泥沙沉積管理的創(chuàng)新性進展

［瑞士］ G.德賽薩爾等

1 泥沙沉積

1.1 水庫泥沙沉積

泥沙沉積是全世界水庫的一項最重要的課題。在較深的大型水庫中，泥沙沉積主要與混濁流輸送泥沙的現(xiàn)象有關。建造大型水壩會顯著改變人工湖內和水壩下游原天然河流的水流情勢?？紤]到在洪水期間泥沙濃度通常較高，入庫水流較之周圍的流體有著更高的密度，因而懸移質可以混濁流的形式沿著水庫底部一路被挾帶至水壩(附近)。當混濁流的強度足夠大時，能夠侵蝕和搬運大量水庫自身的泥沙。其結果是大量的沉積物有可能快速覆蓋水庫底部泄水孔，影響發(fā)電進水口的運行，減少水庫的容積。

雖然大力建造水庫的目的是蓄水，但是被入流所挾帶的部分固體物質往往在水庫內沉積下來。修建水壩會顯著改變水流的性能，使河流水流變成湖泊水流，來流中的固體顆粒沉積。水庫和天然的湖泊一樣，會以不同的速度漸漸淤塞。在一些極端的情況下，水庫有可能僅在幾年內就被泥沙完全填滿。只有通過適當的管理對泥沙沉積加以控制，水庫才是可持續(xù)的，才能繼續(xù)充當可再生能量的來源。

1.2 混濁流

流域或河床中土壤的侵蝕是河流輸送的大部分泥沙物質的源頭。侵蝕的過程通常開始于海拔較高的山區(qū)，隨后發(fā)生在高地和平原，最終在湖泊或海洋以沉積的形式結束。河流通常搬運一定粒徑范圍的泥沙顆粒，具體情況取決于流域的泥沙補給和水流強度(以流速和水流紊動程度表示)。在洪水期間，細小泥沙的比例可能占到河流所輸移總泥沙量的80%～90%，而且總的泥沙排放量通常相當大。如果懸浮泥沙濃度足夠高，水流就可變?yōu)榛鞚崃鳌?/p>

圖1 泥沙沉積類型和受泥沙沉積影響的區(qū)域

混濁流是泥沙重力流的一種，通過這種形式，挾沙水流在其他靜止的水中沿斜坡向下運動(圖1)?；鞚崃鞯尿寗恿碜詰腋〉奈镔|(細小的固體物質)，這些懸浮物使得流動的混濁水比其上部的清水更重。當挾沙河流進入一座大型水庫時，較粗的顆粒逐漸沉積下來，并在水庫上游入口地帶形成一個三角洲，隨著沉積過程繼續(xù)進行，三角洲向水庫深處擴展。較細的、保持懸浮狀態(tài)的顆粒流經三角洲，越過三角洲的邊界。如果過了邊界之后，湖中清水與入流河水的密度之差足夠大，就可能使入流的水(沿水庫底部)潛行，并可能引起混濁流?；鞚崃骺赡茉谒畮靸绕渎窂缴锨宄龖腋〉牧钗镔|，甚至也可使顆粒狀物質重新懸浮。隨著混濁流橫斷面面積的增加，流速減小，泥沙沿混濁流路徑沉積下來。通常只有細小的泥沙(粘土和淤泥質土顆粒)能在足夠長的時間里保持懸浮狀態(tài)，這些細小泥沙沿水庫底部深泓線長距隨流潛行，穿過水庫的蓄水，到達湖底最深處，這里往往靠近大壩的泄水孔。挾沙水流一旦到達大壩處，就形成一層泥漿并在這里沉淀下來。

1.3 防止水庫泥沙沉積的措施

為了保證水庫的可持續(xù)使用，非常需要限制泥沙在水庫內積累。阿爾卑斯地區(qū)各水庫的泥沙管理不可能通過某個標準的、普遍的規(guī)則或程序來完成。此外，泥沙管理不僅僅限于水庫本身，因為泥沙形成于流域的起點，并擴展到水庫下游的河流。每種情況都必須單獨加以分析，以確定要采用的解決措施的最佳組合方案。圖2中歸納總結了一些可行的措施，并根據這些措施適用的范圍加以分組。

