石门水库增设排沙洞提高排沙能力的效果分析

邱存元，古学海

（陕西省汉中市石门水库管理局，陕西 汉中 723000）

汉中市石门水库位于汉江上游一级支流褒河峡谷出口以上1.8 km，距汉中市区18 km，以灌溉为主，结合发电、防洪、城市供水、旅游等综合利用的大（2）型水利工程。水库枢纽由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪中孔、新建左岸泄洪洞、放水（排沙）底孔、右岸河床电站，以及东、西高干渠渠首电站，下游反调节池（橡胶坝）和南干渠渠首等组成。坝址以上控制流域面积3861 km2，库区多年平均降水量905.6 mm，多年平均径流量13.8亿m3，多年平均流量43.6 m3/s。水库建成至今已运行40多年，泥沙淤积十分严重。根据2016年实测淤积量已达到4635万m3，其中，死水位以下淤积3319万m3，占死库容的74.9%，有效库容淤积1316万m3，占有效库容的21.7%。已严重影响到石门水库的防洪能力和水库、水电站正常效益的发挥。因此，研究并采取有效措施减少或减缓水库泥沙淤积是必要的。

1 水库泥沙淤积情况

石门水库自1974年开始蓄水以来，由于河道自然来沙和流域内的道路建设、矿山开采等人为活动造成水土流失，水库泥沙淤积给坝后电站发电及水库防洪、灌溉蓄水都造成严重影响。根据2016年水库管理运行单位实测淤积量达到4635万m3，占总库容的44.15%，其中死水位595 m高程以下的淤积量为3319万m3，占死库容的74.92%，有效库容淤积量1316万 m3，占有效库容的21.69%，石门水库多年淤积测量成果见表1。

表1 石门水库多年淤积测量成果

从多年的测淤纵剖面的比较分析，水库淤积形态早期呈带状淤积，后期呈三角洲和带状的混合淤积型态，并逐渐向锥体淤积形态发展。从淤积横断面来看，由于水库长期蓄水运用，横断面上河床淤积水平抬升，一般没有明显的主槽。根据多年的河道来沙水文资料和实际取样分析，16号断面（距坝址14 km）以下断面淤积物的中值粒径均小于0.68 mm，并且向下游淤积物粒径沿程迅速递减，可判断在16号断面以下淤积物主要为悬移质，而上游多为推移质。由上游马道站统计的多年泥沙资料分析也主要以悬移质为主。

考虑到石门水库原有排沙底孔孔径较小，不能满足现有排沙需求。通过对坝址处地质、大坝结构等多方面因数的分析、计算，经多方案论证，确定将现有泄洪洞进行改造，降低其进口高程到560 m，加大排沙泄流量，达到配合排沙低空进行排沙的目的。

2 分析计算

石门水库清淤主要靠定期的水库泄空冲刷，通过泄空水库，在排沙期有效降低库区侵蚀基准面，在一定的来水条件下，沿库区纵向形成溯源冲刷。本文采用数值计算方法研究不同排沙设施条件及不同来水条件下的泄空冲刷效果。

石门水库泄空冲刷过程可以利用水流泥沙数学模型进行计算，采用扩展一维非平衡输沙模型，考虑到整个库区淤积物泥沙颗粒粒径沿程差别甚大，从上游的卵石推移质淤积到坝前的异重流细沙淤积，抗冲性差别大，所以不能采用均匀沙模型，需要采用非均匀沙模型，才能反映出沿程的冲刷强度的差异。

2.1 建立数学模型

水库泥沙数学模型中，水流计算可以按分段恒定流处理，即：

一维恒定渐变流的能量方程为：

Sf为阻力比降，根据满宁公式可以表示为：

阻力比降主要受综合糙率和流速影响，横向的流速不均匀使得横断面过水区阻力不同，划分子断面之后，考虑沿程横向流速不均匀影响的阻力比降可以表示为：

美沙拉嗪缓释片单剂量与多剂量给药在Beagle犬体内的药动学研究 ……………………………………… 向荣凤等（16）：2198

式中，j和j＋1分别表示河段上下断面。

α为动量系数。利用一维模型计算天然河道水流问题，关键是沿河宽方向流速分布不均匀的问题，特别是滩槽都过水的情况下，沿河宽方向流速分布极不均匀，使按断面平均流速计算的水流动量与实际的断面水流动量出现大的差异，所以在动量方程中加入动量系数α，动量系数就是对这一偏差的修正，动量系数可以由下式表示：

上式中，q为断面横向y处的单宽流量，u为断面横向y处的垂线平均流速，Q为断面流量，B为断面水面宽度，V为断面平均流速。为了将上式离散化，把整个断面沿横向划分成若干个子断面，将积分计算离散为求和计算，得到α的近似公式（7）。

式（7）中，Qk、uk分别为第k个子断面的流量和水流平均流速。由此，式（2）化为：

Qk，uk可以通过下式计算：

挟沙力公式：

含沙量方程：

由此得到的非平衡输沙含沙量沿程变化计算公式为：

差分化得到：

式中，γ′为淤积物干容重，下标j和j+1分别表示计算河段的上下断面，DA为一个时段的断面冲淤面积。

一维模型计算的冲淤量为河段总冲淤量，另外要据此计算两端断面冲淤面积及横断面上的冲淤分布，计算两端断面的冲淤面积主要有三种方式，平均分布、梯形分布和三角形分布，根据经验，本次计算中认为用梯形分布更为合适，这就涉及到分配权重问题，一般情况下权重可取为（S-S*），用Wt表示，它反映了输沙的非饱和程度。

