新疆克孜尔水库堤渠联合辅助排沙系统异重流排沙效果分析

胡 浩

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

新疆克孜尔水库堤渠联合辅助排沙系统异重流排沙效果分析

胡 浩

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

针对克孜尔水库泥沙淤积问题，提出了堤渠联合辅助排沙系统。系统实施后达到了干支流路径分离的目的，改善了水流环境，增强水流挟沙能力，缩短支流黑孜河的泥沙运行路径，从而使得支流高含沙水流形成的异重流更易于到达坝前。从人工辅助系统实施前2007年及系统实施后2011年黑孜河异重流的输沙数据对比分析的结果表明：系统实施后缩短了挟沙水流运行距离和库区传播时间缩短，增大了出库沙量，减少了水库泥沙淤积，延长水库寿命，效果显著。

堤渠联合；异重流；排沙；减淤

1 工程现状

新疆克孜尔水库运行近20年，库区正常蓄水位以下淤积量高达2.5亿m3，死库容淤损量达1.14亿m3，是水库设计运用20年预计淤积量的2倍，远超设计预估的淤积率[1]。大量泥沙在库区淤积，致使水库面积不断减小，库容不断损失。此现象的主要原因是在“鱼嘴”附近支流黑孜河与干流木扎提河两股水流的混掺，能量相互削弱，致使大量泥沙落淤，逐渐形成“拦沙底坎”。阻截了干流木扎提河的泥沙路径，使得上游来沙落淤库中，库底高程不断被抬高，兴利库容不断减少。

为减少库内泥沙淤积，将上游来沙顺利排出库外，在库内布置堤渠联合辅助排沙系统，即在支流黑孜河上游修筑导流堤，将来水挑向河道左岸，水流沿左岸顺势而下，再由顺坝将水流导入人工排沙明渠，最后经坝前350 m出口流入坝前导流兼排沙明渠至坝前[2]。辅助系统在试验室及库区布置[3-4]（见图1、2）。

图1 试验室人工排沙渠布置图

图2 库区人工排沙渠布置图

2 辅助排沙系统异重流排沙分析

2.1 异重流的形成

异重流对高含沙水流的水库是很常见的，克孜尔水库作为一座以防洪、发电和灌溉为主的综合性蓄水水库，异重流排沙是很重要一种的排沙方式，其运动过程如图3所示。

异重流排沙，即为壅水排沙。上游水流挟带泥沙进入水库壅水段，因两者密度比重不同，浑水潜入清水以下，在重力沿水流方向分量作用下沿库底向坝前的运动[5]。异重流的排沙应选在排沙效果最好，且尽量不影响水库的兴利任务，水库可以保持高水位运行，不会产生弃水，可保持下游的灌溉需水。克孜尔水库年内来水量集中在6～9月，来沙量更是集中在洪水期的几次沙峰，来沙细，易形成高含沙水流。另库区河床比降大，汛期来流量大，浑水潜入时有一定的单宽流量，都有利于异重流的形成[6]。

图3 异重流运动图

2.2 异重流的运动的影响因素

2.2.1 库水位对异重流潜入位置的影响

在运行库水位和河底高程已知的情况下，可计算出潜入点的流速，进而确定潜入点的位置。潜入点在库区的位置将会直接影响到异重流运行距离的长短，改变水库运行水位可使异重流的潜入位置发生变化。异重流的潜入位置一般会出现在回水末端以下数公里范围内，当上游来流量突然增大时，库水位会增加，潜入点位置会向上游移动。反之，会向下游移动。

2.2.2 库区地形对异重流运动的影响

异重流的沿程传播会因地形的变化而损失能量，如河道的变宽、河流分支、弯道等，沿程不断消耗异重流的能量，直至消失库中。克孜尔水库干、支流河道自上而下逐渐放宽，这就使得异重流难以到达坝前。库内原淤积泥沙不断改变河流流向，让水流在库区内绕流，大大增加了运行距离，这对泥沙的运移十分不利。

异重流产生以后，依靠重力作用，在清水以下向前运行，其运行速度随库底比降的增大而增大，反之亦然。克孜尔水库“鱼嘴”附近形成的“拦沙底坎”，阻碍水流的运行。伴随着泥沙不断淤积，坝前淤积断面不断抬高，异重流流速减小，挟沙力减弱。人工辅助排沙系统修筑以后，在一定程度上束窄了河道，并将原水流的曲线路径变成直线路径，使得挟沙水流更易到达坝前。

2.2.3 入库含沙量的影响

异重流的挟沙运动是超饱和运动状态，其流速及挟沙力都和含沙量成正比。入库洪水流量大小及含沙量的多少，将直接影响异重流运动到坝址的时间。入库洪峰流量和含沙量为异重流提供初速度和运行速度。入库洪峰流量大及含沙量大时，所产生的异重流的强度较大，速度也较大，可以推进异重流快速运行到坝址。

