淺談人工輔助排沙在克孜爾水庫中的運用

張宏科

（克孜爾水庫管理局 拜城 842313）

1 工程概況

克孜爾水庫是渭干河流域上一座以灌溉、防洪為主，兼顧水力發(fā)電的綜合性利用的大型水利樞紐工程，水庫壩址位于渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河匯合口以下約500m處，水庫控制集水面積16637km2。水庫于1992年主體完工并投入蓄水運行，因泥沙淤積嚴重導致防洪庫容減小，于2007年大壩安全鑒定確定為三類壩，2009年6月進行除險加固工程施工；克孜爾水庫除險加固設計總庫容7.25億m3，水庫正常蓄水位1149.6m，相應庫容4.28億m3。水庫控制下游庫車、沙雅、新和三縣灌區(qū)，設計灌溉面積為21.33萬hm2，工程為一等大（1）型工程，主要建筑物為1級，整個樞紐由主壩、副壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞與發(fā)電站組成。 電站總裝機26MW（4×6.5MW），多年平均年發(fā)電量 1.34億 kW·h。

2 克孜爾水庫泥沙淤積現狀

1991年8月，克孜爾水庫開始蓄水并投入運行，至今己運行20年。根據新疆水利水電勘測設計院于2007年1月份完成的庫區(qū)泥沙淤積觀測結果表明：至2006年年底,克孜爾水庫泥沙淤積總量已高達1.79億m3，剩余庫容4.28億m3，庫容損失率為29.0%。其中，死庫容淤積0.858億m3，剩余死庫容0.442億m3；有效庫容淤積0.932億m3，剩余有效庫容3.84億m3。

克孜爾水庫設計運行20年的泥沙淤積總量為1.26億m3，庫容損失率為20%；其中死庫容淤積0.4478億m3，有效庫容淤積0.817億m3。因此，克孜爾水庫實際運行16年的泥沙淤積總量已超過了設計運行20年的泥沙淤積總量1.26億m3。

3 泥沙調度現狀及排沙不暢的主要原因

3.1 泥沙調度現狀

為解決克孜爾水庫日趨嚴重的泥沙淤積問題，依據歷次模型試驗主要結論，結合克孜爾水庫實際供水調度、泥沙調度運行狀況，水庫現狀能夠實現排沙調度的方式有兩種，即：低水位渾水排沙、異重流排沙。從近年來克孜爾水庫泥沙調度實際情況看：低水位渾水排沙受工程樞紐布局、水庫運行水位及泄流量等因素的影響，其排沙效果并不理想；支流克孜爾河異重流排沙效果較為明顯，異重流可以抵達壩前并排出庫外，但因洪水過程歷時較短、洪量小，所以排沙量也十分有限；而干流木扎提河入庫泥沙難以以異重流形式到達壩前,所以干流泥沙幾乎全部落淤。懸移質泥沙監(jiān)測資料顯示，克孜爾水庫自1992年蓄水運行以來，18年入庫懸沙總量為21611萬t，出庫總沙量僅為1266萬t，實際排沙比5.9%，其中觀測記錄了14場次異重流排沙調度，測算累計出庫總沙量僅140萬t。因此，與入庫沙量相比排沙十分有限，效果并不理想。

3.2 支流克孜爾河形成的“攔沙底坎”是導致干流排沙不暢的主要原因

目前，庫區(qū)泥沙淤積的速率已遠遠超過原設計預估的淤積水平，水庫的淤積形態(tài)已由帶狀淤積逐漸轉化為三角洲淤積形態(tài)。據2007年水下地形圖實測資料表明，干流木扎提河庫段的三角洲淤積頂點位置已位于壩前7.5km左右，三角洲淤積頂點高程也高于設計淤積水平年的頂點高程；而支流克孜爾河庫段的錐體淤積頂點位置約位于壩前1.5km處；水庫運行過程中干、支流河道水流的相互頂沖作用，并在兩河交匯處的“魚嘴”附近形成攔沙底坎，阻塞了干流木扎提河原河槽的泥沙輸送通道，并在壩前3km以上形成“庫中庫”（見圖1），致使干流水流所攜帶的泥沙在其上形成“渾水水庫”難以排出。

圖1 克孜爾水庫2007年泥沙淤積數字模型

因此，支流泥淤積推進速度過快，在干流方向形成的“攔沙底坎”也是克孜爾水庫干流排沙不暢的主要原因之一，而且這一工況將隨著“攔沙底坎”的繼續(xù)推進和增長，其上“渾水水庫”的庫容亦隨之增加，干流排沙將趨于更加困難，直接影響到水庫引水工程的正常運行。

鑒于利用異重流排沙和低水位渾水排沙在實際運用中效果均不甚理想，經多次論證后認為：解決克孜爾河庫段的泥沙淤積對干流木扎提河庫段首部的阻塞問題，關鍵是要將克孜爾河庫段與木扎提河庫段的泥沙運行路徑進行分離，使之各行其道；同時利用克孜爾河自然縱坡較大的優(yōu)勢，在水庫汛期6～8月初的低水位運行期，將支流克孜爾河高含沙洪水通過灘地直接輸送至泄洪排沙底孔進口處排出庫外，不僅減輕了支流在庫盤內的泥沙淤積，同時也抑制了支流在干流上形成的攔沙底坎的推進。

4 人工輔助排沙措施的可行性研究

4.1 支流克孜爾河水沙特性分析

根據阿克蘇水文水資源勘測局《克孜爾河洪水及懸移質泥沙時空分布規(guī)律分析》資料知，支流克孜爾河多年平均徑流量為3.27億m3，其中6～8月份的水量占全年徑流總量的53.1%；洪水資料表明，6～8月份出現最大洪峰流量在90%以上，其中7月份出現洪水的頻次50%（見下表）。

