白石水库泥沙淤积与减淤方法的研究

张丽娟

（辽宁省供水局，沈阳110003）

白石水库泥沙淤积与减淤方法的研究

张丽娟

（辽宁省供水局，沈阳110003）

白石水库泥沙淤积严重，牤牛河与大凌河交汇区的淤积尤其严重，将形成“拦门沙坎”把库区分成上下两部分，影响白石水库正常运行。文章分析认为水库初设时的异重流排沙和泄空排沙的减淤方法，受各种客观因素制约，无法实施，并对牤牛河交汇区挖槽减淤方案进行了试验研究，证明挖槽减淤对减缓库区淤积效果十分显著。

白石水库；泥沙淤积；特点减淤方法；排沙方案

1 白石水库工程概况

白石水库是一座以防洪、灌溉、城市供水为主，兼顾发电、养鱼等综合利用的大（Ⅰ）型水利枢纽工程。白石水库坝址位于辽宁省西部大凌河干流上，控制流域面积17 649 km2，占大凌河流域面积的76%。水库建成后，下游防洪标准由20 a一遇提高到50 a一遇。

2 水库泥沙特性

水库所在大凌河是辽宁省西部最大的河流。牤牛河作为其最大的支流，发源于内蒙古奈曼旗黄音他拉，流域面积4 747 km2。大凌河流域内多石质丘陵山区，植被条件较差，水土流失严重，据2007年辽宁省第4次土壤侵蚀遥感调查及水库上游174条典型小流域分析测算土壤侵蚀模数为3 750 t／（km2·a）。其气候特性、地质特性决定了该流域河流含沙量高，输沙量较大。其特点为：

1）输沙量年际变化很大：白石水库坝址处多年平均径流量为13.45亿m3，多年平均输沙量为2 143万t；来沙主要集中在大水大沙年份，据实测，最大的1962年年沙量为10 695.71万t，是枯水年1992年50.78倍，是多年平均值的5倍。

2）年输沙量上游比下游大：支流比干流大。支流牤牛河的流域面积约占水库控制面积的26.90%，但其年输沙量为1 160万t，占大凌河站年输沙量的54.2%。

3 泥沙淤积现状

依据白石水库库区大断面地形测量资料进行分析，白石水库库区共布置测量断面61条，其中干流由坝址BD2到BD42，牤牛河从MD1—MD9断面，凉水河LD1—LD2断面，淤积监测布置图见图1。

图1 白石水库淤积监测断面布置图

2000—2014年6月，淤积合计为9 386.77万m3，占水库正常库容的9.3%，淤积量近1亿m3，相当于一个大（Ⅱ）型水库。分时段看，2010—2014年库区淤积尤其显著，为3 968.77万m3，这与2012年“804”洪水有关，体现“大水来大沙”的淤积特点。

从淤积分布看，库区淤积主要发生在99～114 m。从淤积沿程分布上看：1998—2010年，库区深泓整体抬高；纵向上，淤积抬高幅度呈现出中间大两端小的分布规律，在牤牛河汇流区处的淤积抬升幅度最大；牤牛河交汇口距白石水库坝址约16 km，见图2。

图2 大凌河1998—2010年淤积纵剖面图

牤牛河汇流段淤积特点：

1）牤牛河口段的淤积强度比其他区段要大，其淤积强度是汇流区上游干流段的1.8倍，下游干流段的2.3倍；牤牛河口汇流段年均淤积速度，是库区总体年均淤积速度的5倍。

2）库区断面总体淤积为累积性的平行淤积，而在牤牛河河口汇流段与总体淤积特征相比，还表现淤后河床左侧高右侧的横比降，大约为1‰～2‰。

年平均淤积速度见表1。

表1 年平均淤积速度

牤牛河交汇区淤积明显大于其上下游河段，水库蓄水运行，使牤牛河交汇区水深增加，比降、流速减缓，库区整体发生逐年累积淤积。

牤牛河年均来沙量虽近年来有所减小，但洪水期含沙量仍保持较高的状态，因此，牤牛河交汇区的淤积将会继续发展，对水库有效库容不会有大的影响。远期牤牛河口纵向上的凸起将继续发展，形成俗称的“拦门沙坎”最终可能将大凌河干流库区分成上下两部分，即形成库中库。影响水库正常运行，降低水库设计效益［1］。

4 白石水库排沙方案分析

4.1 异重流排沙可行性分析

白石水库异重流排沙初设方案为：20 a一遇以下的中小洪水蓄洪运用，并利用弃水适时打开底孔进行异重流排沙。白石水库初设计算多年平均弃水量为3.2亿m3，尽量使用弃水及供水，可大大改善坝前区泥沙淤积状况，并提高水库排沙能力［2］。