本方程的数值解采用差分法，由式（4）、（7）、（8）和式（9）计算水面线及各断面水力要素，边界条件在下游，即坝前水位，水面线从坝前向上游逐断面试算，进而计算断面各水力要素。由式(11)～式(14)计算各断面挟沙力和含沙量，泥沙计算的边界条件在上游，上游入库断面含沙量为已知，从上游入库断面向坝前逐断面计算挟沙力和含沙量。由式（16）计算各河段冲淤量，由式（16）将冲淤量分配到上下断面，再逐断面分配到各个子断面上，进而得到新的断面地形，为下一时段的计算做准备。重复以上过程，计算下一个时段，如此继续下去，直至计算完所有时段。见文献[3]、[4]。

2.2 排沙计算

根据石门水库灌区的用水需求，4～8月份为灌区夏灌用水期，1月为灌区冬灌用水期，为了增加排沙量和后期的蓄水，选在水量偏丰年份的9月中下旬进行排沙。根据褒河流域9月历年中下旬入库流量频率，选择2001年（频率10%左右）、2009年（频率20%左右）、1984年（频率20%左右）、1985年（频率30%左右）、1982年（频率40%左右）1990年（频率40%左右），为了便于比较，又选择了水量偏枯的1993和1988年，利用上述建立的水流泥沙数学模型分别计算排沙效果。排沙初始地形采用2014年实测库区淤积断面。排沙初始库水位统一按595.0m计算。排沙期从9月11日至30日，共20天。

排沙计算泄量条件按两种方案，一是现有泄流条件（底孔排沙），二是泄洪洞进口降低改造方案，进行两种方案的排沙对比。

2.3 计算结果及分析

通过对计算结果整理分析，排沙量在不同的来水频率和有无泄洪洞参与排沙的情况下的计算结果见表2。

在现状泄洪设施状态下，泄洪洞进口高程596.0 m，对泄空排沙基本起不到作用，只考虑底孔排沙。利用水流泥沙数学模型分别计算了8组入库水流条件的排沙过程。从计算结果可以看出：冲刷期入库流量太大时，排沙量反而会减小，这是因为排沙期流量稍大便会形成壅水，排沙条件不理想。泄空排沙的关键是要水库能够泄空，侵蚀基准面得到有效的降低，才能达到理想的排沙效果。现状低水位泄流靠排沙底洞，泄量小，只有在排沙期入库流量比较小的水流条件下，才能维持较低的水位排沙，从表中可以看出，排沙期入库流量较小的几个年份的水流条件，排沙量反而比较大，达到200万m3左右。小流量虽然能达到较低的排沙水位，但是水流的冲刷能力又不可能太大，冲刷出的主槽也比较窄，冲刷量受到一定的限制。

考虑到水库的排沙需要，石门水库计划对现有泄洪洞进行改造，进口高程由现状的596.0 m降低到560.0 m。按设计的泄洪洞改造方案，进口高程降低到560.0 m，在水库泄空排沙时可以通过比较大的流量，在排沙期入库流量稍大或出现小的洪水时，不至于坝前水位快速升高，使得排沙期能够充分利用比较大的流量，提高排沙效果，能够冲刷出较宽、较深的主沟槽。从表中的对比数据可以看出，通过改造泄洪洞以后，水库的排沙能力、水流的挟沙能力都有了大幅度的提高，一次泄空排沙量就超过了400万m3，排沙效果十分理想，能够有效的恢复淤积库容。

3 结论

（1）石门水库是汉中地区唯一的一座大型水库，水库的淤积严重的制约了水库的调蓄能力，不利于水库应有效益的正常发挥，如果水库淤积不能得到有效的减排，将严重的影响到水库的使用寿命和正常功能的发挥。

（2）水库泄空排沙是可行的，并且也是水库有效减少淤积的最实用、最经济的方式，效率也是最高的。

（3）如果在现状条件下利用底孔排沙，虽然在理想状况下也能达到200万m3左右的排沙量，但由于底孔泄量有限，如遇稍大的洪水过程则会形成坝前雍水，达不到排沙的效果，在现有的预测、预报条件下很难把控排沙的时机。

（4）如果按照改造泄洪洞方案计算，泄洪洞底砍高程降至560 m则能够通过较大的流量，在排沙期入库流量稍大或出现小的洪水时，不至于坝前水位快速升高，使得排沙期充分利用比较大的流量，提高排沙效果，一次泄空排沙量超过400万m3，效果比较理想。同时排沙期选在来水偏丰的9月中下旬也有利于水库的回蓄，不影响下一个年度的灌溉供水。

（5）为了石门水库能够有效的恢复库容，发挥应有的综合效益，应尽快实施泄洪洞改造工程，排泄已经淤积的有效库容，延长水库的使用寿命。