水庫(kù)橫向沖蝕的初步研究

康 鋒，侍克斌，陶春潔

（1．河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南安陽(yáng) 455000；2．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

水庫(kù)橫向沖蝕的初步研究

康 鋒1，侍克斌2，陶春潔1

（1．河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南安陽(yáng) 455000；2．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

水庫(kù)泥沙淤積一直是阻礙水庫(kù)功能正常發(fā)揮的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。在各種水庫(kù)排沙的方法中，水庫(kù)橫向沖蝕技術(shù)就是一種很好的水庫(kù)排沙方法，以往人們沒有對(duì)該方法進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)與概括。依據(jù)頭屯河水庫(kù)2001年運(yùn)用高渠排沙的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)總結(jié)和規(guī)律分析，提出適合于該水庫(kù)高渠排沙的寬深經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)，根據(jù)水庫(kù)橫向沖蝕的特性及規(guī)律，推導(dǎo)出用管道拉淤時(shí)，沖灘流量控制的一套簡(jiǎn)單公式及操作方法。其研究成果不僅有利于頭屯河水庫(kù)今后泥沙的管理，而且為相似水庫(kù)的排沙提供了依據(jù)，更為水庫(kù)橫向沖蝕技術(shù)深入研究提供了理論依據(jù)。

橫向沖蝕；水庫(kù)淤積；管道拉淤；經(jīng)驗(yàn)公式；頭屯河水庫(kù)

1 水庫(kù)橫向沖蝕概述

眾所周知，采用泄空沖刷只能在水庫(kù)淤積面上拉出一條槽，灘庫(kù)容仍不能恢復(fù)。橫向沖蝕是利用輔助設(shè)施截引河水至待沖庫(kù)段。憑借高灘深槽形態(tài)所形成的橫向大比降，依靠水力沖刷及重力侵蝕作用，對(duì)庫(kù)區(qū)前期淤沙進(jìn)行破離與輸移。橫向沖蝕排除淤沙不用機(jī)械、不耗電力、成本低、效率高，加之操作方便，很受水庫(kù)管理部門的歡迎。

1．1 橫向沖蝕的特點(diǎn)

首先，橫向沖蝕的排淤效率很高。橫向沖蝕技術(shù)的出現(xiàn)，使得長(zhǎng)期淤積且已經(jīng)沉積固結(jié)在庫(kù)中的泥沙排出，庫(kù)容迅速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了排沙的高效率。

其次，能形成遠(yuǎn)距離輸送的高濃度水流。橫向沖蝕的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)水流進(jìn)行加沙造濃的過(guò)程。高含沙水流隨著含沙量不斷增大，泥沙顆粒將以群體形式下沉，其沉速較單顆粒泥沙的沉速小幾百倍。所以，在橫向沖蝕過(guò)程中進(jìn)行高渠輸沙時(shí)，其泥沙不致在渠道中大量淤積。

最后，排沙的成本低。排沙成本是衡量經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)之一。橫向沖蝕是依靠水力沖刷和重力侵蝕來(lái)破離、輸移泥沙。工程設(shè)施也比較簡(jiǎn)單，故清淤成本十分低廉［1］。

在實(shí)際應(yīng)用中，不一定要求水庫(kù)每年泄空，而是每隔幾年泄空一次。這樣以來(lái)，地處干旱或半干旱地區(qū)的水庫(kù)，特別是新建的水庫(kù)，可采取“多年蓄水”運(yùn)用，以提高徑流調(diào)節(jié)能力。當(dāng)淤積發(fā)展到一定程度后，再采取橫向沖蝕方式進(jìn)行拉沙，恢復(fù)庫(kù)容。

1．2 橫向沖蝕的技術(shù)分類

水庫(kù)橫向沖蝕技術(shù)一般可分為高渠泄水沖灘技術(shù)和管道拉淤技術(shù)。

2 水庫(kù)高渠泄水沖灘

2．1 水庫(kù)高渠泄水沖灘的特點(diǎn)

當(dāng)選用的輸水設(shè)施為渠道或明槽時(shí)，此類橫向沖蝕稱為高渠泄水沖灘。當(dāng)沖刷水流由高渠泄水入灘時(shí)，因?yàn)└卟凵睿瑱M向比降較大，水流湍急，故發(fā)生劇烈的淘刷與下切，引槽兩側(cè)的淤土體在重力作用下坍塌，大量的淤泥和泥團(tuán)隨水流一起進(jìn)入主槽，并排出庫(kù)外。高渠泄水沖灘，首先是從灘面比降由緩變陡處一片一片開始沖刷，自下而上溯源推進(jìn)。同時(shí)，由于被沖的淤土為層狀結(jié)構(gòu)，且每層淤土具有從上到下，其粒徑由細(xì)到粗，干重度由大到小的分布特點(diǎn)，在每層層面處，粒徑細(xì)，粘度大，難以沖刷。因此，高渠泄水沖灘為跌坎狀“切豆腐”式的沖刷［2］。

