干清支浑型水库泥沙淤积形态和运动规律研究

周 勤，何长青，米家杉，张春泽

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400041；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610056)

天然河流中广泛存在主支流交汇现象。河流交汇处，由于河相关系发生改变，干支流原有水沙平衡被打破。在汇流掺混范围内，强烈的水流紊动造成动能损失，水体携带的泥沙颗粒(尤其推移质)将在汇口附近淤积，形成拦门沙坝或河口滩[1]，可能引起河道上游水位壅高、堤防溃决等问题，一直被水利工程、航道工程、水环境工程等领域广泛关注[2-3]。

现有相关研究可根据水流挟沙方式不同大体分为两类：其一为交汇区悬移质运动引起的宏观淤积，如王小艳[4-5]研究了渭河口门形成拦门沙倒灌黄河，探讨其形成及消失条件，刘建新[6]通过原型观测和模型试验研究嘉陵江与长江汇口处的输沙与冲淤特性。其二为推移质输沙为主的沙质或砾石河流交汇区河床形态研究，如Best[7]通过天然小河观测与模型试验研究沙质河床交汇区泥沙推移和床面形态，提出交汇区床面形态要素，建立床面形态与交汇角、汇流比的关系，付敏中[8]通过模型试验研究不同交汇角情况下，弯道干支流交汇后的推移质运动特性及床面形态变化特征，认为交汇面附近推移质输沙率将增大，易冲刷形成深槽。

洪水的短历时与突发性，使得原型观测十分困难，很大程度上限制了对汇口上下游泥沙运动的相关研究。由于模型试验可以弥补原观资料带来的限制，目前已成为研究此类问题的重要手段。本文将通过模型试验研究一种特殊的干清支浑的近坝支流入汇问题，即支流含沙量大，干流则基本为清水的干清支浑入汇问题。在枢纽运行后，汇口水流条件将发生显著改变，并且随着库区的淤积不断发生变化[9]。深入研究其泥沙运动规律和淤积形态分布对下游枢纽的安全经济运行有着重要意义。

1 工程概况

本文主要研究对象为雅砻江支流安宁河入汇口至其下游的桐子林水电站之间河段。桐子林水电站位于雅砻江下游段，枯期正常蓄水位为1 015 m，汛期运行水位为1 012 m，电站坝址上游约2.5 km处为65°急弯，支流安宁河从弯顶汇入，与汇口下游干流夹角约140°。桐子林水电站上游约18 km处已建的二滩水电站将雅砻江全部推移质拦截在库内，悬移质出库沙量明显减小变细，因此支流安宁河为主要沙源。

2 模型试验设计

2.1 模型比尺

模型选用几何比尺1∶100正态模型，模型试验范围包含安宁河湾滩水电站至河口约10 km，雅砻江安宁河河口上游1 km至桐子林电站下游1 km。模型沙为轻质荣昌精煤，其容重为13.3×103N/m3。根据模型相似定律与水槽试验确定模型比尺，其中，平面及垂直比尺为100；水流方面，流速比尺为10，流量比尺为100 000，糙率比尺为2.15，水流运动时间比尺为10；悬移质方面，沉速比尺为10，粒径比尺为1.41～6.68，扬动流速比尺为8.73～10.54，含沙量比尺为0.398，冲淤时间比尺为73；推移质方面，粒径比尺为9.4，起动流速比尺为10，输沙率比尺为348；冲淤时间比尺为83。

2.2 试验方法

在数学模型计算所得的水库运行5年末淤积床面为基础，在河床上初步铺沙，然后施放造床流量Q=8 060 m3/s及对应悬移质和推移质进行造床，之后采用雅砻江、安宁河丰水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)为代表年的水沙系列，分别按悬移质含沙量及推移质输沙量加沙，进行系列年输沙循环试验。试验时来沙主要以安宁河为主。于雅砻江干流入口前设置大型沉沙池，确保干流接近清水，或仅含少量冲泄质。试验时上游流量、下游水位均自动控制，悬沙含沙量实时监测调整，推移质则在安宁河入口添加。

