關(guān)于新疆奴爾水庫(kù)實(shí)體模型的非工程措施沖淤效果分析研究

◎肖俊 張桂林 郭華 姚鵬亮 鄭忠 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

水是生命之源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加，人們逐漸加大對(duì)水資源的利用，然而在世界各國(guó)水資源存在時(shí)空分配不平衡，而水庫(kù)具有發(fā)電、供水、防洪、灌溉等功能。因此二戰(zhàn)過(guò)后，世界各國(guó)開始加大水庫(kù)的建立，但是針對(duì)在庫(kù)岸再造過(guò)程中的集中塌岸引起的淤積導(dǎo)致水庫(kù)產(chǎn)生安全隱患問(wèn)題始終存在，如何解決塌岸導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行安全隱患問(wèn)題是當(dāng)代學(xué)者研究的主要課題之一。

當(dāng)河道、庫(kù)岸發(fā)生崩塌后，塌入河道中的岸坡土體使泥沙來(lái)量和含沙量在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，導(dǎo)致水庫(kù)短期內(nèi)出現(xiàn)大量的淤積，縮短水庫(kù)使用壽命。舒安平等人以黃河上游沙漠寬谷、磴口、烏海河段為例，得出粘性河段的塌岸后退距離大于風(fēng)沙堆積河段，局部河段短期出現(xiàn)凹退凸淤的動(dòng)態(tài)岸線變化特點(diǎn)。樊克通過(guò)分析水庫(kù)塌岸的研究思路、方法和發(fā)展趨勢(shì)等，認(rèn)為庫(kù)岸巖土類型和性質(zhì)以及巖土抗沖蝕能力是決定庫(kù)岸巖土類型和性質(zhì)以及巖土抗沖蝕能力的主要因素。張巖等人以大石峽水利樞紐為例，采用“門前清”的水庫(kù)泥沙運(yùn)行方式，即在沖砂洞進(jìn)口形成沖刷漏斗，使發(fā)電洞進(jìn)口位于沖刷漏斗范圍內(nèi)，從而解決發(fā)電站進(jìn)口泥砂問(wèn)題。蔣思奇等人利用數(shù)學(xué)模型對(duì)不同時(shí)期小浪底水庫(kù)水動(dòng)力-強(qiáng)人工措施排沙時(shí)機(jī)、強(qiáng)度及部位進(jìn)行計(jì)算論證，高效排沙的同時(shí)改善水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)。水庫(kù)塌岸問(wèn)題往往會(huì)造成有效庫(kù)容急劇降低，大大縮短水庫(kù)使用壽命和綜合效益。因此當(dāng)代學(xué)者逐漸加大對(duì)水庫(kù)塌岸影響以及非工程措施方式進(jìn)行了沖沙運(yùn)行的研究。

本次以奴爾水庫(kù)為例，研究庫(kù)岸再造過(guò)程中的集中塌岸引起的淤積現(xiàn)象，同時(shí)采用“門前清”沖沙和敞泄沖沙的非工程措施方式進(jìn)行沖沙運(yùn)行，分析庫(kù)區(qū)地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與采用沖沙方式運(yùn)行后的實(shí)際沖沙量，總結(jié)出更有效的水庫(kù)沖沙方式。

1.河流特性及水庫(kù)概況

奴爾河發(fā)源于昆侖山中段卡拉塔什山北坡，最高峰海拔6413m，山區(qū)平均高度3853 m。奴爾河流域位于策勒縣城東南，地理坐標(biāo)為東經(jīng)80°45′～81°48′，北緯35°54′～36°05′。奴爾水利樞紐工程位于奴爾河中下游河段，是奴爾河上的控制性工程，是一座承擔(dān)灌溉、發(fā)電綜合利用任務(wù)的樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容為0.69億m，正常蓄水位為2497m，死水位2465m，電站總裝機(jī)容量為6.2MW，多年平均年發(fā)電量為0.217億KW·h。工程由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等組成。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高80m。工程地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2.問(wèn)題的引出

