《大凌河白石水库淤积分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大凌河白石水库淤积分析.docx（12页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、大凌河白石水库淤积分析简介： 本文介绍了大凌河白石水库泥沙设计中,排沙运用方式、死水位及底孔泄流规模的确定原那么及方法,采用2种数模计算和物理模型比拟的库区淤积量及库容变化过程.对库区纵、横向淤积形态,坝前区冲刷漏斗形态、尺寸及干、支流三角洲的关系进行了分析研究.关键字：排沙运用方式淤积年限库沙比拦沙率淤积形态冲刷漏斗1工程概况及水沙特性白石水库图1位于辽宁省北票市上园乡附近的大凌河干流上.水库限制流域面积17649kn2,占大凌河流域面积23263kn2的76%总库容16.45亿m3,是以 防洪、.灌溉和城市供水为主,兼顾发电的限制性骨干工程.库区主要由大凌河干 流及 NFDA2牛河支流组成
2、,NFDA2牛河库容占总库容的9.5%.白石水库为碾压混凝土重力坝,最大坝高 50.3m,坝长513m为有利于泄洪排沙,设置 12个排沙底孔,尺寸为4X7m宽X高,底坎高程96m另设11孔溢洪道,每 孔宽12m堰顶高程115m底孔、溢洪道的泄量及各特征水位下库容见表1.图1h石水库平面图据大凌河站19551992年实测资料统计,多年平均水量11.85亿吊,输沙 量2143.43万t,悬沙d50=0.0204mm输沙量年际间变化较大,1962年输沙量为 10695.71万t , 1992年输沙量210.62万t ,两者相差50.8倍.输沙量在年内的 分配极不均匀,沙量主要集中在汛期,69月的输沙
3、量占全年总量的96.7%,而 同期水量仅占66.7%.其中7、8两月是洪峰多发期,该两月输沙量占全年沙量 的81.2%.而一次洪水的沙量又往往占很大比重,如1962年7月25日29日一次洪水的输沙量竟达7812.2万t ,占该年输沙量的73%大凌河来沙的另一特点 是支流耗牛河流域面积只有,4317km2,仅占水库限制面积的24.5%,但来沙量却 占入库泥沙的54.2%,因此,支流耗牛河的来沙尤其应得到重视.表1泄水建筑物尺寸、泄量及库容表.3I小孔数及进口尺死水位 堰顶高程各水位下的流量m/s名称108m115m防限水位正常高水 位设计洪水 位最高洪水 位125.6m127m132.27m13
4、3.88m底孔 12.4 X7m2694/38825187533558876013溢洪% 11.12 X 15.8m道m00836099001760020613各水位下的库容/亿m1.33.088.910.014.7716.452,排沙运用方式多沙河流水库泥沙调度运用方式,一般从两方面来论证确定：1从水库寿命,即淤积年限应不短于主要挡水建筑物 大坝的设计基准期, 要求采取适当的排沙运用方式.2从水库任务出发,为要保证设计水平年的水库效益和调节水量,通过选择合理的排沙运用方式,提升水库排沙比以保持一定的调节库容.水利水电工程主要水工结构设计基准期, 标准规定为10050年,大型水库 工程应取10
5、0年.以兴利为主要目的的综合利用水库, 淤积年限应视为正常蓄水 位以下库容V全部淤满的时间T.多年平均入库沙量 Ws以体积计及平均拦沙率B 3定,那么有T=100 - V/ B - Ws=100 - V/100-4Ws=100K/100-4其中K=V/Ws为库沙比,% %;平均排沙比.水库平均排沙比与其运用方式有关,文献3统计国内55座水库实测泥沙资料本文增添闹德海水库资料,并 点绘库沙比K淤积年限T关系图2,以B %乍参证数,可以得到不同运用方式 的平均拦沙率B %平均排沙比4围：i .蓄洪拦沙水库B =100%4=0;/ii .汛期降低水位运行水库B =5070%q=3050%;/iii
6、.先蓄洪后改为蓄清排浑水库B =25%4=75%;iv .蓄清排浑及敞泄自由滞洪水库B =10%4=90%;母眇hw ttrfT群冲俅丽肇7r iwo图2库沙比K淤积年限T关系图白石水库正常蓄水位127.0m以下库容10亿吊,干、支流多年平均入库沙量 1746.7万m3,上游修阎王鼻子水库后减为1400.2万m3.淤积年限按100年计, 考虑到阎库库容小1.97亿m3,经假设干年到达冲淤平衡后,拦沙率B =0,白石 入库沙量将恢复天然状况,故取修库后折中的1574万m3为白石平均入库沙量,那么按上式即可反算平均排沙比为 36%参考国内其他水库经验,白石水库可以采 用汛期降低库水位排沙的运行方式