2.3 试验边界及概化

利用安宁河口上游约3 km处湾滩水文站丰水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)代表年来水来沙(悬沙)系列，按模型试验规程概化后开展洪-中-枯循环试验，共进行了20个系列年的输沙试验；入口推移质主要模拟其可动部分；下游水位根据水位流量关系插值；雅砻江桐子林及安宁河湾滩水电站闸门调度方式则参照设计或实际运行方式确定。

2.4 模型水面线验证

模型采用卵石按梅花形排列加糙方式调整糙率，经过初步糙率计算选取了20 mm左右的小卵石加糙，排列间距约20 cm，基本达到了与原型的阻力相似，水面线验证情况见图1。

图1 水面线验证

3 库区泥沙淤积规律

3.1 泥沙淤积量

不同试验年份下库区泥沙淤积量和淤积速率统计见表1。从表1可以看出，水库呈累积性淤积趋势，但淤积速率逐年减少，至第20年末水库淤积基本达到新平衡。

3.2 水库淤积形态

干流入库清水以及大量含沙的支流入库水流沿程不断地掺混，但由于支流入汇点距离大坝仅约2.5 km，直至坝址处清浑水的掺混仍不完全，因而该水库淤积形态较一般库区淤积形态明显不同。

3.2.1顺流向淤积形态

(1)入汇口。安宁河入汇口位于雅砻江急弯段弯顶处，雅砻江汇口上下游段与安宁河夹角分别约为65°与140°。受安宁河汇流作用，本该冲向河道左岸的主流向河心偏转，并在偏转区下游形成高速水流区，该区域自干流上游河心至汇口下游右岸，斜切整个汇口段(见图2)。高流速区右侧与右岸之间形成流速、压强及紊动强度均较低的分离区(即回流区)[10]。对于这种“Y”形的汇流口，水体撞击掺混会对干支流均产生顶托。虽然汇口处于枢纽库区内，但并不改变该段河道受复杂水沙条件所控制的淤积形态和粒径分布规律，反而加速了其形成过程。受主流水体挤压托抬影响，工程运行第5年末，支流河口附近最大淤积厚度达到13 m，拦门沙坝开始形成，淤积后的河床深泓高程约为1 004 m；运行第10年末，河口附近最大淤积厚度约15 m，沙坝坝高约6 m；运行第15年末，河口附近淤积厚度全面增至15 m，沙坝加高至8 m。汇口回流区水体动能较小，淤积趋势相对显著。工程运行第5、10、15年以及20年末，回流区淤积厚度分别为5～10、6～15、6～18 m和6～20 m，淤积后的深泓高程约982～990、982～990、982～992、986～992 m。高流速区水体挟沙力强，细颗粒泥沙不易落淤，因而该区域淤积形态和沙质组成明显不同。工程运行多年后，该区域积厚度最高仅为4 m，与周围河床高程差最大可达10 m，形成明显深槽，并沿水动力轴线呈带状分布，且床沙也主要为粗质颗粒。

表1 库区泥沙淤积量和淤积速率

注：3年淤积量中包含洪水造床后的淤积量，以下同．

图2 枢纽运行第15年末，交汇口淤积形态分布

图3 库区不同年份后泥沙淤积等值线

(2)支流安宁河。总体来说，安宁河纵剖面为带状淤积。水库运行第5年末，安宁河淤积范围为河口及以上2.3 km，淤积体上游段厚约2～5 m，深泓高程约1 004～1 006 m；汇口以上段，淤厚度自上至下不断增大，河口900 m以下最大淤积厚度普遍超过10 m；运行第10年末，淤积范围上延600 m至河口以上3 km，上段淤积厚度大致为1～4 m，淤积床面深泓高程1 004～1 008 m，中段淤积厚度大致在3～7 m，淤积床面深泓高程1 004～1 006 m；运行第15年末，淤积范围上溯至河口以上约3.4 km，上段淤积厚度2～4 m，淤积深泓高程1 006～1 008 m，中段淤积厚度4～8 m，淤积深泓高程约1 006 m；运行第20年末，安宁河内淤积范围及厚度变化不大，仅局部略有调整，表明其冲淤已达平衡状态。

