沙条件, 获得较大的减淤效益。
1 试验概况
1. 1 库区概况
小浪底水库为峡谷型水库,平面形态上窄下宽。上段自三门峡水文站至板涧河口, 长约62. 4 km, 河谷底宽为200 ~ 400m; 下段自板涧河口至小浪底拦河坝, 长约61. 59 km, 河谷底宽为200~ 1 400 m, 其中距坝25~ 29 km 的八里胡同库段, 河谷宽仅200~ 300 m。库区较大的支流有畛水、大峪河、石井河、东洋河、西阳河、亳清河等15条, 集中分布在距坝60余km 的库段内。
小浪底水库正常蓄水位为275 m, 原始总库容约为126. 5亿m3 (1999年汛后), 长期有效库容为51亿m3。库容分布特点是:干流库容约占总库容的64.3%; 高程230 m以上的库容约占总库容的67. 5%; 距坝约30 km库段的库容约占总库容的60.3%; 八里胡同以下4条较大支流(畛水、大峪河、石井河及东洋河)库容占支流总库容的72%; 距坝67km以上(库段长占总库长的52% )库容约占总库容的6.8% [1] 。
1. 2 模型概况
小浪底水库模型平面上覆盖了100%的干流及各支流大部分库段的全库区模型。按平面比尺λL = 300、垂直比尺λh = 60进行缩尺, 则模型长约420 m、高约2. 5 m。模型对枢纽泄水建筑物的模拟采用以复合变态而实现泄流能力相似的原则。将18个排沙洞进口概化成6个, 出口为3个洞; 18个发电洞进口概化为6个,出口仍为6个洞;孔板洞及明流洞仍各保持3条。
模型进口供水加沙采用清、浑水两套独立的循环系统。
1. 3 水沙条件及试验组次
工程控制冲刷库水位为210 m、水库初始蓄水量为3 亿m3、降水冲刷时机在库区淤积量约为32亿m3 的初始地形条件下, 分别选用历时为16 d(第一组次) 及12 d(第二组次) 洪水过程(见表1) 进行降水冲刷专题试验。
2 试验结果
2. 1 纵剖面变化
降水冲刷试验过程中, 水流冲刷的形式总体上可以分为溯源冲刷与沿程冲刷。在时空分布上, 两者或独立存在, 或同时进行。溯源冲刷主要从坝前库段开始, 由最低侵蚀基点向上游发展, 其上溯速度主要取决于边界条件(包括断面形态、淤积物组成、侵蚀基准面高程)及水沙条件(包括流量与含沙量及其过程)。溯源冲刷局部产生跌坎, 跌坎以下形成水流湍急的窄深河槽, 滩面随河槽的大幅度冲刷降低而滑塌, 断面形态发生剧烈变化。沿程冲刷自上而下发展, 冲刷范围一般仅限于河槽,在发生漫滩的库段会发生淤滩刷槽现象, 含沙量调整幅度比溯源冲刷小得多。
表1 小浪底水库降水冲刷入库水沙条件
第一组次流量大, 水流动力强, 冲刷发展快且冲刷幅度大。由于淤积物沉降不均匀, 因此冲刷中多处形成跌坎, 跌坎上下游出现跌水。
冲刷过程中, 距坝6. 54 ~ 3. 34 km 的HH5& HH3 断面之间, 主流紧贴右岸山体, 水流集中, 形成的主槽窄深且较为归顺, 跌水上溯发展较快。在距坝16. 39~ 13. 99 km 的HH 11&HH 10断面之间曾出现两股河, 分流后对河槽的冲刷强度减弱,溯源冲刷速度减缓。随着右汊分流比的逐渐增大, 左汊逐渐萎缩直至消亡。干流河床下降引起库区支流河口拦门沙破口, 支流蓄水汇入干流, 使得干流流量突然增大, 加速了支流以下库段冲刷。洪水落峰时段, 随着流量逐渐减小, 冲刷发展速度随之减缓。跌坎发展过程中跌水最大高差为7. 44 m, 最小为1? 80 m, 一般变化范围为1. 80~ 3. 06 m。
由第一组次及第二组次洪水过后干流平均河底高程纵剖面图可以看出: 第一组次试验洪水流量大、历时长、水流含沙量小, 有利于库区冲刷。溯源冲刷发展至HH37断面附近, 虽然在HH 37断面以下部分库段滩地有所淤积, 但主槽冲刷量大于滩地淤积量, 总体表现为冲刷。HH37断面以上有冲有淤, 总体表现为微淤。第二组次试验洪水流量小、历时短、水流含沙量大, 溯源冲刷发展至HH33断面上游, 在HH 29断面以下表现为冲刷, HH30& HH 42断面之间滩地淤积明显大于河槽冲刷, 总体表现为淤积。两组次库区平均河底高程HH37断面以下库段纵比降分别增大至4. 62 、4. 63 。
