廟宮水庫泥沙淤積浸沒危害及對策

張淑秀，祁 偉

（水利部河北水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 工程概況

廟宮水庫位于河北省承德市，處于灤河水系伊遜河干流上，總庫容1.83億m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐。工程于1959年興建，1960年開始蓄水，控制流域面積2370km2，占伊遜河流域面積的35%。伊遜河流域地處燕山背風區(qū)，多年平均入庫懸移質(zhì)沙量460萬t，平均含沙量40kg/m3（與黃河陜縣站相當）；上游為土石山區(qū)，山區(qū)面積中的65%屬陡峻的山地，水土流失非常嚴重。年輸沙模數(shù)及最大含沙量均居灤河流域各河之首，其支流不澄河邊墻山站實測最大含沙量達905kg/m3，干流圍場站亦高達683kg/m3。年輸沙量90%以上發(fā)生在6～9月份，次暴雨洪水輸沙量有時可達年總量的60%～70%。輸沙量年際間變化相差懸殊，廟宮水庫年入庫最大沙量1360萬t（1959年），年入庫最小沙量61萬t（1981年），兩者相差22.3倍。

2 泥沙淤積造成的浸沒危害

2.1 水庫泥沙淤積情況

廟宮水庫自1960年開始蓄水，1986年一直采用攔洪蓄水運用方式，入庫泥沙的淤積率大多年份都在90%以上，使上游來沙絕大部分淤積在庫區(qū)內(nèi)。為了延緩水庫淤積的發(fā)展，1987年開始，廟宮水庫采用蓄清排渾、空庫迎汛的運用方式。根據(jù)1991年汛前測量結(jié)果，水庫泥沙淤積量達9468萬m3（包括庫區(qū)翹尾區(qū)域），總庫容減小了近50%，興利庫容由6800萬m3減少到2300萬m3。

水庫淤積形態(tài)為錐體狀，淤積厚度向下游沿程增大，到1998年最大壩前淤積深度達23m，壩前的淤積高程已達768.5m，庫區(qū)河道比降由建庫前的37.4%變緩為18%。

2.2 水庫淤積對上游村莊形成浸沒危害

隨著壩前淤積灘面的不斷抬高，淤積末端逐漸向上延伸，1979年水庫淤積量6929萬m3，壩前淤積高程765.2m，淤積末端距大壩8.6km，未發(fā)生翹尾巴；1986年水庫淤積量9156萬m3，壩前淤積高程767.55m，淤積末端距大壩11.5km，淤積上延系數(shù)1.3；1991年水庫淤積量9468萬m3，壩前淤積高程768.5m，淤積末端距大壩13.7km，淤積上延系數(shù)達1.55。1998年壩前淤積高程768.6m，淤積末端仍呈上延發(fā)展趨勢。

隨著淤積末端的上延，上游河床逐年抬高，距大壩9.6km的四合永公路橋處河床淤高已達3m多，使河床由原來的地面以下淤積到現(xiàn)在與兩岸地面持平，甚至高出兩岸耕地及村基高程，形成了地上懸河。根據(jù)1991年實測資料，四合永公路橋上游1.2km處的河床已淤高2m，成為地上河。在河道淤積之前，河谷較深，兩側(cè)地表水和地下水排入河漕。河床淤高以后，河道水面線抬高，兩側(cè)地下水向河漕排泄受阻，造成地表水、地下水排泄不暢，甚至出現(xiàn)河水補給地下水的現(xiàn)象，使兩側(cè)地下水位壅高，從而產(chǎn)生了浸沒危害，土地鹽漬化、沼澤化現(xiàn)象嚴重。

根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，四合永鎮(zhèn)的浸沒問題始于1985年，當時海岱溝門、合字村一些近河耕地發(fā)生鹽漬化，以后隨著河床逐年抬高，浸沒范圍逐年擴大，逐年嚴重，由開始耕地發(fā)生鹽漬化，到土地沼澤化，居民房基軟化，房屋發(fā)生不均勻沉陷，墻垣斷裂甚至倒塌。1991年經(jīng)調(diào)查四合永浸沒區(qū)總面積2.3km2，浸沒區(qū)內(nèi)約0.8km2耕地因鹽漬化，沼澤化使糧食減產(chǎn)，甚至無法耕種；數(shù)百間居民住房地面塌陷、墻體斷裂甚至倒塌。當?shù)氐娜罕娚a(chǎn)、生活受到影響，經(jīng)濟損失嚴重，并且形成了較嚴重的社會問題。