异重流排沙方式不需要泄空水库，排沙前后均能蓄水，这对克孜尔水库这样以灌溉和发电为主的水库是十分有利的。但是否可利用异重流排沙还要受克孜尔水库入库水沙条件及库区地形、水库泄流排沙设施平面布置等条件的影响[7]。就水库的干流木扎提河而言，虽然来沙细、河床陡等具备形成异重流的条件，但其汛期来流量小，悬移质浓度低，且库段自上而下不断放宽，异重流用以维持前进的能量不断流失，异重流很难到达坝前；支流黑孜河距坝址较近，含沙水流运行路径短，上游植被稀疏，汛期来流含沙浓度高，可充分利用异重流进行排沙，人工辅助排沙系统实施以后更是增加了异重流的排沙效果。

2.2.4 人工辅助排沙系统对异重流排沙影响

堤渠联合辅助排沙系统改变了黑孜河上游水沙的运行路线，使支流对干流的影响相对削弱。系统实施后水流方向沿左河道运行，在距坝址350 m处流入导流兼排沙明渠，缩短了泥沙运行距离。对于异重流排沙，运行距离短，传播时间就短，在洪水历时一定下，水库可利用的排沙时间就长，从而排出水库的泥沙就会增加。系统实施前（2007年）与实施后（2011年）黑孜河异重流的排沙情况见表1。

表1显示，2007年、2011年分别检测到4场异重流的发生。2011年黑孜河的入库洪峰流量较2007年小，相应的入库沙量也少了很多，但2011年的排沙比要相对2007年普遍增加。说明在人工辅助系统应用后，改善了水流条件，水流能够带走更多的泥沙，甚至对原河床造成冲刷，如：2011年7月9日场异重流，排沙比大于1，不仅能将上游带来的泥沙排出，还能带走一部分已经淤积的泥沙。

3 结论

（1）克孜尔水库“鱼嘴”形成的“拦沙底坎”拦截了干流木扎提河的泥沙，使库区的泥沙淤积量是水库设计运用20年预计淤积量的2倍，远超设计预估的淤积率。堤渠联合人工辅助排沙系统分离了干、支流水流路径，改善了水流环境，缓解了库区的泥沙淤积速率；

表1 人工辅助系统实施前后黑孜河段异重流排沙对比

（2）运用异重流排沙水库可以保持高水位运行，不会产生弃水，可保持下游的灌溉需水，不影响水库的兴利作用。但其排沙效果受入库含沙量、入库流量、库区地形及库水位的影响；

（3）人工辅助排沙系统改变了水沙运行路径，缩短距坝距离，从而使得黑孜河异重流更易达到坝前，增大出库沙量。

[1] 赵经华，侍克斌，夏新利.新疆克孜尔水库组合排沙动床模型试验研究[J].人民黄河，2013，35（6）：53.

[2] 陈成林，赵经华，马 亮，等.库区导流堤与排沙渠结合技术在水库排沙清淤中的应用试验研究[J].水利与建筑工程学报，2012，10（1）：1.

[3] 新疆水利水电勘测设计研究院.新疆渭干河克孜尔水库设计报告[R].新疆：新疆水利水电勘测设计研究院，1995.

[4] 新疆农业大学.新疆克孜尔水库黑孜河库段输沙水工模型试验[R].新疆：新疆农业大学，2010.

[5] 董秀斌.山区多沙河流上大库盘水库冲淤排沙技术研究[D].新疆：新疆农业大学，2014.

[6] 赵艳涛.浅析克孜尔水库2008年汛期异重流排沙的运行概况[J].西北电力，2010（2）：6-8.

[7] 张金良，王育杰，练继建.水库异重流调度问题的研究[J].水利水电技术，2001，32（12）：17-18.

（责任编辑：周 群）

Density current sediment flushing effect analysis for dike-canal joint desilting system of Kezier Reservoir in Xinjiang

HU Hao
（Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute,Urumqi 830000,China）

In view of the sedimentation problem of Kezier Reservoir in Xinjiang Uygur Autonomous Region,the dike-canal joint desilting system was put forward.After the system was constructed,trunk streams and tributaries are separated;flow environment is improved;silt-carrying capability of water flow is strengthened;silt route of Heizi tributary is shortened,so it becomes easier for the density current in tributary with high silt content to reach the main dam.The sediment discharge data of 2007 and 2011,respectively before and after the construction of dike-canal joint desilting system,had been compared and the results demonstrate that after the construction，the travel distance and time of silt-carrying flow in reservoir area are shortened；sediment discharge from the reservoir increases；sedimentation in reservoir decreases；and the service life of reservoir is prolonged with significant bene⁃fits.

Dike-canal joint;density current;sediment flushing;sedimentation reduction

TV145.2

B

1003-1510（2016）01-0057-03

2015-11-30

胡 浩（1989-），男，新疆昌吉人，新疆水利水电勘测设计研究院助理工程师，硕士，从事水库泥沙淤积处理研究工作。