巴家嘴水庫泥沙淤積現(xiàn)狀分析及清淤措施

曹 強

(慶陽市巴家嘴水庫管理所，甘肅 慶陽 745000)

0 前 言

巴家嘴水庫自建庫至今，經(jīng)過59 a的運行，庫區(qū)灘面淤積固結(jié)十分嚴重，已形成“死灘”，在水流作用下泥沙顆粒不易起動，僅通過蓄水運用、滯洪排沙、蓄清排渾、降水沖刷等措施難以實現(xiàn)清淤目的。隨著水庫淤積庫區(qū)河床繼續(xù)抬高，淤積末端將繼續(xù)上延，由于泥沙淤積影響，很可能導(dǎo)致樞紐進水口淤堵、閘門啟閉困難等問題出現(xiàn)。此外，壩前淤積將增加作用于水工建筑物上的泥沙壓力，影響壩體的抗滑穩(wěn)定，同時使進入泄水孔口中水流含沙量增加，而加劇對過水建筑物的磨損，影響建筑物和設(shè)備的效率和壽命。因此，巴家嘴水庫選擇合適的工程措施進行水庫清淤非常重要。本文在詳細分析水庫淤積現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對水庫淤積成因進行分析，并在分析泥沙淤積物起動條件的基礎(chǔ)上，提出水庫清淤措施，為水庫清淤提供借鑒。

1 工程概況

巴家嘴水庫位于涇河一級支流蒲河中段，鎮(zhèn)原、西峰交界處，地處黃土高原地區(qū)，壩址以上集雨面積3 478 km2，總庫容5.4億m3，是一座集防洪、供水、灌溉及發(fā)電于一體的Ⅱ等大(2)型水庫，為慶陽市城市供水主要水源地，距慶陽市區(qū)19 km。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。所處區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，工程抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。水庫現(xiàn)狀防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位1 120.95 m；2000年一遇洪水校核，校核洪水位1 125.94 m。正常蓄水位1 115.00 m，防洪限制水位為1 111.00 m，死水位1 095.00 m。1958年9月動工修建，1962年7月基本建成，后經(jīng)3次加高達到現(xiàn)狀規(guī)模。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞、泄洪洞、增建泄洪洞組成。大壩為黃土均質(zhì)壩，現(xiàn)狀最大壩高75.6 m，壩頂高程1 126.30 m，壩頂長539 m，寬6 m。

2 水庫淤積現(xiàn)狀及成因分析

2.1 巴家嘴水庫淤積現(xiàn)狀

根據(jù)水利部批復(fù)的《巴家嘴水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》[1]，除險加固工程完成后，水庫正常蓄水位確定為1 115.00 m，設(shè)計運行至2038年水庫總淤積量為39 622萬m3，相應(yīng)有效總庫容13 780萬m3，正常蓄水位1 115.00m以下庫容2 030萬m3，汛限水位1 111.00 m以下庫容635萬m3。根據(jù)2019年10月庫容測驗成果，水庫有效總庫容13 728萬m3，正常蓄水位1 115.00 m以下有效庫容539萬m3。水庫運行59 a已經(jīng)達到設(shè)計淤積量，總庫容也與設(shè)計總庫容相差無幾。由于水庫快速淤積，目前調(diào)節(jié)庫容僅相當(dāng)于設(shè)計調(diào)節(jié)庫容的26.5%，防洪庫容僅剩余1.366億m3，與設(shè)計的防洪庫容1.304億m3相比僅相差620萬m3。巴家嘴水庫水位～庫容對照表和曲線分別見表1和圖1，淤積現(xiàn)狀見圖2。