3 解決泥沙淤積及浸沒危害對策

3.1 改變水庫調(diào)度運用方式控制淤積

為了減緩泥沙淤積的速度，1987年開始，水庫汛期采用空庫排沙運用方式，每年在主汛期將泄洪洞閘門打開，利用上游入庫的天然徑流進行沖沙。

根據(jù)1987～1992年實測資料統(tǒng)計的歷年空庫排沙成果，在6a里共空庫排沙173d，出庫懸移質(zhì)沙量1767萬t，為同期入庫懸移質(zhì)沙量858.4萬t的2.1倍， 相當于6a總?cè)霂鞈乙瀑|(zhì)沙量1973.2萬t的90%。 空庫排沙期間總出庫水量1.87億m3，占6a總?cè)霂焖?.13億m3的30%。 6a懸移質(zhì)入庫沙量1973.2萬t，出庫量2064.5萬t，估算年推移質(zhì)入庫量309.8萬t，出庫量162.8萬t。入庫總沙量僅比出庫總沙量多55.7萬t，說明庫區(qū)基本處于沖淤平衡狀態(tài)。

經(jīng)過6a主汛期空庫排沙，庫區(qū)形成一條長約7km的沖刷槽，槽庫容為530萬m3，與灘地淤積增長量510萬m3相抵。壩前灘面平均淤高0.21m/a，比空庫排沙前0.9m/a降低4倍多。 四合永公路橋附近河床平均淤高0.12m/a，比空庫排沙前0.18m/a降低1/3。

利用現(xiàn)有泄洪洞在主汛期進行空庫排沙，可以有效地減緩水庫淤積速度，但庫區(qū)灘地特別是四合永段河床仍在繼續(xù)淤高，四合永鎮(zhèn)浸沒問題仍逐年加劇。

3.2 利用泄洪洞排沙清淤

1987年開始，廟宮水庫實行排渾蓄清運用方式，每年在主汛期將泄洪洞閘門打開，利用上游入庫的天然徑流進行沖沙。13a間，庫區(qū)的灘面和庫尾河床淤積較以前減少，淤積率有所降低，總體上是灘面仍繼續(xù)淤積，但淤積程度有所減緩。沖刷較多的年份有1989和1991年。1991年主汛期來水量為4472萬m3，為中水年，相當于5a一遇，發(fā)生洪水（大于20m3/s）11次，其中單峰洪水5次，多峰洪水6次，洪峰流量為30～120m3/s；空庫排沙效果在1989～1999年中為最大的一年，沖刷泥沙量493.8萬t，入庫沙量167.8萬t，凈排沙總量326萬t，沖刷范圍為壩前8km，再向上呈淤積趨勢，對于距壩10km處的四合永鎮(zhèn)，河道灘地和主槽仍有所淤積。說明1989～1999年空庫度汛，沖刷量最大的年份四合永鎮(zhèn)仍淤積較為嚴重，在中水年份利用泄洪洞排沙只能得到緩解不能解決庫尾淤積問題。

3.3 增設排沙洞與泄洪洞聯(lián)合沖淤

參照國內(nèi)多沙河流上大中型水庫的調(diào)研資料，利用水力排沙的原理，增設低高程、大洞涇的排沙洞，采取蓄清排渾運用，在主要來沙季節(jié)，運用水沙運動規(guī)律，依靠水流本身的沖刷能力，將水庫淤積物帶出庫外，達到?jīng)_淤排沙的目的。廟宮水庫通過物理模型試驗、數(shù)學模型計算及水庫粘性淤積物溯源沖刷的一維計算等多種方法，定量分析了增設排沙洞規(guī)模和沖刷效果。

3.3.1 增設排沙洞規(guī)模

分析表明沖刷量、沖刷深度及沖刷槽上朔距離與洞徑成正比，但是隨洞徑的增大，線梯度逐漸減小，當洞徑增大到7m左右時，曲線梯度趨近于0，說明從沖刷效果的角度考慮，排沙洞選定7m左右洞徑是最優(yōu)的，確定排沙洞洞徑選用6.8m。采用水庫粘性淤積物溯源沖刷的一維方程計算水庫的溯源沖刷，在新增低高程排沙洞后，估計排沙洞高程的變化對沖刷槽發(fā)展距離的影響，結(jié)合洞址附近的地質(zhì)、地形條件，增設排沙洞洞底高程確定為748m。

3.3.2 排沙洞與泄洪洞聯(lián)合沖淤效果

（1）建排沙洞后，在排沙洞與泄洪洞聯(lián)合泄流排沙條件下，水沙系列的沖刷槽可上溯到四合永段，最大沖沙量累計974.9萬m3，四合永河段（18～20＃斷面）形成穩(wěn)定沖刷槽，平均寬度38m，平均沖深1.81m，如表1所示。

表1 物理模型沖刷試驗成果表

（2）采用水庫粘性淤積物溯源沖刷的一維方程計算水庫的溯源沖刷。在新增低高程排沙洞后，估計排沙洞高程的變化對沖刷槽發(fā)展距離的影響。計算方法的基本出發(fā)點是建立粘性淤積物沖刷率與淤積體變形的關系。