(3)干流雅砻江。雅砻江干流库段随水库淤积的发展而河势逐渐趋直，河宽也逐渐趋于一致。水库运行第5、10、15、20年末，汇口至下游弯道淤积厚度大致在2～10、2～12、4～16、4～20 m，淤积后深泓高程约为992～994 m；弯道以下至坝上900 m一般淤积厚度分别为2～11、2～12、4～16、4～20 m，最大淤积厚度分别约20、23、26、26 m，淤积后的深泓高程约982～990、982～990、982～992、982～992 m。

3.2.2横断面淤积形态

图4 汇口以下(距坝2.4～1.6 km)部分横断面淤积分布

从泥沙淤积横向分布来看，运行多年后，安宁河库段河床普遍发生淤积，河口附近安宁河河底高程较雅砻江高约10～12 m，形成明显的拦门沙坝。雅砻江水库段则由于水库蓄水引起水动力轴线改变，使得原深槽部分呈现淤积态势，而凸岸边滩和缓流区则是常规的淤积区域，特别是支流入汇口以下河道左侧(支流入汇侧)边滩和缓流区淤积更为明显，水库运行20年末，左岸淤积为高边滩，宽度大致在80 m左右，淤积床面高度接近死水位1 012 m(见图4)。弯道以下河段左岸为凸岸，边滩淤积现象也较明显，淤积边滩最大宽度约160 m，而后随着泥沙掺混，淤积区明显偏左的现象才逐渐有所减弱。

3.3 推移质泥沙运动规律

桐子林水库推移质泥沙运动规律一方面遵循水库淤积的普遍规律，另一方面也有自身的特点。受二滩水库蓄沙在库的影响，干流几乎无推移质入库，库区推移质几乎全部来自安宁河。水库蓄水初期，推移质运动控制在支流安宁河内，以断面的形式向下输移，随着运行年限加长，推移质进入干流后将迅速在库区内输移。水库运行第10年末，推移质运动特别是粗颗粒泥沙运动仍集中在支流河口以上尚未进入干流库段，而水库运行第20年末，推移质开始出库。此外，支流推移质入库还与干支流水量比有关，当水量比较大(即支流水量相对较大时)时，推移质更易向下输运。

图5 水库运行20年末，枢纽坝前淤积地形

从推移质运动规律来看，在支流安宁河内，推移质呈断面整体向下输移模式，而在干流库段，且主要集中在推移质输沙带内向下输移，输沙带处于左侧滩槽交接区，宽约20 m(见图5)，这与左岸支流为主沙源也是密不可分的。

4 结论及建议

桐子林水电站蓄水后库区将发生累积性淤积，水库逐年淤积，河道逐渐向高滩深槽、顺直微弯方向发展，安宁河河口形成明显的沙坝，运行至第20年末基本达到新的平衡状态。库区淤积总量约为899.03万m3，其中，雅砻江库段淤积量约为740.26万m3，安宁河库段淤积总量约为158.77万m3，淤积范围主要集中在干流库段至支流安宁河总长近6 km的区域，淤积高程位于死水位1 012 m以下。

对推移质泥沙，其淤积洲头在电站运行第10年末至河口、第20年末开始出库，其在支流内呈全断面输移模式，在干流内则集中在20 m宽的输沙带内运动，该推移质输沙带位于河道左侧滩槽交界区域，这一现象与左岸支流为主要沙源密切相关，由于电站靠左侧布置，因此有粗沙过机风险，需要采取一定措施排沙以保证电站安全高效运行。