圖2 水庫泥沙管理措施

為了平衡通過水庫的泥沙量，需要一個包含了各種可行策略的泥沙管理的綜合方法。綜合泥沙管理包括對整個泥沙問題的分析，應用適合于現(xiàn)場的各種泥沙管理策略。這種方法意味著(泥沙管理)方案的實施必須與可持續(xù)的長遠利益的保護保持一致。

一個可持續(xù)的泥沙管理策略還應該包括對下游河道泥沙的管理。監(jiān)測數據應該包括(泥沙沉積)對下游的影響，以及水庫內的泥沙沉積過程。

2 實例研究

本文以兩座水庫為例說明了不同解決方案的差異和相似之處，以及解決泥沙沉積問題所采取的方法。兩座水庫都位于瑞士阿爾卑斯山，分別是伯爾尼奧勃蘭的格里姆瑟爾(Grimsel)水庫和提契諾的呂宋尼(Luzonne)水庫。

兩座水庫海拔高度相近，有著等量級的庫容。格里姆瑟爾水庫正常水位在海拔1908 m，而呂宋尼水庫正常水位在1606 m。兩座水庫的容積分別為1.01億 m3和1.08億 m3。

2.1 潛壩的使用(格里姆瑟爾水庫)

在建項目內容包括將現(xiàn)有的兩座大壩加高23 m，這兩座大壩形成了格里姆瑟爾水庫。加高大壩所必須的開挖和爆破工作會產生將近15萬m3破碎的混凝土材料。這些材料會在建筑工地附近某處堆積起來。為防止混濁流中的泥沙在取水構筑物附近沉積，提出以潛沒堤壩的形式建造某種障礙物。對混濁流的產生過程和其對水庫泥沙沉積的影響進行了調查研究，這種水下障礙物的攔沙效果已得到證實。

格里姆瑟爾水庫全長將近5.5km，寬度約為300 m。水庫的深度從河水入流點至水庫中部呈規(guī)律的增加，水庫的中部有一道狹窄的峽谷。取水建筑物和底部泄水建筑物設在最深的區(qū)域，該處水深約90 m，在峽谷的下游。

對典型洪水事件的數值模擬顯示，混濁流一路進展傳播，到接近大壩的水庫最深處。在這樣的洪水事件中，取水構筑物和底部泄水建筑物所在區(qū)域產生了大量的泥沙沉積物。水庫最深處的上游，負坡度峽谷致使混濁流速度變緩，這樣就產生泥沙沉積。

對障礙物的兩種可能布置進行了數值評價。第1種布置由單個堤壩構成，堤壩高15 m，長150 m，位于峽谷上游一處水庫的反坡上。第2種構造由位于水庫中部的兩道堤壩構成，兩道堤壩在水平方向錯開一定距離，使得混濁流必須繞行或從堤壩上越過。在這種情況下，兩道堤壩將達到10 m高，210 m長。兩種布置形式都沒有將堤壩延伸到整個河谷寬度，這樣在水庫放空時能為水流留出一個暢通的通道。這種障礙物明顯地對水流起到阻礙作用，盡管混濁流的一小部分流體越過障礙物，但障礙物折回了大部分的混濁流。其結果是，大量的泥沙沉積物出現(xiàn)在障礙物的上游。

對用加高格里姆瑟爾水壩施工中爆破和開挖所產生的材料建成的堤壩的效果進行了分析。結果表明，為了有效地攔截混濁流，堤壩高度應不小于接近堤壩的混濁流高度的兩倍。堤壩高度達15 m足以滿足要求，并能保證壩頂標高在水庫最低運行水位以下。據估計堤壩后攔沙至少可持續(xù)20～50 a。