7、.另外,白石水库泥沙设计水平年采用 30年,即以30年淤积水平来确定水库 工程规模和效益.经初步水利计算,白石水库 30年淤积后必须还保持7亿吊左 右正常库容,才能调节将近5亿m3水量,满足设计的工农业用水要求.换言之, 水库正常蓄水位以下30年淤积量应限制在3亿m3左右.19551992年的38年 系列中,前30年的入库沙量为4.98亿吊.故排沙比应限制在3540%设定几 种汛期排沙方案进行试算后,确定运用方式为：以蓄洪为主,遇20年一遇洪峰 流量10700mVs以上洪水时,降低库水位至死水位 108.0m集中排沙大致为30 年内有3次八凡20年一遇以下的中、小洪水那么蓄洪运用,并利用弃水适
8、时翻开 底孔排泄异重流泥沙.根据运用方式在汛期洪水过程中降低水位排沙的1962、1963、1969年的排沙情况详见表2.三年沙峰期排沙量达1.092亿t,排沙比高达70.5%.即使按 年量统计,排沙比亦为65.7%,说明利用大洪水过程,多来多排,效果十清楚显, 如果前期淤积较多,本次又提前预泄,水位降得快,降得低,那么排沙期的冲沙效 果好,像1969年汛期,排沙比大于100%否那么效果差.模型试验曾测取 1962 年7月22日8月5日整个洪水过程的进、出库含沙量,发现当库水位降至 112.86m时,出、入库含沙量之比S出/S入到达100%冉P1至108m寸,含沙 量比上升至200犯上.另外,库
9、区淤积开展到后期再遇相同洪水,其排沙比普 遍高于建库初期.表2大洪水年集中排沙效果对照表19621963/ 1969三年合计排沙期全年排沙期全年排沙期全年排沙期全年入库沙量亿t0.8811.1680.4820.5860.1850.3311.5482.085出库沙量亿t0.6680.8720.1930.2100.2310.2881.0921.370淤积量亿t0.2130.2960.2890.376-0.0460.0430.4560.715排沙比%75.874.740.035.8124.987.070.565.7底孔泄流规模是排沙运用方式得以实施的重要条件.白石水库迳流资源量不大,要满足供水任务,
10、非蓄洪不可,大凌河沙多,又不得不排.为减少对供水的 影响,必须利用大洪水集中高强度排沙, 底孔的大小和位置便成为关键.白石水 库底孔底板高程96m高于河床2m,其泄流规模经过计算和模型试验方案比拟确 定,为12孔4X7m死水位108m下泄量到达3年一遇的2694nVs,最大泄量 6013nVs.排沙运用规定20年一遇以上洪水须降低库水位集中排沙,并利用预报,提 前预泄,容易和下游防洪产生矛盾,由于水库就是要将下游防洪标准由20年一遇提升到50年一遇,锦县断面组合流量必须小于平安泄量11900m/s,.不考虑排沙的洪水调节,防限水位125.6m起调,全开12孔底孔,当库水位上升到126.9m 时
11、,底孔关闭6孔,持续5.6h后再全开泄洪,这是与下游区间洪水错峰；考虑 排沙情况,水库由防限水位125.6m泄到死水位108.0m的时间,必须安排在区间 洪峰之前,最好在入库洪峰之前泄空,然后再错峰壅水和敞排.如区间洪峰和入 库洪峰遭遇,关闸时正好把洪峰拦在库内,这是最不利情况,那么需降水冲刷后再 延长开闸时间,直到取得一定排沙效果为止.一般情况下,根据以往资料分析入 库洪峰很少和下游区间洪峰相碰,所以矛盾不是很大.30lEKUr 1500 2W Mtw FOKI0M0 iSi WM时人.同熊能憎图3十站平均日雨量 P日一入库洪峰流量Qm关系图要处理好排沙和 兴利、防洪的矛盾,很 大程度上依赖
12、对上、下 游洪峰的预报,建立水 情自动测报系统.大凌 河流域多局部暴雨,给 洪水预报带来困难,如 暴雨中央在中游,干支 流、上下游的洪峰峰现 时间会很接近,故不便 用上游站洪峰来预报. 按暴雨中央位置分区, 用10处雨量站求取前期平均日雨量,点绘洪 峰和流域降雨的关系, 如图3所示.当上游10 处雨量站前期平均日 累积雨量到达80mmz 上,且当朝阳、大凌河 限制面积较大的两 站平均日累积雨量也 到达80mm寸,大凌河 站即有可能发生 10000nVs洪峰,实测 38年系列中唯有1962 年、1963年和1969年 属此情况,这只是粗略 的预报方法,仅供排沙 使用,今后在实践中可 以逐步完善.
