庙宫水库泥沙淤积浸没危害及对策

2010-06-26张淑秀

水科学与工程技术 2010年1期

张淑秀，祁伟

（水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

庙宫水库位于河北省承德市，处于滦河水系伊逊河干流上，总库容1.83亿m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽。工程于1959年兴建，1960年开始蓄水，控制流域面积2370km2，占伊逊河流域面积的35%。伊逊河流域地处燕山背风区，多年平均入库悬移质沙量460万t，平均含沙量40kg/m3（与黄河陕县站相当）；上游为土石山区，山区面积中的65%属陡峻的山地，水土流失非常严重。年输沙模数及最大含沙量均居滦河流域各河之首，其支流不澄河边墙山站实测最大含沙量达905kg/m3，干流围场站亦高达683kg/m3。年输沙量90%以上发生在6～9月份，次暴雨洪水输沙量有时可达年总量的60%～70%。输沙量年际间变化相差悬殊，庙宫水库年入库最大沙量1360万t（1959年），年入库最小沙量61万t（1981年），两者相差22.3倍。

2 泥沙淤积造成的浸没危害

2.1 水库泥沙淤积情况

庙宫水库自1960年开始蓄水，1986年一直采用拦洪蓄水运用方式，入库泥沙的淤积率大多年份都在90%以上，使上游来沙绝大部分淤积在库区内。为了延缓水库淤积的发展，1987年开始，庙宫水库采用蓄清排浑、空库迎汛的运用方式。根据1991年汛前测量结果，水库泥沙淤积量达9468万m3（包括库区翘尾区域），总库容减小了近50%，兴利库容由6800万m3减少到2300万m3。

水库淤积形态为锥体状，淤积厚度向下游沿程增大，到1998年最大坝前淤积深度达23m，坝前的淤积高程已达768.5m，库区河道比降由建库前的37.4%变缓为18%。

2.2 水库淤积对上游村庄形成浸没危害

随着坝前淤积滩面的不断抬高，淤积末端逐渐向上延伸，1979年水库淤积量6929万m3，坝前淤积高程765.2m，淤积末端距大坝8.6km，未发生翘尾巴；1986年水库淤积量9156万m3，坝前淤积高程767.55m，淤积末端距大坝11.5km，淤积上延系数1.3；1991年水库淤积量9468万m3，坝前淤积高程768.5m，淤积末端距大坝13.7km，淤积上延系数达1.55。1998年坝前淤积高程768.6m，淤积末端仍呈上延发展趋势。

随着淤积末端的上延，上游河床逐年抬高，距大坝9.6km的四合永公路桥处河床淤高已达3m多，使河床由原来的地面以下淤积到现在与两岸地面持平，甚至高出两岸耕地及村基高程，形成了地上悬河。根据1991年实测资料，四合永公路桥上游1.2km处的河床已淤高2m，成为地上河。在河道淤积之前，河谷较深，两侧地表水和地下水排入河漕。河床淤高以后，河道水面线抬高，两侧地下水向河漕排泄受阻，造成地表水、地下水排泄不畅，甚至出现河水补给地下水的现象，使两侧地下水位壅高，从而产生了浸没危害，土地盐渍化、沼泽化现象严重。

根据实地调查发现，四合永镇的浸没问题始于1985年，当时海岱沟门、合字村一些近河耕地发生盐渍化，以后随着河床逐年抬高，浸没范围逐年扩大，逐年严重，由开始耕地发生盐渍化，到土地沼泽化，居民房基软化，房屋发生不均匀沉陷，墙垣断裂甚至倒塌。1991年经调查四合永浸没区总面积2.3km2，浸没区内约0.8km2耕地因盐渍化，沼泽化使粮食减产，甚至无法耕种；数百间居民住房地面塌陷、墙体断裂甚至倒塌。当地的群众生产、生活受到影响，经济损失严重，并且形成了较严重的社会问题。

3 解决泥沙淤积及浸没危害对策

3.1 改变水库调度运用方式控制淤积

为了减缓泥沙淤积的速度，1987年开始，水库汛期采用空库排沙运用方式，每年在主汛期将泄洪洞闸门打开，利用上游入库的天然径流进行冲沙。

根据1987～1992年实测资料统计的历年空库排沙成果，在6a里共空库排沙173d，出库悬移质沙量1767万t，为同期入库悬移质沙量858.4万t的2.1倍，相当于6a总入库悬移质沙量1973.2万t的90%。空库排沙期间总出库水量1.87亿m3，占6a总入库水量6.13亿m3的30%。 6a悬移质入库沙量1973.2万t，出库量2064.5万t，估算年推移质入库量309.8万t，出库量162.8万t。入库总沙量仅比出库总沙量多55.7万t，说明库区基本处于冲淤平衡状态。

经过6a主汛期空库排沙，库区形成一条长约7km的冲刷槽，槽库容为530万m3，与滩地淤积增长量510万m3相抵。坝前滩面平均淤高0.21m/a，比空库排沙前0.9m/a降低4倍多。四合永公路桥附近河床平均淤高0.12m/a，比空库排沙前0.18m/a降低1/3。