可以得出結論，將爆破和開挖所得材料回收利用來建造潛壩，對于控制由混濁流引起的水庫泥沙沉積是一個絕佳的契機。

2.2 混濁流的排放(呂宋尼水庫)

屬于布倫諾水力發(fā)電公司的呂宋尼拱壩建于1958～1963年，在瑞士南部的奧利沃內村附近。壩體最大高度208 m，長530 m。

實驗室水槽里的混濁流試驗成果以及呂宋尼水庫2個夏季的實地測量結果，被用來驗證一個三維數值模型。為模擬模型中泥沙沉積與沖刷之間的平衡，對考慮了混濁流和已有泥沙沉積物之間相互作用的用戶定義的沖刷和沉積模塊進行了編程設計。

在水庫較深的部位，其初始的幾何形狀呈一個V型河谷，現(xiàn)在積聚泥沙已超過40 a，平均底寬大約50 m。水庫幾何形狀大致呈梯形斷面。在靠近大壩的庫段，底部的形狀接近對稱。沿水庫底部的平均縱坡約為4%。大部分的泥沙沉積覆蓋在庫底約0.1km2的面積，或整個水庫水面面積的8% 。

1985年，水庫曾經完全放空，以便于在長達7周的自由庫面沖沙期間，淤積的泥沙通過底部泄水孔得以排放。現(xiàn)在，定期的短時壓力沖沙使水庫底部泄水孔的進水口免受泥沙沉積的影響。盡管如此，為了使泥沙沉積導致堵塞的潛在風險降至最小，最近抬高了電站進水口。

為了闡述人工湖中河流引起的混濁流的流動機理，在水庫及流入水庫的主要河流中對混濁流進行了實地觀測。采用實測邊界條件對混濁流進行數值模擬，并將模擬結果與現(xiàn)場實測值進行比較。

水流一進入水庫就出現(xiàn)了支流向下潛行的現(xiàn)象。在沿河床向下游流動的過程中，底部的混濁流流速加快。大約40 min以后，混濁流到達水壩所在的位置，被折回，并向上游流動，與還在向下游流動的混濁流水體相互作用。折回的混濁流向上游行進的距離大約是整個水庫長度的2/3。

盡管大約歷時1.5 h后停止沙泥流入，但大約要歷時4 h后，湖中水流的全局運動才變得不明顯。這時形成一個挾帶泥沙的水下“泥漿湖”，然后泥漿湖中的顆粒物經過幾個小時乃至數日后沉積下來。由于混濁流從已沉積的泥沙沉積物中又帶出部分顆粒物，其濃度在流動中漸漸增加?；鞚崃骺傮w上是呈侵蝕性的，因此在其前進的過程中變得越來越壯大。從水庫底部帶起的泥沙量大約為3.5萬m3，與之相比，來自入庫河流的泥沙量為0.9萬m3。

模擬了混濁流出現(xiàn)總體上侵蝕和沉積的地點，將這些通過數值方法得到的結果和遍及整個水庫的(實測)泥沙沉積層厚度進行比較，該厚度是水庫運行31 a后通過深水測量得到的。

該數值模型可以作為水庫管理的戰(zhàn)略性評估工具，以便分析各種防止水庫最薄弱的地方、水庫底部泄水孔和取水構筑物出現(xiàn)泥沙沉積的技術解決方案。以該模擬為基礎，可以進一步確定打開水庫底部出水口的最優(yōu)時間，以便能在泄洪期間排放遠離大壩的大部分泥沙，從而減少總的泥沙沉積量。

作為第1步措施，加高了已經部分被泥沙覆蓋的取水口，以保證其功能不受影響。在大壩加高17 m幾年后，這個措施就已實施。泥沙樣本和其特征顯示，目前仍然能實行良好的壓力沖沙，但是在接下來的幾年里必須做出長期的戰(zhàn)略性的決策，以保證電站進水口能在很長時期內運行。局部清除泥沙、在底部泄水孔和取水建筑物之間設置土工織物濾網和混濁流的排放措施相結合，可能得出一個可持續(xù)的解決方案。