13、3淤积量及库容变化3.1 计算方法采用张启舜等编制的?河流与水库泥沙冲淤过程计算数学模型?,把白石水 库连同上游97km的阎王鼻子水库一起计算,并采用杨国录?SUSBED-2数学模 型复算,同时委托水科院泥沙所进行“白石库区整体模型及坝前区局部模型试 验.资料采用实测19551992年共38年水、沙系列,按此系列周而复始计算 100年.其中1962、1963、1969年洪峰流量超过10700舟$ ,根据运用方式要求 进行降低水位排沙.3.2 淤积开展过程/由表3可见,三种方法成果很接近,反映的淤积开展过程趋势是一致的,30 年后,随着水库淤积向坝前开展,水库排沙比逐年增加,到/100年时,平均
14、排沙 比可达44.752.5%,而100年中的后50年,排沙比已经到达55.7%张启舜模 型68.8%模试.前15年排沙比拟大,这是由于其中有 3个大水年进行降低 水位冲沙的结果,即使如此,前15年的淤积量仍到达3.41亿t,是100年总淤 积量的30%相当于后50年的淤积量,也可看出水库淤积强度初期大,后期逐 渐减少的规律.计算及试验的排沙比和国内已成水库中采用汛期降低水位排沙运 用方式的碧口、龚咀、石泉等很相似.表3计算和模型试验淤积量成果比照表排沙比淤积量亿t15年30年/50年100年 15年30年50年100年张启舜法杨国录37.133.037.044.73.414.417.5211
15、.20法44.041.242.9544.923.184.087.1311.76模型试 验37.032.841.152.53.494.497.129.77表4正常蓄水位127m以下库容变化表时段年库容亿m3原始库容损失率%平均年损失率%剩余库容损失库容010.00-157.8462.15421.51.40-307.0992.90129.00.9731 505.5701.52915.30.7651 1004.0121.55815.60.310-1004.0125.98859.90.603.3 库容各时段变化/正常蓄水位127m以下库容各时段变化情况如表4.由表4可见,建库初期 库容年损失率大,之后
16、逐渐减缓,后 50年内仅为0.31%,多年平均库容年损失 率为0.6%.计算结果说明100年时水库远未到达冲淤平衡,尚有4.0亿m3库容, 只要维持大洪水年排沙的运用方式,水库寿命可达150年左右.前30年库容损失29% 127m以下剩余库容7.1亿品,根本满足兴利调节之需,至U 50年以后, 库容减少至5.57亿m,应考虑替代水源工程或改变运用方式,增加高强度排沙 次数来恢复有效库容,水科院模型试验结果及2种数模计算结果列于表5.表5计算和模型试验库容比拟表110m下库容亿m33127m下库谷亿m15年30年50年100年15年30年50年100年张启舜法1.2701.0040.5030.1
17、927.8467.0995.5704.012杨国录法1.0640.9160.4640.0077.6797.0815.2932.905模型试验1.2831.0080.4850.1817.6767.0355.3783.999由表5可见,张启舜数模和模型试验结果比拟接近,库容最大偏差为3.4%.杨国录数模和张数模相比,前50年总库容相差不大,最大偏差不到5%但到100 年时,两者偏差到达27.6%,主要原因是计算方法和模拟图形不同,杨国录数模 是水动力学法,当后段到达根本平衡时,泥沙那么不断推向坝前,坝前淤积量大, 图形为锥体淤积；张启舜数模是不平衡输沙计算,图形为三角洲淤积,保持有前 坡段,坝前区