克孜爾河年最大洪水各月出現頻次統(tǒng)計表

泥沙統(tǒng)計資料表明，支流克孜爾河是一條多泥沙河流，多年平均懸移質輸沙量為179萬t，平均含沙量為4.98kg/m3。懸移質泥沙年內分配很不均，夏季氣候燥，加上地表巖石物理風化強烈，冰雪融水和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙進入河流，使得河流夏季輸沙量高度集中，連續(xù)最大四個月輸沙量均集中在6～9月份，多年平均四個月最大輸沙量占全年的93.6%以上，其中7月份最高值可達43.8%以上。

因此，根據支流克孜爾河徑流、洪水、泥沙在年內的時空分布特點，充分利用汛期水庫低水位運行時機，能夠將支流6～8月份的泥沙有效排出庫外，是治理或緩解水庫泥沙淤積的關鍵所在。

4.2 人工輔助排沙方案布置

為有效分離支流克孜爾河與干流木扎提河庫段的泥沙運行路徑，經地形勘測與實際調研，必須在克孜爾河水庫段右岸布設挑流丁壩，將支流克孜爾河的主河道由庫盤的右岸改向左岸；為盡可能縮短洪水輸沙距離以減少落淤，可在左岸二階臺地上人工開挖輸沙渠道，將泥沙輸送至泄洪排沙明渠，并從排沙底孔直接排出庫外。此外，為確保改道后的高含沙洪水能夠完全匯入左岸二階臺地上的人工輸沙渠道，需要在輸沙渠道入口處修筑導流堤進行導流。通過以上三項配套工程（見圖2），可以實現支流克孜爾河人工輔助排沙的目的。

圖2 克孜爾水庫克孜爾河庫段人工輔助排沙工程布置圖

5 克孜爾河水庫段輸沙水工模型試驗

為了驗證上述人工輔助排沙方案、工程布置及排沙效果，新疆農業(yè)大學于2010年4月依據當年實測水下地形圖（1∶10000）、克孜爾河水沙特性、水庫汛期運行等條件，完成了克孜爾河庫段輸沙水工模型試驗。

模型試驗結果表明，只要在合適位置布置丁壩就可解決克孜爾河庫段水流沿右岸流向“魚嘴”的問題，且挑流效果均較為理想。但考慮工程投資及施工技術難度，仍確定挑流丁壩總長為407m，位于壩址以上5.3km處，該位置具有河道相對較窄、河床穩(wěn)定等優(yōu)勢，即是稀遇洪水發(fā)生時，漫壩水面高程也低于批準的水庫淹沒高程。試驗獲取丁壩上游壩腳處最大流速為2.93m/s，最大沖刷深度為5.6m，丁壩左端頭沖刷槽最大寬度為130m，對原河道左岸的沖刷（吃進）寬度約40m，在水庫淹沒線控制范圍之內。

通過模型試驗對人工排沙渠方案進行優(yōu)化：人工輸沙渠軸線與原泄洪排沙明渠的軸線夾角為63°，總長600m，深 6m，橫斷面為梯形，邊坡為 1∶1.5，人工排沙渠進口高程1134m，出口底部高程1132m，渠底寬40～50m，最大平均流速為1.25m/s。為提高輸沙效果，在人工輸沙渠進口右岸設置一座長約528m的淹沒式導流順壩，對改道后的左岸水流進行攔截并導入輸沙渠。

試驗過程及數據分析表明，汛期6～8月份庫水位控制在1135m以下，上游河道來水和水庫泄水流量均保持在750m3/s以內（相當于2～3年一遇流量），克孜爾河水庫段就能夠通過人工輔助排沙方案達到較為理想的排沙效果，即汛期排沙總量可達到152萬t，占支流克孜爾河全年來沙量的85%左右。為避免泄洪排沙底孔洞口附近和人工輸沙渠中的泥沙落淤或堆積，試驗還建議低水位時宜采用脈動式開啟閘門或更低水位的運行方式，對保持輸沙渠及排沙底孔順暢沖刷、排沙十分有利。

6 結語

a.克孜爾水庫泥沙淤積十分嚴重，水庫排沙日趨困難，特別是支流克孜爾河在干流方向形成的“攔沙門坎”是直接影響水庫排沙效果的主要原因之一；而遏制攔沙門坎繼續(xù)增長的關鍵是在于將支流與干流的泥沙運行路徑進行分離，使之各行其道。

b.通過地形踏勘及調研分析認為，通過工程措施不僅可以將支流克孜爾河流向由現狀的右岸改道至左岸，而且可利用左岸二階臺地優(yōu)勢，將汛期高含沙洪水直接輸送至原排沙明渠，通過排沙底孔排出庫外。

c.經過水工模型試驗進一步驗證了人工輔助排沙方案是可行的，支流克孜爾河經挑流改至左岸后，支流在干流方向形成的攔沙門坎得到了有效遏制；再通過導、引等措施，可以將汛期高含沙洪水在低水位時直接排出庫外。初步測算年排沙量高達152萬t左右，占支流全年入庫沙量的85%，排沙效果較為理想，采用人工輔助排沙方案是目前能夠減緩水庫泥沙淤積的一項有效措施。

[1]新疆克孜爾水庫克孜爾河庫段輸沙水工模型試驗[R].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學,2010.

[2]新疆克孜爾水庫泥沙淤積監(jiān)測總結報告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院,2007.