3 排沙

3.1 排除細沙的革新方法

受水庫泥沙沉積問題的啟示，開展一項實驗研究，目的是研發(fā)一個替代的有效方法，以便將泥沙從水庫中排出。其概念是通過引水隧道和渦輪排出泥沙，由此在電站進水口上游區(qū)域的細沙上設定一個特別的重點區(qū)。專門的射流裝置提供能量，產生最佳效果的環(huán)流，這樣的環(huán)流正是使泥沙保持懸浮狀態(tài)所需要的，并在水輪機工作中增加了帶入電站進水口的泥沙量。

3.2 實驗裝置和主要結果

在一個寬2 m、高1.5 m、長4 m的矩形實驗水池中，對該新思路通過實驗加以驗證。對布置在一個水平圓環(huán)上的4個噴射器組成的圓形噴射裝置進行了系統(tǒng)研究。噴射器的特征值(噴嘴直徑dj，噴射速度vj，射流量Qj，以及噴射角度θ)和幾何形狀參數對泥沙排放的影響也被加以研究。

作為初始條件，通過氣泡混合作用造成近乎均一的泥沙濃度分布。這樣的初始條件用來模擬因混濁流衰減消弭而在水壩前形成的泥漿層。在所有實驗中，水位保持恒定，方法分別是使通過取水口排出的流量與由噴射器引入的流量相同(有噴射器實驗);或通過后墻向試驗水池補給相等的流量(無噴射器實驗)。濁度測量與流速測量相結合，得出泥沙排放效率的信息。

泥沙排放(排出泥沙比，ESR)定義為已排出的泥沙質量Pout除以初始供給的泥沙的質量Pin，表示排出泥沙量的標準化時間累計值:ESR=Pout/Pin。類似的，沉積泥沙比是已沉積的泥沙質量除以初始供給的泥沙的質量Pin。

作為參照的布置，無噴射器的實驗顯示，排出泥沙比與實驗范圍內的泄水流量幾乎呈線性關系:流量越大，排出泥沙比越高。對于某個恒定的泄水量而言，最終的排出泥沙比和沉積泥沙比都可通過一個簡單的物理方法很容易地估計出來，該方法考慮了泥沙沉積的速度以及通過水池后墻和取水口的流量所產生的流場。在實驗的流量范圍內，參照布置的排出泥沙比為0.09 ～0.37。

噴射器有效地混合泥沙:在過了將近0.5 h以后，懸浮泥沙濃度的標準偏差大約是5%;就化學性質而言，可以認為這種懸濁液是均勻的。由此，僅有極少的泥沙沉積下來，所以泥沙排放量比沒有噴射器的情況高，在實驗最大泄水量(∑Qj=4050 L/h)時，可達到ESR=0.73，這幾乎是沒有噴射器的參照布置的2倍。

此外，與無噴射器的實驗相反，在有噴射器的實驗中，可觀察到已經沉積的泥沙的再懸浮現(xiàn)象。一旦到達循環(huán)流的穩(wěn)態(tài)條件，再懸浮就開始了，這在流量高于實驗確定的限值時可以檢測到。實測的再懸浮率變化顯示，在時間遠大于泥沙駐留時間的條件下，所有最初供給的泥沙都可以被排出。

標準化的最優(yōu)幾何參數組合確定如下:噴射裝置距離池底的凈空C/B=0.175，取水口高度hj/B=0.25，噴射裝置與水池前墻的距離 daxis/B=0.525，兩個相鄰噴射器距離lj/B=0.15，噴射角度θ=0°，池中水深h/B=0.6。在最優(yōu)條件和實驗最大噴射流量(∑Qj=4050 L/h)的條件下，4 h后，可達到排出泥沙比ESR=0.73。在無噴射器和取水口中通過同樣的流量(4050 L/h)的條件下，排出泥沙比ESR=0.37。