18、不容易淤满.白石水库以蓄洪为主,坝前水位变幅不大,且模型试 验结果说明,库区淤积形态为三角洲淤积,故采用张启舜法成果较为适宜.4淤积形态4.1 淤积纵剖面计算及模型试验所得30年、100年干、支流淤积纵剖面如图4.三种成果中, 张启舜数模与模型试验结果相近,杨国录数模有差异,其一在坝前,张启舜数模 计算100年平均河底高程107.3m,低于死水位,杨法100年滩面高程到达118.7m, 高于堰顶高程115m这是由于两种模型的物理图形不同的缘故；其二在支流耗 牛河入汇处,由于杨国录数模未作支流泥沙向干流上游倒灌处理,在口门下干流形成“二道堰,BIO断面高程124.6m,其上游形成很陡的反坡,B1
19、3断面高程 116.5m.模型试验淤积纵向形态为三角洲形,随着淤积开展,顶点不断向坝前推进. 支流耗牛河来沙量是干流来沙量的1.69倍,支流库容远小于干流且河道比降陡, 所以支流三角洲开始15年顶点就已在M3断面,距河口 3km,其前坡脚进入4km 宽的干流库区距坝址仅13km,形成扇形淤积,在向下游开展的同时,还会向 干流上游倒灌.由于干流来水量是支流的1.8倍,含沙量又小于支流,其水流挟 沙水平足以输送支流进来的泥沙,一般情况下不会形成支流三角洲阻断干流的“二道堰局面.除非整个库区已接近冲淤平衡,又遇到支流丰水丰沙,干流枯 水的情况,支流泥沙才会阻断干流滩面再造床形成的主槽,而且当干流来水
20、转丰时会再度冲开.图4白石水库淤积纵剖面比拟表6淤积三角洲形态特征值表大凌河干流库段牛河支流库段15年30年50年100年15年30年50年100年洲顶比降0.680.650.580.540.850.780.690.59比升上顶坡 其中：段0.590.520.510.49降尾部段0.910.850.720.64%0三角洲前坡比 降2.202.282.292.451.491.521.982.35天然河道比降0.9821.7前所在断面B6B4B1B1B12B12B12B12坡距坝里程(km)5.682.730013.5413.5413.5413.54脚淤积高程m100.0797.6096.7710
21、3.9115.98118.13120.42123.95顶 点所在断面B11B10B9B7M3M2M1M2M1距坝里程km12.1210.679.246.7018.5116.7616.1515.54淤积高程m114.25115.68117.90120.35123.41123.01125.60128.65末 端所在断面B29B32B33B36M11M11M12M12距坝里程km39.4244.5045.4150.0528.7428.7430.2430.24淤积高程m132.9137.50138.8143.8132.15132.31135.73137.29综合计算和模型试验观测结果,库区纵向淤积三角
22、洲形态的特征值列于表 6.随着库区淤积开展,洲顶比降逐渐变缓,干流天然河道为0.982%,淤积15 年后为0.68%, 100年后减缓至0.54%;支流原始河床比降为1.7%,淤积15 年后为0.85 %0, 100年后减缓至0.59 %.三角洲顶点位置由开始时的耗牛河口下B11,逐渐移到距坝仅6.7km的B7 断面.顶点处淤积高程已达120.35m,三角洲洲顶又可分为顶坡段和尾部段,分 界点开始在B 2 6距坝35.72km,后移至B2331.70km处,顶坡段水流接近饱 和,床沙组成变化不大,再造床主槽中水流接近均匀流,所以比降较缓,100年时为0.49%;而尾部段水流流态接近天然河道,淤
23、积比降陡于顶坡段,100年时到达0.64 %.水库淤积末端位置大凌河干流在距坝 39.450.0km的B29B36 断面.支流耗牛河的淤积末端位于 M11距坝28.74kmM1230.24km,淤积高 程132.15137.29m,可以看出支流比降陡,淤积上延范围就小.三角洲前坡脚位置,大凌河干流初时在B 6距坝5.68km, 50年以后已到达 坝前小模型试验B1断面平均河底高程100年时已到达103.9m计算值为107.3m 和118.7m,前坡段比降大致在2.28%左右.支流耗牛河三角洲顶点在 M3M1 之间,实际已靠近支流河口,其前坡伸展到干流库段中,受到干流洪水冲刷,挟 带到下游,所以