利用现有泄洪洞在主汛期进行空库排沙，可以有效地减缓水库淤积速度，但库区滩地特别是四合永段河床仍在继续淤高，四合永镇浸没问题仍逐年加剧。

3.2 利用泄洪洞排沙清淤

1987年开始，庙宫水库实行排浑蓄清运用方式，每年在主汛期将泄洪洞闸门打开，利用上游入库的天然径流进行冲沙。13a间，库区的滩面和库尾河床淤积较以前减少，淤积率有所降低，总体上是滩面仍继续淤积，但淤积程度有所减缓。冲刷较多的年份有1989和1991年。1991年主汛期来水量为4472万m3，为中水年，相当于5a一遇，发生洪水（大于20m3/s）11次，其中单峰洪水5次，多峰洪水6次，洪峰流量为30～120m3/s；空库排沙效果在1989～1999年中为最大的一年，冲刷泥沙量493.8万t，入库沙量167.8万t，净排沙总量326万t，冲刷范围为坝前8km，再向上呈淤积趋势，对于距坝10km处的四合永镇，河道滩地和主槽仍有所淤积。说明1989～1999年空库度汛，冲刷量最大的年份四合永镇仍淤积较为严重，在中水年份利用泄洪洞排沙只能得到缓解不能解决库尾淤积问题。

3.3 增设排沙洞与泄洪洞联合冲淤

参照国内多沙河流上大中型水库的调研资料，利用水力排沙的原理，增设低高程、大洞泾的排沙洞，采取蓄清排浑运用，在主要来沙季节，运用水沙运动规律，依靠水流本身的冲刷能力，将水库淤积物带出库外，达到冲淤排沙的目的。庙宫水库通过物理模型试验、数学模型计算及水库粘性淤积物溯源冲刷的一维计算等多种方法，定量分析了增设排沙洞规模和冲刷效果。

3.3.1 增设排沙洞规模

分析表明冲刷量、冲刷深度及冲刷槽上朔距离与洞径成正比，但是随洞径的增大，线梯度逐渐减小，当洞径增大到7m左右时，曲线梯度趋近于0，说明从冲刷效果的角度考虑，排沙洞选定7m左右洞径是最优的，确定排沙洞洞径选用6.8m。采用水库粘性淤积物溯源冲刷的一维方程计算水库的溯源冲刷，在新增低高程排沙洞后，估计排沙洞高程的变化对冲刷槽发展距离的影响，结合洞址附近的地质、地形条件，增设排沙洞洞底高程确定为748m。

3.3.2 排沙洞与泄洪洞联合冲淤效果

（1）建排沙洞后，在排沙洞与泄洪洞联合泄流排沙条件下，水沙系列的冲刷槽可上溯到四合永段，最大冲沙量累计974.9万m3，四合永河段（18～20＃断面）形成稳定冲刷槽，平均宽度38m，平均冲深1.81m，如表1所示。

表1 物理模型冲刷试验成果表

（2）采用水库粘性淤积物溯源冲刷的一维方程计算水库的溯源冲刷。在新增低高程排沙洞后，估计排沙洞高程的变化对冲刷槽发展距离的影响。计算方法的基本出发点是建立粘性淤积物冲刷率与淤积体变形的关系。

水库粘性淤积物溯源冲刷的一维计算方程式如下：

式中 Z（X，t）为河床高程，为距坝里程X与冲刷时间t的函数；rd（X，Z）为淤积物干容重，为X与淤积高程Z的函数；τ0（X，Z）为淤积物的临界起动剪切力，亦为X，Z的函数；ψhc为计算的冲刷水深；K为冲刷率系数；Z（X，0）＝f1（X）为计算边界条件，由各断面淤积面高程及不可冲河底高程所确定；Z（0，t）＝f2（t）为计算初始条件，由坝前水位的下降过程确定。

冲刷河槽宽度按阿尔图宁公式计算，即

式中系数A主要依据1987年实测资料确定为1.263；计算中Q取实际冲刷流量，按淤积面坡降（18%）与原河槽坡降（37.4%）的平均值考虑。

计算结果表明：

（1）经1987、1988两年汛期，历时1个月空库冲刷所形成的冲刷槽坡降，还没有达到冲刷终极平衡坡降。主要是由于实际冲刷流量过小，若今后遇较大流量，冲刷槽还可以进一步发展。

（2）在侵蚀基准面不变的情况下，冲刷流量不仅对提高总冲刷量有作用，而且对冲刷槽的上溯发展也有促进作用。在利用面有排沙洞的条件下，大洪水过程（Qmax＝250m3/s）比较小洪水过程（Qmax＝100m3/s），总冲刷量可提高2.3倍，冲刷槽上溯距离也可提高1.55km，但由于受侵蚀基准面的限制，冲刷槽尚不能影响到四合永附近河段。

（3）在增设低高程排沙洞后，随着侵蚀基准面的降低，可进一步提高总冲刷量和有利于冲刷槽的上溯，当新排沙洞高程降低至748m时，冲刷槽基本上可影响到四合永水库段，对减轻四合永镇的洪水威胁是有积极作用的。总之，增设低高程排沙洞后，空库冲刷效果会明显增大，在遇有200m3/s左右洪峰时，空库冲刷所形成的冲刷槽基本上可到库尾四合永桥处。若在此基础上再进一步作一些开挖疏导工程，可以减轻泥沙淤积发展对四合永镇的威胁。