卡拉贝利枢纽工程上游水库泥沙淤积特征研究

陶 晨

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

泥沙作为水利工程建设与运营中不可忽视的重要介质，其悬浮特性、淤积特点均会影响水利工程的长久运营稳定性，为此，开展泥沙淤积影响研究、水沙演化特征研究对推动水利工程运营指导具有重要价值[1-3]。一些专家与学者根据物理模型试验理论，设计有水利大坝、溢洪道等多类型水利工程的原型[4-6]，配备以相应的实际工况分析，讨论模型试验下水利设施的水力特征、渗流场演化特征等，为工程实际设计提供重要试验参数。当然水沙演化作为一种二相体，基于水动力学分析理论建立水力模型，施加工况边界约束荷载，研究模型在不同水位工况条件下的渗流或应力变形特征，为工程安全运营研究提供重要计算支撑[7-9]。不论是水动力学模拟计算，或是物理模型试验，一定程度上均是对理论中水利工程模型开展研究，而实际上工程环境较为复杂，渗流或水沙演化特征均有较大出入，因而朱文祥等[10]、王文山[11]、曹贯中等[12]在已建工程中安装相关监测设备，研究工程水位、渗透参数等演变规律，为工程设计提供实际原位数据参考。本文根据卡拉贝利枢纽工程上游水库运营与洪水位，对不同工况下的泥沙淤积演化特征分析，为卡拉贝利枢纽工程上游水库蓄水、防洪等运营提供重要参考。

1 工程分析

1.1 工程介绍

卡拉贝利枢纽工程乃是区域内重要水利设施，其控制流域面积13700km2，运营水位年平均径流量21.687亿m3，上游水库总库容262亿m3，对地区防洪调度、农田灌溉及市区防洪标准提升，均具有重要作用。水文资料监测表明卡拉贝利枢纽工程过流最大洪峰流量为2220m3/s，平均含沙量为7.58kg/m3，运营年监测悬浮质泥沙量为75.5万t，年均泥沙输送量达1585万t。卡拉贝利枢纽工程上游水库乃是蓄水发电、灌溉、防洪等重要来源，其设计防洪水位高程为1767.7m，最大防洪库容为7200万m3，另有灌溉用水储蓄库容8000万m3，死水位为1762m，确保地区用水安全及水文稳定性。

由于卡拉贝利枢纽工程乃是泥沙含量较高的水利设施，上游水库泥沙淤积严重将导致蓄水能力降低，减少库容，目前，工程设计部门考虑对卡拉贝利上游水库在多维度工况下泥沙淤积影响性开展模拟分析，为该工程运营及水沙调节控制提供重要预判参考。

1.2 MIKE建模分析

本文采用MIKE水动力学模拟平台进行后期处理计算[13-14]，前期模型建立主要采用GIS进行卡拉贝利枢纽工程地形绘制，后在MIKE计算平台中进行计算单元网格划分，共获得网格单元48252个，节点数25864个，所建立的上游水库模型如图1所示。

图1 上游水库模型

根据上游水库工况状态，设计水位初始流速为0，按照水库上、下游断面水位与流量控制确定边界条件，卡拉贝利枢纽工程拦水大坝及堤防大坝作为多项约束边界，流速设置为0，MIKE水动力学求解计算所涉及的糙率重要参数按照模型率定方法求解，在图1计算模型中划分出监测断面，以监测数据与计算数据展开率定对比。

本次模型率定采用2种工况对比计算，分别为水库枯水位与丰水位工况，2个水位上游流量分别设定为950、1680m3/s，根据模型计算结果获得2种工况下各断面处水位线特征，如图2所示。

图2 2种工况各断面处水位线特征

从图2中可看出，上游水库枯水位工况中，根据设定糙率0.022计算出各断面水位分布为1759.6～1762.53m，其中以断面X1为最高水位，达1762.53m，相比实测水位增大了0.03m；实测各断面水位分布范围为1759.6～1762.5m，其中误差最大的为X2断面，误差值为0.04m，满足模型试验要求。丰水位工况中计算水位最大为1766.56m，随上游至下游水位递减，最大降低幅度为0.09%，误差分布为0.01～0.05m，最大误差亦满足模型计算要求，故所设定糙率满足要求。