根据白石水库初设时中国水科院泥沙所和松辽委水科院的模型试验成果：异重流通常发生在牤牛河汇流口上游或者下游的位置，入汇口因水流紊乱而不易产生异重流；当洪峰流量为500～2 000 m3／s的中小洪水所形成的异重流很难运行到坝前。

根据近20 a来自然气候与工农业用水情况分析，白石水库采用异重流排沙可行性降低，原因如下：

1）无论是从洪峰流量频率还是5 d洪量频率来看，洪水频率较初设均有一定程度的减小；再加上阎王鼻子水库对洪水的调控和削峰作用，异重流运行到坝前的几率降低。

2）大凌河年径流量降低和需水量增大等因素的影响，白石水库年弃水量受到一定限制，从而利用弃水形成异重流排沙的几率降低。

3）随着水库运行年限的增长和坝前淤积的发展，库区纵比降总体将呈减缓趋势，不利于异重流运动至坝前。

4.2 泄空排沙可行性分析

白石水库初设时确定的泄空排沙初设方案为：遇20 a一遇（洪峰流量10 700 m3／s）及以上洪水时，尽量在24 h内预泄，降低库水位直至死水位，利用洪水集中排沙。

1）从水库运行角度分析：当水库上游发生洪峰流量＞10 000 m3／s，而水库水位处于防洪限制水位125.6 m，24 h内将水位预泄至108 m，对大坝下游160 km河道的堤防、道路桥梁存在一定的威胁；其次在泄空时机的选择上，受到水情预报系统精度的限制。

2）从洪水频率角度分析：20 a一遇及以上洪水，出现的频率较初步设计发生了一定变化。无论是洪峰或者是5 d洪量，同量级洪水的频率较初步设计均有所减小，重现期增长。

3）从兴利角度分析：白石水库的主要任务为防洪，供水及灌溉。采用泄空排沙面临着水资源紧缺的矛盾难以实施。若遇20 a一遇洪水仍采取泄空排沙，很有可能将全年径流量的绝大部分水量丢弃，如果汛后来流不足以将兴利库容蓄满，会导致全年供水紧张甚至无水可用的严重后果。

5 减缓牤牛河交汇河段泥沙淤积方法的研究

5.1 挖槽淤沙方案试验条件

白石水库委托武汉大学对牤牛河口处河道内挖槽淤沙方案进行试验研究，分析其减淤效果。挖槽布置在BS36—BS39断面之间，位置见图3。模型中的挖槽尺寸为3 m×1.5 m×0.02 m（长×宽×深）。挖槽尺寸和位置的选择遵循以下原则：

图3 交汇口牤牛河上游挖槽位置示意图

1）槽体容积至少可以容纳2001—2010年间最大洪水，即2007型洪水所携带的全部泥沙；挖槽位置要便于施工，同时要方便淤积泥沙的挖除和转移；挖槽位置要靠近或位于主槽，便于截留牤牛河来沙，且纵向上要有足够的槽长以利于泥沙落淤，见图4。

图4 测淤断面及淤积分区布置图

2）典型洪水选择：选择2001—2010年牤牛河两场典型洪水，分别为2007型洪水（10 a间最大洪峰，P＝20%）、2004型洪水（10 a间中等洪峰，P＝40%）。

5.2 试验成果

牤牛河2007型、2004型洪水淤积试验结果见表2、表3、表4。

表2 挖槽前牤牛河2007型洪水淤积量统计表

表3 挖槽后牤牛河2007型洪水淤积统计表

表4 挖槽后牤牛河2004型洪水淤积统计表

从表3可以看出，当发生牤牛河2007型洪水时，按照图4测淤断面及淤积分区布置图，四个区域淤积最严重的仍然为交汇区中段（核心区）Ⅱ区，淤积量约占整场洪水来沙总量的22.4%，Ⅰ区淤积量最少，仅为0.29%。挖槽内的淤积量占总来沙量的35.17%，大于四区淤积量之和。

与挖槽前的淤积情况相比，挖槽后四个区域的泥沙淤积量由61.5%减少为29.4%，降幅达到52%，减淤效果很明显；对于Ⅱ区来讲，其淤积量从挖槽前的26.4%，减少为22.4%，降幅4%，可见挖槽对Ⅱ区的淤积也能起到一定的减缓作用。挖槽前、后淤积分布见表2、表3。