奴爾水利樞紐工程于2018 年8月5日開始一期蓄水，到2019年9月下旬，采用簡(jiǎn)易重錘法測(cè)量，導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞泥沙淤積高程約2460.0m。2019年10月底對(duì)水庫(kù)區(qū)水下及水上現(xiàn)狀地形進(jìn)行了復(fù)測(cè)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，目前水庫(kù)因坍岸造成死庫(kù)容基本上全部淤損，僅在聯(lián)合進(jìn)水口前形成47m×18m（長(zhǎng)×寬），深約10m的漏斗，壩前泥沙問(wèn)題提前暴露，主要是水庫(kù)粉土坍岸導(dǎo)致。

3.庫(kù)區(qū)塌岸評(píng)價(jià)

3.1 前期塌岸分析評(píng)價(jià)

奴爾水利樞紐工程水庫(kù)區(qū)滑坡主要位于奴爾河河谷兩岸Ⅰ～Ⅳ階地及后緣谷之上。經(jīng)調(diào)查，庫(kù)區(qū)岸坡粉土分布范圍及厚度較大，形成的庫(kù)岸再造和增加庫(kù)區(qū)的淤積危害性較大。根據(jù)粉土分布范圍、位置將坍岸分為6個(gè)區(qū)（QHP1～QHP6），見庫(kù)區(qū)坍岸分區(qū)圖（圖1）。

圖1 水庫(kù)坍岸示意圖

通過(guò)工程區(qū)試驗(yàn)成果，粉土粘粒含量極少，約3～5%，為低液限粉土，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》進(jìn)行庫(kù)岸坍塌預(yù)報(bào)分析計(jì)算，粉土厚度采用鉆孔資料及物探實(shí)測(cè)成果；淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角，通過(guò)本地區(qū)試驗(yàn)成果及相鄰地區(qū)邊坡穩(wěn)定經(jīng)驗(yàn)值比較，確定取12°；β為岸坡水上穩(wěn)定坡角，經(jīng)本地區(qū)邊坡穩(wěn)定坡角統(tǒng)計(jì)及綜合考慮巖土狀況，確定取27°。進(jìn)行坍塌土體體積計(jì)算，水庫(kù)庫(kù)岸坍塌量見表1。

表1 庫(kù)岸坍塌量匯總表

3.2 后期蓄水塌岸預(yù)測(cè)

奴爾水利樞紐工程于2018年8月5日進(jìn)行的初期下閘蓄水，水位限制在2475.00m以下，2019年8月25日進(jìn)行的二期下閘蓄水，2019年9月25日蓄至歷史最高水位2488.04m，截止到2019 年11月16日庫(kù)水位為2479.20m。水庫(kù)蓄水過(guò)程中，庫(kù)岸自然條件發(fā)生急劇變化，在庫(kù)水位變化范圍內(nèi)的土體處于飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度下降，加之庫(kù)水對(duì)庫(kù)水位附近土體的沖刷及掏蝕作用，使得土坡在重力作用下發(fā)生變形破壞，破壞形式將主要表現(xiàn)為土體坍塌、滑塌。根據(jù)2019年已經(jīng)坍岸的水上、水下坡度統(tǒng)計(jì)，水下坡度6°～12°，水上坡度30°～40°。結(jié)合前期勘察資料，進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)水庫(kù)蓄水至高程2497.00m（正常蓄水位）時(shí)庫(kù)區(qū)坍岸情況。

根據(jù)以上分析，后期水庫(kù)蓄水至高程2497.00m（正常蓄水位）時(shí)，預(yù)測(cè)后期坍岸總方量尚有852.21萬(wàn)m。庫(kù)岸坍塌量見表2。

表2 庫(kù)岸坍塌量匯總表

4.水庫(kù)2019年坍岸及淤積部位分析

2019年10月底，死庫(kù)容淤積量1718萬(wàn)m，正常蓄水位以下庫(kù)容淤積量1690萬(wàn)m，調(diào)節(jié)庫(kù)容淤積量28萬(wàn)m，總庫(kù)容淤積量1593萬(wàn)m。上述淤積量含2018年和2019年河流泥沙淤積量約103萬(wàn)m，實(shí)際坍岸所造成的凈淤積量約1490萬(wàn)m。