另根据设定糙率计算特征断面流速，本文以断面X3为例，该断面上轴线距离上计算流速与实测流速变化关系如图3所示。

图3 断面轴距上计算流速与实测流速关系

不论是计算值亦或是实测值，均表明X3断面上横轴线流速均为“倒V”型，其中流速最大均指向距离1465.3m处；流速实测值与计算值误差不超过0.4m/s，流速曲线形态及量值均可体现计算模型所选糙率合理性。

2 运营年工况水库泥沙淤积模拟分析

2.1 库床高程变化

运营年工况主要根据上游水库在已运营期间内水位、流量变化进行设计的工况，该工况中最大水位为1752m，依据工况条件计算出X2断面上各距离的库床高程变化特征，如图4所示，断面距离起点为水库左岸。从图4可看出，X2断面上高程在泥沙淤积前为“U”型，中部库床高程基本均稳定在1753.5m左右，而近库岸边高程较大，表明上游水库整体水位以中部为最大，两岸边库床较高，水位较低，最大高程为1765.37m。当运营至6a时，X2断面整体上仍具有“U”型高程曲线，但在断面1375.5～3300m区段中高程稳定性出现波动，无淤积前稳定性好，此此主要为受岸边泥沙淤积影响，逐步由两岸边向库中部靠拢发展，导致中部出现局部泥沙淤积，高程出现波动，在运营6a中，泥沙淤积厚度最大为0.64m，位于断面1780m，断面上总体泥沙淤积厚度为0.5～0.6m左右。当上游水库运营至第12年，此时X2断面上库床高程曲线仍然保持一定程度上的“U”型特征，但在断面中部处高程波动相比运营6a时更为波动，运营6a时断面距离2000m与距离500m间高程差距为7.67m，而在运营12a时两者为7.35m；运营12a后水库泥沙预计最大厚度相比6a时增大了2.68倍，达2.32m，总体淤积厚度亦增长为1.1～2.3m，淤积厚度最显著区域位于断面1300～2700m。当水库运营至第25年时，X2断面上水位曲线已由“U”型转变为“V”型特征，在中部区域水位无稳定性，泥沙淤积在整个断面上均产生较大影响，25a运营下泥沙淤积厚度最大为4.34m，位于断面距离1128m处，断面各个距离点均有较显著泥沙淤积，厚度分布为2～4.3m。经计算泥沙完全淤积后，其高程曲线与运营25a有所接近，均为“V”型特征，泥沙淤积最大厚度基本接近，但厚度分布范围有所扩大，为2.2～4.5m，主要为断面右库岸出现较大泥沙淤积影响。综上笔者分析认为，在上游水库多年泥沙淤积影响下，卡拉贝利枢纽工程上游水库水位会受到泥沙淤积显著影响，随运营年份延长，其淤积影响逐步从两库岸延伸至中部，最终导致水库库床高程曲线发生较大改变[15-16]。

图4 X2断面上各距离的库床高程变化特征

2.2 流速特征

根据对长运营年水位工况下水库断面上流速特征开展计算，获得水库泥沙淤积前、后流速变化曲线，如图5所示。

图5 断面上各距离的流速变化特征

从图5中可看出，无论是淤积前亦或是淤积后，断面上流速特征均为“倒U”型变化特征，最大流速均出现在断面1950mm处，淤积前达1.12m/s，而在靠近库岸边流速较小，在断面325m处流速为0.04m/s，而断面中部1300、2000m处流速相比前者分别提高了17.9倍、27.2倍。淤积前，流速为0出现在断面距离192与3300m处，而在淤积后0流速往库中心靠拢，分别位于390、3100m处，表明上游水库岸边泥沙淤积影响下，水库渗流活动面积均减小，降低了水库蓄水库容量。另一方面，泥沙淤积后断面上最大流速相比淤积前增大了40.9%，水库渗流活跃性加强，此会影响下游输水灌渠流量控制，甚至造成水流紊乱等现象。从流速变化特征综合分析可知，泥沙淤积会缩减0流速出现范围，库容受此减少，卡拉贝利枢纽工程应在运营过程中增设相应的排沙设施，减小泥沙悬浮、淤积对水库功能影响。