2. 2 横断面变化
库区干流试验前后断面套绘可以看出: 库区下段基本为全断面下降, 这是由泥沙颗粒细、沉积历时短、主槽刷深、滩地滑塌所致; 水库中下段基本为主槽冲刷, 滩地变化不大, 这是由淤积物沉积历时较长、固结程度较高所致; 库区中上段往往表现为淤滩刷槽。
2. 3 支流形态变化
支流沟口的冲刷是跟随着干支流交汇处干流河床冲刷开始的。干流河槽大幅度冲刷下降, 相继波及滩地与沟口拦门沙坎, 在拦门沙坎高程降低的同时, 支流蓄水破口而出, 进而发生自沟口向支流上游的溯源冲刷。塑造的支流初始纵剖面基本为倒坡。降水冲刷试验过程中, 支流纵剖面变化由沟口开始逐步向内发展。沟口的变化源于干流的变化, 而支流内部河床调整的主要动力源于支流的蓄水。干流河床大幅度冲刷下降, 引起支流口门淤积面降低, 支流蓄水泄放的过程中, 若支流蓄水量较大, 则支流河口遭冲刷而成的新河槽过流面积也较大, 随着支流蓄水位的降低, 冲刷逐步向支流上游延伸。
2. 4 库容及冲淤量变化
试验前后对地形进行了详细测量。两组次降水冲刷试验的结果表明: 泥沙沿程冲刷量主要分布在距坝51. 78 km 的HH 31断面以下, HH 1——HH18断面之间冲刷量最大, HH 18——HH 31断面之间冲刷量次之。对第一组次而言, HH 31——HH 38断面之间滩地淤积而河槽冲刷, 全断面表现为略有冲刷, HH 38断面以上断面调整不大; 第二组次中, HH31——HH 38 断面之间发生淤滩刷槽, 全断面表现为淤积, HH 38断面以上断面调整以淤积为主, 见表2。
表2 干流沿程冲淤分布计算(断面法)成果亿m3
洪水过后恢复了部分库容, 库容分布状态有所调整。两个组次试验的库容恢复量, 干流分别为3. 96亿、2. 11亿m3, 支流分别为0. 16亿、0. 09亿m3。第一组次试验洪水之后库容恢复量主要分布在高程210~ 230 m, 第二组次库容恢复量主要分布在高程210~ 225 m。
3 结论
(1)干流冲刷过程及形态。洪水过程中, 库区干流主槽冲刷主要分为溯源冲刷和沿程冲刷两种形式, 在时空分布上, 两者独立存在或同时进行。库区自下而上冲刷幅度呈减小趋势,洪水过后干流纵比降增大。在冲刷变形较明显的HH 37断面以下库段, 两组次试验的平均比降分别为4. 62 、4. 63 。
(2)支流冲刷过程及形态。支流沟口的冲刷继干流河床冲之后开始, 干支流交汇处为支流冲刷的侵蚀基面, 干流冲刷趋于稳定后, 支流沟口随之趋于稳定。若支流死库容较大、蓄水较多、干流河槽紧靠支流口门且下切幅度大又发展迅速, 则支流库容恢复效果明显。
(3)库区冲刷量。洪水过程中, 库区冲刷使得出库沙量大幅度增加。总体而言, 溯源冲刷的作用大于沿程冲刷的, 干流的冲刷量大于支流的, 库区下段的冲刷量大于上段的。两组次试验的断面法统计冲刷量分别为为4. 12亿、2. 20亿m3。
(4)库容变化。洪水过后恢复了部分库容, 库容分布状态有所调整。库容恢复情况为干流多、支流少, 下段多、上段少。两组次试验的干流库容恢复量分别为3. 96 亿、2. 11 亿m3, 支流库容恢复量分别为0. 16亿、0. 09亿m3。两组次试验的库容恢复量分别分布在高程210~ 230 m、210~ 225 m。
参考文献:
[1] 张俊华, 陈书奎, 李书霞, 等. 小浪底水库拦沙初期水库泥沙研究[M ]. 郑州: 黄河水利出版社, 2007.
作者简介: 陈书奎(1952—) , 男, 山东冠县人, 高级工程师, 研究方向为河流泥沙动力学。