4.1 水庫(kù)2019坍岸情況分析

①壩址至距壩左岸900m范圍內(nèi)，坍岸輕微；②距壩左岸900m至2150m范圍內(nèi)，坍岸范圍很大，坍岸寬度在290 m 左右，最大塌方高度約接近100m；左岸支溝坍岸長(zhǎng)度600m左右，坍岸寬度在90m左右，最大塌方高度約15m左右。③距壩左岸2200m至2950m的范圍內(nèi)，坍岸寬度在170m左右，塌方高度約在25m左右。④距壩左岸2950m以上的范圍內(nèi)，坍岸輕微。⑤壩址至距壩右岸760m范圍內(nèi)，坍岸寬度在240m左右，最大塌方高度約80m左右。⑥右岸其它部位坍岸長(zhǎng)度合計(jì)1100m左右，平均坍岸寬度在70m左右，最大塌方高度約20m左右。⑦右岸支溝也發(fā)生坍岸，坍岸長(zhǎng)度700m左右，平均坍岸寬度在110m左右，最大塌方高度約15m左右。

4.2 水庫(kù)淤積情況分析

根據(jù)2019 年實(shí)測(cè)1:2000 地形圖，生成數(shù)字高程DEM見圖2，為反映庫(kù)區(qū)坍岸后庫(kù)區(qū)的地形變化情況，將初設(shè)階段1:10000地形圖生成的DEM與現(xiàn)狀DEM相減，生成高程變化DEM，見圖3。①壩址至距壩岸2000m范圍內(nèi)，主河道淤積厚度在20～50m，淤積寬度在280m左右。②距壩岸2000m以上的范圍內(nèi)，主河道淤積厚度在3～20m，淤積寬度在290 m 左右。③河床右岸臺(tái)地淤積厚度在3～13m，主河道淤積厚度（包括死庫(kù)容內(nèi)棄渣場(chǎng)）在3～20m。2019年奴爾水庫(kù)庫(kù)區(qū)DEM和地形變化DEM見圖2和3。

圖2 奴爾水庫(kù)2019年庫(kù)區(qū)DEM

圖3 奴爾水庫(kù)2019年庫(kù)區(qū)地形變化DEM

4.3 坍岸淤積泥沙的沖沙必要性

（1）2019年水庫(kù)死庫(kù)容絕大部分已經(jīng)淤積，對(duì)泄流建筑物運(yùn)行操作帶來(lái)了不便，影響水庫(kù)的防洪，降低水輪機(jī)的使用壽命，因此采取沖沙措施，恢復(fù)部分死庫(kù)容，保證水庫(kù)安全運(yùn)行是非常有必要的。

（2）根據(jù)地質(zhì)分析，后期水庫(kù)蓄水至高程2497.00 m（正常蓄水位）時(shí)，預(yù)測(cè)后期坍岸總方量尚有666萬(wàn)m，所恢復(fù)部分庫(kù)容可作為坍岸的淤沙庫(kù)容，對(duì)水庫(kù)盡快轉(zhuǎn)入正常運(yùn)用是十分必要的。

（3）根據(jù)前期勘察試驗(yàn)資料中坍岸岸坡土的顆分級(jí)配情況，可確定＞0.075mm的細(xì)沙為推移質(zhì)，這部分泥沙難以被排出庫(kù)外；其余96%的泥沙為懸移質(zhì)泥沙，這部分泥沙可以隨水流排出庫(kù)外。小于0.005mm的粘粒含量占3～5%，這部分泥沙在長(zhǎng)時(shí)間靜止的情況下會(huì)發(fā)生膠結(jié)，難以被水流沖走，因此，為避免粘粒長(zhǎng)時(shí)間膠結(jié)影響沖沙，盡快采取沖沙措施是十分必要的。

5.水庫(kù)2020年沖沙效果分析

本次根據(jù)實(shí)測(cè)水沙、實(shí)測(cè)地形、水庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行情況制定了多種非工程措施，經(jīng)論證分析，最終推薦采取了“門前清”沖沙和敞泄沖沙的方式進(jìn)行了沖沙運(yùn)行，并在沖沙結(jié)束后對(duì)庫(kù)區(qū)地形進(jìn)行了測(cè)量。