其跌坎溯源推進(jìn)示意圖如圖1所示。

2．2 水庫(kù)的高渠泄水沖灘布設(shè)

高渠泄水沖灘的輔助設(shè)施包括擋水低壩和輸水高渠2部分。水庫(kù)高渠排沙始終要遵循2條原則：①高渠排沙的過(guò)程必須按先壩前后庫(kù)尾，逐步向上發(fā)展的原則進(jìn)行；②每條橫向排沙沖刷槽的切深擴(kuò)寬工作臺(tái)完成徹底后，才允許移向下一條沖刷槽的造槽工作。在水庫(kù)造槽工作全部完成后，可以關(guān)閘蓄水浸泡沖刷槽間的脊梁，使其水下自然塌落，降低淤積高程。高渠排沙清淤主要工程項(xiàng)目有擋水壩、高渠、集流槽3大項(xiàng)，具體如圖2所示。

圖1 高渠橫向沖蝕橫斷面Fig．1 High channel lateral erosion at a transverse section

圖2 高渠橫向沖蝕布置圖Fig．2 Tall canal lateral erosion arrangement

沖灘設(shè)施的作用在于將輸水高渠的水流，有計(jì)劃地分配和導(dǎo)引至淤灘表面，以利沖灘拉淤。集流槽在灘面上的位置，一般應(yīng)大致正交于原主槽或水流流向，并與泄水口相對(duì)應(yīng)。集流槽斷面尺寸，則取決于入灘流量，應(yīng)以容納下入灘水流為限［3］。

2．3 頭屯河水庫(kù)2001年高渠排沙方案

頭屯河水庫(kù)庫(kù)區(qū)灘地平緩，質(zhì)地疏松，位高而面大，有利于布置高渠排沙，其橫向沖蝕、溯源沖沙條件極佳。為此，經(jīng)多方面論證我們2001年選擇了高渠排沙方案。

頭屯河水庫(kù)淤積灘地高，為采取高渠水力沖刷排沙創(chuàng)造了有利的地形條件。在右岸淤積河灘上開挖一條順?biāo)鞣较蜇灤?kù)區(qū)的人工引水渠（高渠），利用左岸河槽可人為調(diào)節(jié)高渠引水量的大小，從而可以控制高渠水力沖刷排沙的全過(guò)程。當(dāng)上游河道來(lái)水量較小時(shí)，高渠排掉的泥沙很難被輸移至下游河道。這時(shí)通過(guò)控制水庫(kù)庫(kù)水位，使泥沙暫時(shí)積存在水庫(kù)壩前的區(qū)域，水庫(kù)蓄水到一定程度時(shí)，迅速加大泄水流量，利用高水頭將積存在壩前的泥沙搬運(yùn)至水庫(kù)下游河道。當(dāng)上游河道發(fā)生較大洪水時(shí)，迅速降低庫(kù)水位，加大高渠引水量，同時(shí)加大水庫(kù)涵洞泄水量，高渠水力沖刷排沙力度將隨之增大。高渠排掉的泥沙在洪水的作用下，可以很暢通地輸移至下游河道［4］。選擇高渠拉沙方式排沙，可以人為控制排沙過(guò)程，是合理可行的。

2．4 高渠排沙寬深經(jīng)驗(yàn)公式的確定

沖刷口或引槽間的間距取決于沖刷槽兩側(cè)淤土滑塌的范圍，而滑塌范圍又與土的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。由土力學(xué)原理可知，土體穩(wěn)定程度可以用C／γH值表示［5］（C為粘聚力；γ為濕重度；H為深度）。

因此，沖刷寬度B受著沖刷深度H的制約，以函數(shù)關(guān)系表示如下，

式中：B為沖刷槽沖刷寬度，H為沖刷槽的深度。

因此，相鄰沖刷口或引槽間的間距L應(yīng)小于最大沖刷寬度Bm，即

式中Bm為相應(yīng)于最大沖刷深度下所對(duì)應(yīng)的沖刷寬度。

由于各庫(kù)的淤土性質(zhì)不盡相同，式（1）的具體表達(dá)式也有所差別。頭屯河水庫(kù)2001年高渠排沙時(shí)高渠寬深變化情況見表1。

表1 水庫(kù)高渠寬深變化情況表Table 1 W idening and deepening in a reservoir high canal

因?yàn)檠芯康氖歉咔_灘技術(shù)，所以以出口段為研究對(duì)象，將其寬深進(jìn)行點(diǎn)繪如圖3所示。

圖3 高渠出口段寬深關(guān)系Fig．3 W idth depth relationship in exit reach of the high canal

