山西省中部引黄工程泥沙淤积及冲沙研究

杨红喜

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

本文以山西省中部引黄工程为例，在分析泥沙含量及其对淤积的影响的基础上，提取了具体合理的的冲沙措施,为今后其他工程的设计建造提供了重要参考。

1 工程概况

山西省中部引黄工程自保德县天桥水电站库区取水，分别为忻州市保德县；吕梁市的兴县、临县、离石、柳林、中阳、石楼、交口、孝义、汾阳九个县（市/区）；临汾市的隰县、蒲县、大宁、汾西四个县；晋中市的灵石县和介休市两县（市）的四市十六个县（市/区）供水。年规划供水6.02亿m3（生活0.11亿m3、工业2.59亿m3、农业3.32亿m3），包括取水工程和输水工程。取水工程位于保德县境内，设计取水流量23.55m3/s。输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水，线路总长384.5km，其中总干线长200.22km。

2 水库泥沙量时空分析

2.1 含沙量分析

河曲站含沙量资料经分析后仍采用可研成果，河曲水文站2001—2008年实测含沙量资料统计见表1。由表1可知：2001—2008年，年平均含沙量为 0.072～1.42kg/m3。

表1 河曲站历年逐月含沙量统计表 单位：kg/m3

续表1

2.2 含沙量天数分析

根据收集到的河曲站1986—1989年泥沙资料及延长后的资料分别对万家寨水利枢纽建成前后河曲站含沙量进行统计分析，万家寨建成以前河曲站含沙量连续大于5kg/m3的最长天数为45天（1988年7月11日～8月24日），次长天数为24天（1989年8月9日～9月1日），且高含沙量的情况一般发生在汛期。万家寨水利枢纽建成蓄水后，河曲站含沙量大大减少，而且高含沙量的情况一般发生在3月份，连续大于5kg/m3的最长天数为6天（2007年3月20日～3月5日），次长天数为4天（2008年3月25日～3月28日）。

1989年的水沙关系可作为保证率95%的典型年，本年河曲站含沙量出现大于5kg/m3的连续天数为24天，全年含沙量大于5kg/m3的总天数为64天，主要出现在汛期8、9两月和凌汛期。

2.3 泥沙颗粒级配

根据河曲水文站、义门水文站1985年前多年平均颗粒级配进行统计分析，河曲站平均粒径为0.035mm，义门站平均粒径为0.057mm。

3 天桥水电站水库冲淤分析

天桥水电站建库27年来，其间进行了数十次库容测验，加上上游6站的水文资料，对天桥库区的冲淤变化进行了分析。天桥水电站蓄水发电以来，河道水流条件发生了改变，特别是支流来水多为洪水，含沙量大，粗颗粒泥沙多，使水库淤积严重，库容损失非常大。

从天桥水电站历年库容变化情况可以看出，自水库运行以来到1998年，库容呈明显减小趋势。库容的年内变化较大，一般非汛期（上年汛后至本年汛前）库容增加，汛期减小，呈锯齿状变化。

从历年冲淤量情况分析可以看出，较大的淤积均发生在汛期，较大的冲刷均发生在非汛期。汛期和非汛期的最大淤积量分别为2365万m3（1982年）和804万m3（1977年），最大冲刷量分别为641万m3（1980年）和1572万m3（1998年）。尽管淤积的次数与冲刷的次数大致相当（各22次，由于缺测原因，均为不完全统计），但淤积量远大于冲刷量。这就是造成库容逐年走低的原因。

天桥水库1976年原始库容为8971万m3，发电运行初期（1976年10月—1979年10月），水库库容损失量为3773万m3，平均每年损失库容1258万m3，年损失率14.0%；第二时期（1979年10月—1988年10月）水库库容损失量为2093万m3，平均每年损失库容233万m3，年损失率2.6%；第三时期（1988年10月—1998年9月）水库库容损失量为1124万m3，平均每年损失库容112万m3，年损失率1.2%；前三个时期的库容损失分别占原始库容的42.1%、23.3%、12.5%。也就是说，到1998年9月时，实际库容1983万m3，仅是原始库容8971万m3的22.1%，比最小库容的1997年1651万m3略大。第四时期（1998年9月—2003年9月）库容增加了652万m3，平均每年增加库容130万m3，年增量为1.5%，第四时期末的实际库容2633万m3，是原始库容的29.4%，比第三时期末的22.1%增加了7个百分点。