水庫粘性淤積物溯源沖刷的一維計算方程式如下：

式中 Z（X，t）為河床高程，為距壩里程X與沖刷時間t的函數(shù)；rd（X，Z）為淤積物干容重，為X與淤積高程Z的函數(shù)；τ0（X，Z）為淤積物的臨界起動剪切力，亦為X，Z的函數(shù)；ψhc為計算的沖刷水深；K為沖刷率系數(shù)；Z（X，0）＝f1（X）為計算邊界條件，由各斷面淤積面高程及不可沖河底高程所確定；Z（0，t）＝f2（t）為計算初始條件，由壩前水位的下降過程確定。

沖刷河槽寬度按阿爾圖寧公式計算，即

式中 系數(shù)A主要依據(jù)1987年實測資料確定為1.263；計算中Q取實際沖刷流量，按淤積面坡降（18%）與原河槽坡降（37.4%）的平均值考慮。

計算結(jié)果表明：

（1）經(jīng)1987、1988兩年汛期，歷時1個月空庫沖刷所形成的沖刷槽坡降，還沒有達到?jīng)_刷終極平衡坡降。主要是由于實際沖刷流量過小，若今后遇較大流量，沖刷槽還可以進一步發(fā)展。

（2）在侵蝕基準面不變的情況下，沖刷流量不僅對提高總沖刷量有作用，而且對沖刷槽的上溯發(fā)展也有促進作用。在利用面有排沙洞的條件下，大洪水過程（Qmax＝250m3/s）比較小洪水過程（Qmax＝100m3/s），總沖刷量可提高2.3倍，沖刷槽上溯距離也可提高1.55km，但由于受侵蝕基準面的限制，沖刷槽尚不能影響到四合永附近河段。

（3）在增設低高程排沙洞后，隨著侵蝕基準面的降低，可進一步提高總沖刷量和有利于沖刷槽的上溯，當新排沙洞高程降低至748m時，沖刷槽基本上可影響到四合永水庫段，對減輕四合永鎮(zhèn)的洪水威脅是有積極作用的。總之，增設低高程排沙洞后，空庫沖刷效果會明顯增大，在遇有200m3/s左右洪峰時，空庫沖刷所形成的沖刷槽基本上可到庫尾四合永橋處。若在此基礎上再進一步作一些開挖疏導工程，可以減輕泥沙淤積發(fā)展對四合永鎮(zhèn)的威脅。

4 結(jié)語

（1）伊遜河流域上游為土石山區(qū)，山區(qū)面積中的65%屬陡峻的山地，水土流失非常嚴重。干流圍場站實測最大含沙量亦高達683kg/m3，年輸沙量的90%以上發(fā)生在6～9月，水庫年入庫最大沙量1360萬t，輸沙量年際間變化相差懸殊。

（2）廟宮水庫多年攔洪蓄水的調(diào)度運用方式，大量的泥沙被攔蓄，使水庫總庫容減小了近50%，興利庫容由6800萬m3減少到2300萬m3。泥沙淤積造成庫區(qū)上游翹尾巴，對四合永鎮(zhèn)形成浸沒，嚴重影響了居民的生產(chǎn)生活。

（3）通過改變水庫攔洪蓄水的調(diào)度運用方式，改為蓄清排渾的汛期空庫排沙，可有效減少水庫淤積量，但對四合永河段的沖刷效果有限，只能起到部分延緩淤積浸沒，控制發(fā)展趨勢的作用。

（4）增設低孔排沙洞的工程措施，在水流條件較好的情況下，與原有泄洪洞聯(lián)合沖淤，配合開挖疏導工程，可以控制泥沙淤積發(fā)展趨勢、減輕浸沒對四合永鎮(zhèn)的危害。

（5）設計中采用了增設748m高程低孔排沙洞的工程措施，并于2003年開工建設，2006年完工，現(xiàn)已經(jīng)過兩個汛期的提閘沖淤，效果顯著，若加大工程和管理綜合措施，其庫區(qū)泥沙淤積和浸沒問題將會得到根本性改變。

［1］熊紹隆.底孔前散體泥沙沖刷漏斗形態(tài)研究［J］.泥沙研究，1989,（2）：76-83.

［2］夏邁定，程永華，程建民.黑松林水庫泥沙處理技術的研究及應用［J］.泥沙研究，1997，（4）：7-13.

［3］潘家錚.泄洪排沙建筑物設計［M］.鄭州：黃河水利出版社，2008.

［4］中國水利學會泥沙專業(yè)委員會主編.泥沙手冊［K］.北京：中國環(huán)境科學出版社，1992.

［5］武漢水利電力學院編.水力學［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1963.