根據(jù)點(diǎn)繪點(diǎn)，用Excel進(jìn)行計(jì)算機(jī)擬合，最終得出槽深與槽寬的關(guān)系式為

即

式（4）為頭屯河水庫(kù)高渠沖灘寬深經(jīng)驗(yàn)公式。

3 水庫(kù)輸水管道拉淤

3．1 水庫(kù)輸水管道拉淤概述

對(duì)于庫(kù)岸陡峻的峽谷型水庫(kù)，如仍采用高渠拉淤，勢(shì)必因高渠開挖工程量浩大，從而失去應(yīng)用價(jià)值。這時(shí)，應(yīng)因地制宜選用輸水管道拉淤。所謂輸水管道拉淤，多為水泵取水，管道輸水，在管道上每隔一定距離布設(shè)閘閥，以控制拉淤部位與入灘流量。

3．2 水庫(kù)輸水管道拉淤計(jì)算

3．2．1 輸水管道閘閥處水頭損失計(jì)算

沿程水頭損失常用的計(jì)算公式為

式中：hfi為從壓力泵出口斷面到第i個(gè)閘閥斷面之間的沿程水頭損失；λ為沿程水頭損失系數(shù)，λ＝8g／C2，其中C＝R1／6；li為第i個(gè)閘閥處管道長(zhǎng)度；R為水力半徑，圓管有壓流R＝D／4，其中D為圓管直徑；vi為第i個(gè)閘門處斷面平均流速．。

管道內(nèi)的糙率系數(shù)可按表2取值［6］。

表2 糙率系數(shù)n取值Table 2 Roughness coefficient n for different pipe ducts

局部水頭損失的計(jì)算公式為

式中：hji為第i個(gè)閘閥處的局部水頭損失；ξ為局部水頭損失系數(shù)。

3．2．2 壓力泵揚(yáng)水高度計(jì)算

因?yàn)樗畮?kù)橫向沖蝕的輸水管道為壓力管道，結(jié)合其運(yùn)用特點(diǎn)，按簡(jiǎn)單管長(zhǎng)，大氣自由出流情況進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)我們需要在灘面某處進(jìn)行沖灘時(shí)，首先確定需要沖灘的流量，這個(gè)流量要根據(jù)需要沖灘的多少及淤灘的變化情況確定。然后依據(jù)下面公式計(jì)算該沖灘閘閥處需要的水頭。

式中：hi為第i個(gè)閘閥處的需要水頭；Q為流量；K為流量模數(shù)，K＝ωC，其中ω為斷面尺寸。

則壓力泵需要揚(yáng)水高度H可用下式計(jì)算：

根據(jù)上述計(jì)算公式，我們可以根據(jù)淤灘的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)壓力泵揚(yáng)水高度及閘閥的開啟實(shí)現(xiàn)對(duì)沖灘部位及沖刷流量的控制，從而有效控制沖刷范圍和沖刷量。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了水庫(kù)淤積以后采用橫向沖蝕的重要性，并對(duì)橫向沖蝕進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)其沖刷的特點(diǎn)說(shuō)明了其沖刷的優(yōu)越性，從而使我們對(duì)橫向沖蝕作用有更深刻的了解。通過(guò)對(duì)新疆頭屯河水庫(kù)的高渠排沙部分?jǐn)?shù)據(jù)，得出高渠沖刷時(shí)的寬深經(jīng)驗(yàn)公式，為今后頭屯河水庫(kù)進(jìn)行高渠沖刷提供依據(jù)，也為其它水庫(kù)的高渠排沙工作提供參考。同時(shí)，介紹了水庫(kù)輸水管道拉淤，提出管道拉淤時(shí)對(duì)沖灘部位及沖灘流量控制的方法，該方法及公式對(duì)一些不適于進(jìn)行高渠排沙的地區(qū)有相當(dāng)重要的作用，為這些地區(qū)提供新的排沙思路。該文也對(duì)中小型水庫(kù)的管理和運(yùn)行提供了依據(jù)。

［1］ 高 柯，張 敏，許杰庭．橫向沖蝕排沙技術(shù)在頭屯河水庫(kù)中的運(yùn)用［J］．人民珠江，2005，（3）：66－67．（GAO Ke，ZHANG Min，XU Jie ting．Lateral erosion of flushing technology in Toutunhe reservoir［J］．People’s Pearl River，2005，（3）：66－67．（in Chinese））