5.1 “門前清”沖沙

沖沙前閘前淤積高程2462.00m左右，淤積高程高于泄洪沖沙洞頂9m，為保障沖沙洞不被淤堵，6月14日到6月22日進(jìn)行了間隙性“門前清”沖沙七次。經(jīng)過(guò)五次沖沙后，每次沖沙歷時(shí)為10分鐘左右，沖沙后發(fā)電尾水為清水。經(jīng)過(guò)前四次沖刷，水庫(kù)水位由2470.00m降至2468.00m，水庫(kù)回水范圍在300m左右，水庫(kù)蓄水量接近于空庫(kù)狀態(tài)，上游沿程沖刷作用明顯，從回水未端至上游約2km左右的河段形成約30～50m的河槽，河槽下切約5m左右。

5.2 敞泄沖沙

水庫(kù)于6月29日開始按泄流能力敞泄沖沙，至8月4日結(jié)束，沖沙歷時(shí)36天，每?jī)商鞙y(cè)一次含沙量，含沙量在280～640kg/m之間，沖沙期間下游灌區(qū)渠道淤積嚴(yán)重，對(duì)下游灌區(qū)灌溉造成不利影響，策勒縣水利局和灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及時(shí)采取必要措施，組織人力物力進(jìn)行渠道清淤，保證了下游灌區(qū)正常引水。

5.3 水庫(kù)沖沙前后庫(kù)容對(duì)比分析

根據(jù)2020年實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)地形圖生成庫(kù)區(qū)DEM，見圖4，由2019年庫(kù)區(qū)dem減去2020年DEM生成庫(kù)區(qū)地形變化DEM，見圖5，其中高程差值為負(fù)表示淤積，淤積量為230萬(wàn)m，高程差為正表示沖刷，沖刷量為1036萬(wàn)m，凈沖刷量為806萬(wàn)m，沖刷范圍達(dá)到了壩址上游3km處，沖刷后穩(wěn)定河槽寬度為120m，最大河槽寬度210m。由于坍塌泥沙淤積分布高程為左岸高右岸低，上游高、下游低，泄空沖沙時(shí)，水流靠向右岸流向壩前后，沿壩向泄洪沖沙洞出庫(kù)。奴爾水庫(kù)2019年塌岸后，死水位2465.00m以下庫(kù)容為28 萬(wàn)m，正常蓄水位2497.00m以下庫(kù)容為4687萬(wàn)m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為4659萬(wàn)m。2020年沖沙運(yùn)行后，死水位2465.00m以下庫(kù)容為390萬(wàn)m，正常蓄水位2497.00m以下庫(kù)容為5426萬(wàn)m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為5036萬(wàn)m。

圖4 奴爾水庫(kù)2020年沖沙后庫(kù)區(qū)DEM

圖5 奴爾水庫(kù)2019-2020年庫(kù)區(qū)地形變化DEM

經(jīng)對(duì)比分析可知，沖沙運(yùn)行共計(jì)清除水庫(kù)淤積量739萬(wàn)m，其中死庫(kù)容362萬(wàn)m，調(diào)節(jié)庫(kù)容377萬(wàn)m。奴爾水庫(kù)2020年沖沙后庫(kù)區(qū)DEM與2019和2020年庫(kù)區(qū)地形變化如圖4和5。

6.結(jié)論及建議

為解決奴爾水庫(kù)在庫(kù)岸再造過(guò)程中的集中塌岸引起的淤積，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行安全產(chǎn)生的隱患問(wèn)題。奴爾水庫(kù)建設(shè)管理局于2020年6月14日至8月14日采取了“門前清”沖沙和敞泄沖沙的方式進(jìn)行了沖沙運(yùn)行，并在沖沙結(jié)束后對(duì)庫(kù)區(qū)地形進(jìn)行了測(cè)量，沖沙量為740萬(wàn)m。本次推薦的水庫(kù)泥沙調(diào)度運(yùn)行方式在實(shí)際運(yùn)行中取得了很好的效果。建議下一年的水庫(kù)泥沙調(diào)度實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步系統(tǒng)研究奴爾水庫(kù)調(diào)度方式，及時(shí)總結(jié)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，為水庫(kù)安全、正常運(yùn)行提供理論依據(jù)，并形成系統(tǒng)化的科研成果，同時(shí)將科研成果的理論用于水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行中。