3 设计洪水位工况水库泥沙淤积模拟分析

3.1 库床高程特征

设计洪水位工况根据卡拉贝利枢纽工程上游水库洪水位1767.7m开展计算，获得该水位下不同周期内断面各距离的高程曲线，如图6所示。根据图中高程曲线可知，库床高程均低于运营工况下，淤积前高程曲线亦为“U”型特征，稳定区段内高程相比运营工况下降低了10.12m，洪水位工况下泥沙淤积变大，对库床冲蚀作用加大，故淤积前稳定段高程低于运营工况。在水库运营第6年时高程曲线已为“V”型特征，断面距离500～200m稳定段波动幅度较大，该区段内高程变幅达1.1m，此与泥沙淤积在断面不同距离处影响有关，最大淤积厚度位于断面距离765m处，达1.87m，运营6a时泥沙淤积厚度分布为0.4～1.87m，远高于运营工况下。当运营为第12年时，由于是高水位工况下运营，其高程曲线呈显著“V”型特征，高水位一方面可提升水利冲蚀效应，但与之同时长久工况下的泥沙悬浮沉降影响不得不考虑，当达到一定界限后，泥沙在库床上淤积显著，最大淤积厚度达3.11m，且断面上各距离处均已出现一定程度淤积。在水库运营第25年时，库床高程曲线已完全为“V”型特征，断面各距离处均有泥沙淤积，最厚处为断面距离700m，达3.47m，水库整体淤积厚度分布为0.5～3.5m左右，此厚度区间基本与淤积后接近。在泥沙淤积后，库床高程曲线基本与运营25a时为一致，仅改变了泥沙淤积最大厚度，增幅仅为0.05m，达3.52m，表明洪水位工况下，泥沙淤积完全有所提前，卡拉贝利枢纽工程上游水库泥沙悬浮沉降作用超过库床冲刷作用。

图6 洪水位工况断面各距离库床高程曲线

3.2 流速特征

根据洪水位工况泥沙淤积前、后水力特征计算，获得上游水库在断面轴向距离上的流速变化特征，如图7所示。从图中可看出，洪水位工况下高流速集中在断面中部区域，且稳定性较佳，最大流速位于断面距离1765.5m处持续较为稳定，达3.53m/s，在库右岸流速较小，最低流速亦位于右库岸，整体符合上游水库流速从中部向两库岸逐步扩散减小的趋势。泥沙淤积后，整体流速在中部有所增大，且0流速分布范围在左库岸相比淤积前缩短了145.5m，淤积影响主要影响库岸边0流速与中部大流速分布区段，最大流速可达3.94m/s。分析认为，洪水位工况淤积后0流速出现的距离点更靠近库中部，库容量被缩减、水流渗流活动区域均比运营工况要更显著。

图7 洪水位工况断面上各距离的流速变化特征

4 结论

本文主要获得以下结论。

(1)模型率定验证枯水位、丰水位工况中水位线高程最大误差分别为0.04、0.05m，断面误差分布分别为0.01～0.05m；断面上横轴线流速均为“倒V”型，其中流速最大均指向距离1465.3m处；流速实测值与计算值误差不超过0.4m/s，模型糙率满足要求。

(2)运营工况中库床高程由“U”型特征曲线逐渐演变为“V”型，运营6、12a最大淤积厚度分别为0.64、2.32m，运营25a淤积曲线与淤积后曲线基本接近；洪水位工况高程曲线演变特征与运营水位工况一致，但泥沙淤积影响更为提前，库容量缩减更为显著，运营第6、12年最大淤积厚度分别为1.87、3.11m。

(3)淤积前、后，运营水位工况断面流速曲线为“倒U”型特征，泥沙淤积后断面最大流速相比淤积前增大了40.9%，淤积后0流速分布范围缩减；洪水位下流速呈从库中部向库岸扩散减小特征，淤积后最大流速达3.94m/s，洪水位工况下淤积影响更为显著。