当发生牤牛河2004型洪水时，挖槽后图4中四个区域中仅交汇区牤牛河上游进口Ⅲ区发生极少量淤积，淤积量占来沙量的2.1%，其他三个区域几乎没有发生淤积。槽内淤积量占洪水来沙量的10.2%。槽内淤积总量大于四个区域的泥沙淤积量之和。挖槽后淤积分布见表4。

5.3 试验小结

对于牤牛河10 a系列中（2001—2010年）的大中型洪水，挖槽的作用如下：

1）挖槽可以有效减少进入大凌河干流库区的泥沙总量，对减缓库区淤积能起到十分显著的作用。

2）挖槽对减缓牤牛河口交汇区（Ⅱ区）的淤积也有一定帮助。

3）挖槽拦沙对大洪水的减淤效果要强于中小洪水。

6 其他减淤方案

6.1 修建拦沙坝

牤牛河M7断面河宽约600 m左右，是一处较好的拦沙坝坝址，如第一期建过水坝高2 m，坝项高程为127 m的正常高水位，库容约300万m3。拦沙坝修建以后会对牤牛河上游产生较大的影响，如河道淤积抬升，回水对牤牛河上游两岸土地的淹没等，采用时需进一步研究。

6.2 管道排沙

将柔性管道一端与水库底孔连接，另一端直接延伸至牤牛河口汇流区，整个管路沿库底布设，利用水库大坝上下游的水头差，在管道内形成高速水流，使得管道进口处泥沙起动进入管道，经管路由底孔排放至白石水库大坝下游。通过改变管道长度，并沿横向移动管道进口位置，可以把先期淤积在库内的泥沙排出水库。这种管道排沙的形式以较少水量清除较多泥沙，具有较好的经济性和排沙效果。

6.3 输水洞排沙

这种排水方案和管道排沙相似，在牤牛河出口处适当位置开始，沿左侧山体向下游主河道适当位置的出口挖一条输沙隧洞。

当来含沙量较大的洪水时，利用输沙洞将浑水导入坝下主河道，这种方案可适时自然排沙，也可利用弃水机械搅动排沙，避免因泄空排沙放空水库的风险。根据库区地形可看出，左侧山脉可挖隧洞，全长约20 km。

6.4 机械挖沙与农业造地相结合

白石水库周边山丘纵横，沟壑遍布，很多沟壑荒废，可利用清淤沙泥填沟造地，或者进行土地整理。

7 结 语

1）白石水库库区牤牛河交汇流河段，由于支流来沙量大、干支流洪水遭遇几率低，加上入汇角较大，因此泥沙淤积强度显著大于其上下游河段。

2）未来在牤牛河洪水的作用下，交汇区淤积将继续发展，呈累积淤积的态势，将会形成横断干流的沙坎，当水位低于沙坎高程时，干流库区将分成上下两部分，影响水库有效库容的正常运行，降低水库设计效益。

3）受入库水沙条件变化，特别是同流量洪水发生频率降低，以及区域经济发展对水资源需求的迅速发展，白石水库利用异重流排沙、泄空排沙的技术、经济可行性降低，初设排沙效果很难实现，必须研究减缓水库库区泥沙淤积的其他方法。

4）在牤牛河交汇口门上游牤牛河内挖槽淤沙，定期清除的方案可以显著减少库区泥沙淤积总量，对牤牛河口交汇区淤积发展也有一定的减缓作用；除此以外，建议对修筑拦沙坝、挖沙筑堤、管道或输水洞排沙及挖沙造地等其他减淤方案进一步深入研究其可行性。

［1］韩卫.牤牛河汇流段泥沙淤积特性分析［J］.东北水利水电，2014（03）：26－27.

［2］陈跃.官厅水库泥沙淤积与册田水库关系探讨［J］.山西水利，2014（01）：35.

Research of Siltment in Baishi Reservoir and Siltment Reduction M ethod

ZHANG Li-juan
（Liaoning ProvincialWater Supply Bureau，Shenyang 110003，China）

Baishi Reservoir is serious in silting，especially at the junction of Maoniu River and Daling River，which will divide the reservoir area into two parts up and down and affect the normal operation of the Baishi reservoir.By analyzing，this paper conforms that the silt reduction method is affected by various objective factors and can＇t be implemented smoothly，and the test research was conducted for the silt reduction scheme of dredging for deposition reduction at the junction area of Maoniu River，showing that dredging for deposition reduction is very useful.

Baishi reservoir；silting；characteristics；method of silt reduction；desilting scheme

TV145

A

1007－7596（2015）05－0005－04

2014－10－31

张丽娟（1966－），女，辽宁清原人，高级工程师，从事大型水库工程管理工作。