24、支流前坡不是一个完整的前坡段,30年以前干、支流前坡位置靠近,形成复合型前坡；30年后,随着干流三角洲向坝前推进,支流三角洲进 入干流又不可能拦住整个4km宽的主流断面,遂被干流来水夷平,在掺入干流三 角洲的同时,塑造了支流类似于冲积扇形态的头部位置比拟固定的前坡段,其前坡比降和天然状态下支流冲积扇前坡比降接近,大致是1.99%左右.库区淤积使河床质变细, 天然河道ck.=0.1620.245mm库尾为0.31mm水 下边滩悬移质淤积物d5.=0.040.08mm模型测到建库46年后的库尾B30 B37距坝4051km淤沙级配为0.0580.062mm坝前B2B14距坝16km淤沙 级配0.0
25、130.022mm由于泥沙分厌果沿程越来越细,粒径小于分界粒径 0.015mm以下的泥沙,为异重流带到坝前区的冲泻质淤积物.4.2 横断面淤积形态模型试验结果,B30以上的库尾段,根本保持原河道形态,主槽、滩地均匀 淤积；B30往下逐渐主槽淤得多,成水平淤积,金岭寺铁桥B20(26.3km)以下,/ /遮14.1滩面有再造床的主槽,宽200m 712m河相系数耳.主槽最深处为6m位于B13断面右侧.同时水流分汉,中间另有 500m宽浅槽,到B 5 断面主槽变宽浅,平均深12m,宽却有8001000m河相系数=24.以B1断面 为代表的坝前段那么平淤无主槽.支流耗牛河M4断面平淤后冲出1200m
26、宽,23m 深主槽,到河口 M1断面平淤有800m宽,不到1m深主槽. 4.3 坝址深水底孔前的淤积形态在底孔关闭期间,坝前根本上是平淤,而且底孔所在的右侧高于左侧12m底孔闸门开启,即出现梯形冲刷漏斗,上口宽,下底窄.流量大、开启孔数 多那么漏斗尺寸大.2000nVs以下中小流量,开24孔闸门,漏斗底宽3075m, 底高程94.095.0m,低于底槛96.0m高程,两侧边坡0.130.23,纵向延伸小 于100m大流量泄流时,开孔部位发生冲刷,漏斗底宽 110m左右,但两侧滩地 均发生淤积,冲刷漏斗横向坡度变化较大,从0.120.19,平均0.16, 一般流量 大,横比降那么缓,横向可见两级
27、比降,下陡上缓.冲刷漏斗纵向坡度约为0.1左右05结论1 .在多沙河流水库的泥沙处理举措中,除了要设置一定规模的泄流排沙建筑 物外,采取合理的运用方式是十分重要的. 试验和计算成果均说明：二十年一遇 10000m3/s以上大洪水,降低库水位排沙,效果是十清楚显的,特别是运用到 40年以后,能使有效库容得到较好的恢复./2 .根据推荐的上述运用方式进行水库调度,那么白石水库的淤积平衡年限大于 100年,而且一旦库容淤损严重还可以通过增加降低库水位排沙的次数来恢复有 效库容.3 .多沙河流水库的泥沙调度运用方式,必须从水库主要任务出发,并且协调防洪、兴利和排沙之间的矛盾.假设是兴利为主水库,考虑远、近期结合,既要有 100年以上的寿命(大库),保存一定的远景有效库容,也要照顾近期、中期设计 水平年的兴利效益,那么泥沙采用多年调节方式,选择一个适合的“排沙比及与 之相应的排沙运用方式；假设是防洪为主水库,要协调上、下游矛盾,既要有抗御 一定标准洪水的水平,保证下游平安,甚至为下游河道减淤改善行洪条件预留一局部库容；也要根据库容损失的规律,创造条件尽量防止库容损失,采用泥沙年 调节的方式,到达长期保持有效库容的目的.4 .白石水库正在施工,1999年汛后落闸蓄水.如能增强工程的各项水文、泥沙观测,那么可藉以指导工程的实际运用.