［2］ 陜西省水利水土保持廳．水庫(kù)排沙清淤技術(shù)［M］．北京：水利電力出版社，1989．（ShanxiWater Conservation Hall．Reservoir Bait casting Technology［M］．Beijing：Hydraulic Power Press，1989．（in Chinese））

［3］ 水利部西北水利科學(xué)研究所，水利水電科學(xué)研究院泥沙所，山西省水利科學(xué)研究所．中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)與管理中的泥沙問(wèn)題［M］．北京：科學(xué)出版社，1983．（Sci entific Research Institute of Water Conservancy North west，Scientific Research Institute ofWater Conservancy，Hydroelectricity and Sediment，ShanxiWater Science in stitute．Small and Medium sized Reservoirs in the Design and Management of Sediment Problems［M］．Beijing：Science Press，1983．（in Chinese））

［4］ 于進(jìn)江，許杰庭．頭屯河水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙技術(shù)研究與應(yīng)用［R］．烏魯木齊：新疆水利廳頭屯河流域管理處，2006．（YU Jin jiang，XU Jie ting．Toutunhe reservoir water sediment regulation technology research and appli cation［R］．Urumqi：the Office of Toutunhe Basin of Xinjiang Bureau，2006．（in Chinese））

［5］ 盧廷浩．土力學(xué)［M］．南京：河海大學(xué)出版社，2002．（LU Ting hao．Soil Mechanics［M］．Nanjing：Hehai U niversity Press，2002．（in Chinese））

［6］ 高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）．水力學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，2003．（High speed Hy draulics State Key Laboratory（Sichuan University）．Hy draulics［M］．Beijing：Higher Education Press，2003．（in Chinese））

（編輯：劉運(yùn)飛）［6］ 范昊明，蔡國(guó)強(qiáng)，楊傳強(qiáng)．柳河流域沙量平衡分析［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（2）：52－55．（FAN Hao ming，CAIGuo qiang，YANG Chuan qiang．Sediment budget for Liuhe River drainage basin［J］．Transactions of the Chi nese Society of Agricultural Engineering，2005，21（2）：52－55．（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Abstract：On the basis of the annual series of data of hydrological stations in themiddle and lower reaches of Liaohe River and the sediment budgetmethed is used to research the temporal and spatial distribution of sediment in the middle and lower reaches of Liaohe River．Study results show that the reach from Juliuhe to Liujianfang is a strong deposition district of themiddle and lower reaches of Liaohe River．The correlation between the deposition amount of the reach from Juliuhe to Liujianfang and the water and sediment volume from different sediment districts in the upper reaches of Liaohe River is researched using statisticalmethods．The results show that the deposition of the reach from Juliuhe to Liujianfang and sediment yield of Liuhe River have a good correlation．Changes of sediment yield area of Liuhe River play amajor role in controlling to changes of sedimentation volume in the lower reaches of Liaohe River and the unitwater and sediment of flood season makes a greater contribution rate to the basin deposi tion．Therefore，in order to alleviate the problem of deposition in the lower reaches of Liaohe River，the governance of soil erosion should be strengthened in Liuhe River basin．

Key words：sediment source area；river sedimentation；themiddle and lower reaches of Liaohe River

Prelim inary Study on Reservoir Lateral Erosion

KANG Feng1，SHIKe bin2，TAO Chun jie1
（1．Water Conservancy，Survey and Design Institute，Anyang 455000，China；2．Water Conservancy and Civil Engineering College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Reservoir sedimentation is a serious problem to gradually lose normal function of a reservoir．Lateral ero sion in reservoir flushing technologies is a kind of very good method to flush reservoir sediment deposition．In the past，themethod was not summarized systematically．On the basis of the experience and data obtained by themeth od in the Toutunhe Reservoir in 2001，and through analysis，an empirical formula was given．At the same time，according to the reservoir characteristics of lateral flushing and regularity，with a pipe flushing，a simple formula used for controlly flushing discharge and several operationalmethodswere proposed．This research result is notonly beneficial to the Toutunhe Reservoirmanagement，but also provides the theory basis of applying lateral flushing in reservoir for other similar reservoirs．

lateral erosion；reservoir desilting；pipe flushing；empirical formula；Toutunhe Reservoir

Liaohe River W ater and Sediment Source Areas Effects on Sediment Deposition Downstream

CHEN Yang
（Higher Vocational and Technical College，Shenyang Agriculture University，Shenyang 110122，China）

TV145

A

1001－5485（2010）05－0001－03

2009 06 16；

2009 10 20

康 鋒（1982 ），男，河南安陽(yáng)人，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)、施工理論及方案優(yōu)選研究，（電話）15294706216（電子信箱）kangfeng2128＠163．com。