相應的流態(tài)類似于軸向的混合器，據有關文獻報道，這種形式有利于泥沙保持懸浮。

噴射器的效率是通過比較在不同條件下得到的排出泥沙比確定的:一個是在有噴射器的條件下，一個是在沒有設置噴射器的條件下。對于噴射器最優(yōu)配置，基于時間和流量之間獨立的經驗關系的噴射器效率預測值大約是1.7。通過實測數據可知，噴射器的效率依賴于流量，并隨著時間增長。在暫態(tài)過程結束及再懸浮開始之時，噴射器的效率大約是1.5。在實驗最高流量條件下(∑Qj=4050 L/h)，4 h后，效率接近2(近似等于1.7τm，τm是泥沙平均滯留時間)。

由于實驗中使用泥沙顆粒的粒徑細小，其實用范圍主要針對大型水庫。因為在大型水庫中，沿深泓線，泥沙粒徑得到很好地分配，只有細小的泥沙顆粒可能在水壩前面出現(xiàn)，如同混濁流輸送泥沙的情況。

在瑞士莫瓦桑(Mauvoisin)水電站，250 m高的壩形成了一座大型水庫，在該實例研究中，人們首次嘗試將研究結果按比例擴大運用于實際，以現(xiàn)有輸水隧道的有效流量和水頭為基礎，推薦采用一個初步的優(yōu)化環(huán)狀噴射器裝置。盡管還沒有進行過天然尺度的試驗，可以預計，設置環(huán)狀噴射器裝置將比不設置該裝置能排出更多的泥沙。此外，泄水構筑物附近區(qū)域的泥沙沉積將大為減少，從而可以避免堵塞。

一項經濟分析顯示，噴射器是一種費用較低的裝置。已完成的實驗證明，該裝置對于達到提高泥沙排放及減少水庫泥沙沉積的目標至關重要。

4 結論與展望

盡管人們對于水庫泥沙沉積的原因和過程已經頗有認識，但是可持續(xù)的、預防性的措施在新建水庫的設計中還是很少被考慮到。為了避免水電站的運行出現(xiàn)問題，現(xiàn)有水庫中，人們往往采取短效措施解決泥沙沉積問題。由于大多數措施在短時間內會喪失其效果，可能因此威脅到水庫的可持續(xù)運行和有價值的峰荷電能的生產。

目前全球水庫每年由于泥沙沉積導致的平均庫容損失，已經高于為灌溉、防洪、供水及水力發(fā)電而新建水庫所增加的庫容量。例如在亞洲，可以用于水力發(fā)電的80%的有效庫容在2035年將消失。在阿爾卑斯地區(qū)，水庫庫容損失率明顯低于世界平均水平，但是氣候變化對將來的影響會進一步增加進入水庫的泥沙產量。

在狹長水庫中主要的泥沙沉積－輸移過程是混濁流的形成過程。本文描述了混濁流引起的泥沙沉積過程，并列出一些實例研究的數值模擬結果?；鞚崃骺梢员晃挥谒畮焐嫌尾糠值恼系K物所攔截，并迫使其挾帶的推移質沉積下來，以保持泄水建筑物免受泥沙堵塞。在某些情況下，排放混濁流是可行的——這意味著通過底部泄水孔排放混濁流。

一種創(chuàng)新性的技術被研發(fā)出來，用于通過電站引水隧道和水輪機排放細小的泥沙。通過噴射器促使水流呈類似軸向混合器狀的環(huán)流，保持泥沙處于懸浮狀態(tài)，懸浮泥沙被帶入發(fā)電進水口的數量增加了，泥沙排放量也因此大大增加。

本文列舉的幾種措施的組合可提供最佳的解決辦法。盡管目前尚未進行過自然比尺的試驗，但通過取水建筑物排沙的新方法的實驗結果仍有很大的前景。