表1 巴家嘴水庫歷次水位～庫容對照

巴家嘴水庫天然河道河床縱剖面平均比降為22.60%。水庫縱剖面淤積形態(tài)為錐體淤積形態(tài)，且平行淤高[2]。水庫運行以來河床深泓點縱剖面和灘地縱剖面在水庫運用的過程中從整體上看基本上是平行淤積抬高。但在水庫蓄水運用、滯洪排沙、蓄清排渾、降水沖刷的不同運用方式下，河床縱剖面亦有局部不同的變化。沖淤平衡比降約為2.60%，沖刷平衡比降約為4.70 %；庫區(qū)灘比降較均勻；灘槽淤積平衡比降約為2.60%，黑河淤積比降較小，沖刷比降較大；黑河淤積平衡比降約為2.35%。由于水庫灘、槽不斷淤積抬高，使水庫淤積末端不斷向上游延伸，現(xiàn)狀蒲河淤積末端距壩約28 km，今后隨著水庫淤積庫區(qū)河床繼續(xù)抬高，淤積末端將繼續(xù)上延。黑河為蒲河的最大支流，與蒲河匯合于距壩8.4 km左右處，淤積縱剖面變化過程與蒲河基本一致，現(xiàn)狀水庫淤積末端距壩約27 km。

巴家嘴水庫原設(shè)計校核洪水位1 125.94 m高程以下總庫容為5.11億m3。1997年10月1 125.94 m高程以下相應(yīng)庫容為1.98億m3，庫容損失3.13億m3，淤損率61.3%；2004年1 125.94 m高程以下相應(yīng)庫容為1.85億m3，庫容損失了3.26億m3，淤損率63.7%；2008年9月1 125.94 m高程以下相應(yīng)庫容為1.74億m3，庫容損失了3.37億m3，淤損率66%；2019年11月1 125.94 m高程以下相應(yīng)庫容為1.37億m3，庫容損失了3.74億m3，淤損率73%，總庫容變化見圖3，從圖中可以看出該水庫泥沙淤積量巨大且淤積速度快。

2.2 巴家嘴水庫泥沙淤積成因分析

巴家嘴水庫位于黃土高原上，每逢暴雨水沙俱下形成高含沙洪水。因黃土高原黃土組成較細，使高濃度渾水具有賓漢流體特征甚至形成偽一相流[3]。長期的干旱使表層黃土嚴重風(fēng)化，表層黃土非常疏松，無論暴雨大小，是否形成入庫洪水，在每年的3—10月份都會形成高含沙入庫水流。巴家嘴水庫入庫基流為上游兩岸岸壁滲出的泉水，僅1個流量左右，當(dāng)有降雨時，即形成沙峰，由于該地區(qū)降雨皆為暴雨，因此呈現(xiàn)出含沙量猛漲猛落、來沙集中的特性[4]。

由于巴家嘴水庫流域內(nèi)小暴雨也能形成高含沙水流入庫，因此，在實測水沙過程中，常常會看到幾個流量挾帶幾百公斤含沙量的現(xiàn)象，洪水猛漲猛落、峰高量小歷時短、來沙集中。由于巴家嘴水庫流域地形和暴雨特性，使入庫洪水過程呈猛漲猛落類型，洪峰歷時一般不超過20 h，短則2～3 h。全年入庫沙量中，幾次暴雨洪水造成的沙量占很大比例，按流量大于50 m3/s為洪水期計，以1956—1996年資料統(tǒng)計，洪水期累積來水量18.55億m3，占總來水量的35.2%，來沙量9.66億t，占總來沙量的79.3%。非洪水期累計來水量35.64億m3，占總來水量的65.8%，來沙量2.67億t，占總來沙量的21.7%。此外，近年來為了保證慶陽城市供水，水庫未能按批復(fù)的“主汛期敞泄排沙”方式調(diào)度運用，在主汛期仍蓄水運用，加重了水庫淤積。

3 巴家嘴水庫清淤措施

巴家嘴水庫泄洪洞、輸水洞、增建泄洪洞均布置在壩區(qū)的左岸。隨著水庫的運行，在左岸已形成了明顯的沖刷漏斗，右岸形成了淤積，且?guī)靺^(qū)灘面淤積固結(jié)十分嚴重，已形成“死灘”，為了清除庫區(qū)歷史形成的“死灘”淤積，可采取“高渠泄水沖刷”等有效措施進行清淤排沙，進一步擴大水庫興利庫容，減少水庫淤積，提高水庫綜合利用效益，并延長水庫使用壽命。