水库年内冲淤变化较大，汛期一般为淤积。多年平均淤积量汛期为979万m3，非汛期为-636万m3，因此，可以认定：天桥水库建成蓄水以来基本以淤积为主，库容呈逐年减少趋势，且汛期平均为淤积，非汛期平均为冲刷，冲刷量一般小于淤积量。1989年以后淤积趋势较为缓慢，1998年以后基本处于冲於平衡状态。

4 天桥水电站水库取水工程设计

4.1 泥沙问题及其解决措施

黄河原水含沙量较高，取水建筑物首先应考虑设置沉沙设施进行泥沙处理。本工程取水口进水塔背后为禹保公路和岸坡陡崖，上、下游均为电站库区，取水口附近没有兴建沉沙池的场地条件。同时，据收集的泥沙颗分资料分析，河曲站平均粒径为0.035mm，小于0.05mm的泥沙比重约占74.76%，义门站平均粒径为0.057mm，小于0.05mm的泥沙比重约占58.91%，设置沉沙池也无法解决悬移质带入泵站进水池和输水隧洞。

基于上述因素，取水口处不设沉沙设施，配置吸泥船，在工程停止引水后，根据取水口前泥沙淤积情况进行吸泥清淤作业，尽量降低淤积高程，减少水流带入的粗颗粒含量。在泵站进水池设置泥浆泵抽排解决进水池淤积问题。在主干线隧洞进口前，加长泵站压力管道出水池长度，并加大出水池水深，降低池内流速，尽可能多的沉积粗颗粒泥沙。随水流挟带的泥沙由沿线用水户自行解决、处理。

4.2 取水存在的问题及解决方案

由工程取水水位和取水口泥沙淤积高程关系可以看出，取水水位无法满足有压进水口的淹没水深要求，故取水口采用无压取水方式。

同时，考虑天桥水电站为调峰电站，调节方式为日调节，库区水位变动较频繁。如采用进水塔闸门控制水位和取水流量，则闸门开度调节运行相当频繁，甚至无法进行调节控制。因此，初步确定采用泵站控制取水流量的运行方式，进水塔只设一道工作闸门，在非取水时段（泥沙含量超标）或库区水位超过设计最高取水位时，下闸关闭取水口挡沙。引水隧洞和引水暗涵断面均按设计最高取水位情况下、隧洞为明流的工况进行设计。

4.3 清淤设计

泵站进水池底板高程805.5m，低于泵站邻近沟道地面高程（820.0～832.0 m），设计采用高压水枪配合2台泥浆泵（Q=200 m3/h，55kW）抽排。为便于泥沙冲洗，进水池底板横向向南侧找1%的底坡，并在底板上沿南侧侧墙设集沙槽，深度1.0 m，宽度1.5m。为便于清淤人员操作，在南侧侧墙808.0 m高程设宽度1.5m的清淤平台。

隧洞衬砌采用C25钢筋混凝土，允许不冲流速小于8m/s，不淤流速采用西北水利科学所黄土地区不淤流速计算公式：

式中：ρ——含沙量，按汛期平均含沙量计算，根据水文统计资料取1.89kg/m3；

ω0——泥沙沉降速度，由义门站平均粒径0.057mm查得1.236×10-3m/s；

R——水力半径，m。

经计算，设计流量时求得ν＂=0.48～0.66m/s。由此可知设计情况下，设计流速均大于计算不淤流速；考虑泵站一台小机组运行，流量2.95m3/s，总干隧洞最小计算流速0.78m/s，大于计算不淤流速。

5 结论

受地形和地质条件的限制，该工程所处区域,布置泥沙处理设施比较困难，所以设计了两套方案:

1）从源头沉降较粗颗粒泥沙，控制水中泥沙含量。

2）采取工程措施减小泥沙淤积的影响。建议进行进一步的水工模型试验，详细了解水流流态及泥沙淤积情况，结合该试验,进一步确定泥沙处理设施。