3.1 水庫減淤措施可行性分析

根據(jù)該水庫的淤積現(xiàn)狀和工程條件，可采用的減淤措施包括水力清淤、機械清淤、基流排沙清淤等，下面對上述措施進行可行性分析。

(1) 水力清淤

水力清淤是一種采用高壓水槍噴出高速水流，將土體切割、粉碎，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合液，再由泥漿泵及其輸泥管輸送到指定位置堆填，以達到對散粒、淤泥等土體進行挖掘、運輸、堆填目的施工工藝方法[5]?？紤]到巴家嘴水庫黃土膠泥對年淤積固結(jié)程度高，高壓水槍距離工作面較遠，可能會出現(xiàn)高壓水槍的水柱在到達沖挖面時動力不足的情況，所以該方法不可行。

(2) 機械清淤

機械清淤是指利用機械設(shè)備挖除淤積泥沙，進行水庫清淤的措施。首先抓斗、吸頭、絞刀、靶頭等挖取或吸取淤泥，再利用車輛、泥駁、輸泥管等設(shè)備運輸，該方法成本高、見效慢，且由于庫區(qū)兩岸表層為新的淤積面，施工機械進入該區(qū)域作業(yè)危險系數(shù)較高，同時還存在機械清淤工程造價高，泥沙可能快速回淤等缺陷，因此，機械清淤方法不宜作為巴家嘴水庫的主要清淤措施。

(3) 基流排沙清淤

基流排沙清淤是指放空水庫后保持泄水閘門開啟，依靠河道中低含沙量的正常水流沖刷主槽，使主槽側(cè)壁的淤泥滑塌排出，進行水庫清淤的方法。該方法為巴家嘴水庫目前采取的主要清淤方法，2020年和2021年，利用汛期6—8月3個月的時間，進行空庫迎洪，利用基流沖刷主槽進行排沙清淤。根據(jù)2021年汛末保守測算，巴家嘴水庫已增加有效庫容200萬m3，但由于巴家嘴水庫近些年上游來水偏少，根據(jù)實際經(jīng)驗測算每1 m3泥沙需要5～7.5 m3水量。該方法雖然可以減少一定的庫區(qū)淤積，但受到上游來水量影響較大，且巴家嘴水庫為慶陽市主城區(qū)的唯一水源，在上游來水偏少的情況下，有限的水量只能用于保障慶陽城區(qū)供水，使該方法具有一定的局限性。

從可行性分析結(jié)果看，上述幾種清淤方法均存在一定的局限性。據(jù)此，本文提出基流排沙清淤與高渠泄水沖刷清淤相結(jié)合的清淤方法，下文在分析巴家嘴水庫泥沙淤積物的起動條件的基礎(chǔ)上對該清淤方法進行詳細分析。

3.2 巴家嘴水庫泥沙淤積物的起動條件

1983年10月巴家嘴水庫泥沙干容重及顆分成果見表2，從表中可以看出，巴家嘴水庫庫區(qū)淤積物泥沙的中值粒徑變化范圍為0.025～0.052 mm，其中上游床沙粒徑大于下游粒徑。泥沙的干容重變化范圍為1.01～1.7 t/m3，上游干容重小，下游干容重大。

表2 巴家嘴水庫1983年10月庫區(qū)干容重及顆分成果

床沙起動流速受重力黏結(jié)力的影響，顆粒越粗，重力影響越大[6]；顆粒越細，黏結(jié)力影響越大，起動流速也越大。計算起動流速公式較多，其結(jié)果也不盡相同?？紤]到巴家嘴水庫泥沙的特征，采用張瑞瑾公式[7]計算庫區(qū)泥沙起動條件。

(1)

公式(1)中:D為床沙粒徑，mm;h為水深，m;γs泥沙容重，t/m3；γ水的容重，kg·m-3。

表3～6為計算得到的不同粒徑泥沙起動流速隨水深變化情況。計算結(jié)果表明，水深越小泥沙的起動流速越小，泥沙顆粒越大起動流速越小。由于庫區(qū)淤積的泥沙顆粒小于0.1 mm，根據(jù)希爾茲曲線可知，泥沙顆粒小于該粒徑時，泥沙起動流速隨粒徑增大而減小，與計算結(jié)果的變化規(guī)律一致。

表3 泥沙粒徑0.025 mm的起動流速

表4 泥沙粒徑0.035 mm的起動流速

表5 泥沙粒徑0.045 mm的起動流速

表6 泥沙粒徑0.052 mm的起動流速

3.3 水庫清淤措施建議

基于上述清淤措施可行性以及泥沙起動條件分析結(jié)果，針對巴家嘴水庫上游來水量有限、城市供水需求大的工程特性，本文建議采用基流排沙與高渠泄水沖刷相結(jié)合的清淤方式，用較低的清淤成本、在有限的上游來水量條件下，實現(xiàn)水庫清淤、恢復(fù)有效庫容的目標。

高渠泄水沖刷的思想是在右側(cè)的灘面上疏浚開挖深槽，在深槽與庫區(qū)的主槽間開挖淺槽，通過工程措施，將一部分水流引入右側(cè)的深槽中，當(dāng)深槽的水位上升到一定程度，深槽中的水流將通過淺槽流向主槽，利用高灘深槽形態(tài)造成的比降在水力沖刷與重力侵蝕的作用下，對庫區(qū)堆積物進行破離與輸移形成沖刷，最終達到?jīng)_刷高灘泥沙至主槽的效果[7]。圖4為高渠泄水沖刷示意圖。

由于巴家嘴水庫庫尾不宜修建攔水壩，非汛期水流難以從主槽進入高灘。因此，考慮在水庫上游庫尾附近斷面設(shè)置虹吸管道，通過虹吸的方式將主槽中的水體引入到高灘上。虹吸管的正常工作需要滿足出口處的水頭低于進口處的水頭，設(shè)計時需滿足上下水頭差的條件。虹吸管道流量采用淹沒出流計算:

(2)

(3)

公式(2)～(3)中:μ為虹吸管流量系數(shù)，對于鋼筋混凝土管可取0.027；l為虹吸管道長度,m；d為管徑,mm;ξ為局部水頭損失,m。

虹吸管的流速：

v=Q/A

(4)

虹吸管的最大安裝高度：

(5)

公式(5)中:p2為虹吸管頂端的壓強,Pa。

挖槽底端最上游處的高程應(yīng)低于虹吸管取水口處的水位。高灘上挖槽底面應(yīng)保持一定的坡降，直到水庫壩區(qū)，使虹吸管口的出流能運行到壩前。壩前的挖槽與水庫的深槽相連，由于灘面和深槽間的高差較大，使壩前挖槽內(nèi)的水流速度增大，可將灘面的泥沙帶入到深槽，并在汛期由泄洪洞和增建泄洪洞排出。

4 結(jié) 論

(1) 水庫淤積成因主要包括兩方面：一是庫區(qū)周圍黃土高原疏松的細顆粒黃土經(jīng)暴雨沖刷形成高含沙洪水入庫;二是為保證慶陽城市供水，水庫未能按批復(fù)的“主汛期敞泄排沙”方式調(diào)度運用。

(2) 經(jīng)過對清淤措施可行性的討論，分析水庫泥沙的起動條件，采用基流排沙與高渠泄水沖刷相結(jié)合的清淤措施，在滿足慶陽市供水需求的條件下，綜合運用工程措施和少量上游來水，實現(xiàn)以較低的清淤成本，達到緩解淤積問題、恢復(fù)有效庫容、延長使用壽命的目的。

巴家嘴水庫作為慶陽市城區(qū)目前的主供水源，水庫從1960年2月運用至2019年10月，水庫累計淤積已達4.11億m3，年均淤積685萬m3。泥沙淤積量巨大且淤積速度快，導(dǎo)致該水庫已不能滿足調(diào)蓄要求。按照慶陽市政府的整體規(guī)劃巴家嘴水庫在2025年較現(xiàn)狀年增加供水量479萬m3，遠期2030年恢復(fù)調(diào)節(jié)庫容至2 000萬m3，較現(xiàn)狀年增供水量1 048萬m3，因此，在利用好有限的上游來水量，通過基流排沙與高渠泄水沖刷相結(jié)合的清淤措施進行高效清淤，實現(xiàn)水庫清淤擴容的目標，緩解水庫嚴重的淤積問題，延長水庫使用壽命，使巴家嘴水庫更好地為慶陽人民造福。