蔡庄水库泄流排沙建筑物的选择确定

1006-8139(2001)04-36-4蔡庄水库泄流排沙建筑物的选择确定

赵克梅　凌来文(山西省水利科学研究所)

文摘:文中论述了蔡庄水库为了减淤恢复库容,其泄流排沙洞应选定的泄流规模及相应的滩槽库容和运用年限。关键词:水库;　泄流排沙洞;　槽库容;　滩面库容前言蔡庄水库于1960年8月拦洪蓄水运用以来,一直采用蓄洪排清运用方式,水库泥沙淤积十分严重,至1989年底淤积库容已达1260×104󰁧,侵占兴利库容90163%,侵占防洪库容20%,坝前泥沙淤积面仅比溢洪道底坎低1123m。水库泥沙淤积使水库失去了兴利库容,防洪库容逐年也在缩小,迫使水库管理部门不得不把该库的防洪安全、泥沙淤积处理、恢复兴利和调洪库容放在首位工作考虑。增设泄洪排沙设施是首选方案,但如何确定泄洪排沙建筑物型式、规模、相对位置,使泄洪和排沙都处于理想状态?一旦泄洪排沙建筑物实施,水库运用方式应如何选定,终极库容为多大?都是急切回答的问题。本文出于回答这些问题的目的,展开了分析探讨,分析探讨结论和定量计算结果供该库改建工程方案决策参考。1　水库基本情况1.1　水库情况蔡庄水库位于黄河流域汾河水系潇河上游的白马河西支上。控制集水面积223󰁨,其中土石山区111󰁨,黄土丘陵区112󰁨。水库总库容2070×104󰁧,其中死库容210×104󰁧,兴利库容960×104󰁧,防洪库容900×104󰁧,是一座以防洪为主、结合灌溉养鱼的中型水库。水库始建于1959年,1960年8月拦洪蓄水,三十多年一直采用蓄洪排清运用方式,大坝为均质土坎,坝高2212m,坝长260m;溢洪道位于坝右岸,开敝式,相对高17m,矩形断面,最大泄量264󰁧/s;输水洞:位于大坝左岸,洞径112m,洞长95m,相对高度814m,最大泄量718󰁧/s。1.2　来水来沙情况蔡庄水库建库以来因诸多原因未建进库水文观测站,根据下游芦家庄和独堆水文站的水沙实测资料,采用相关分析和面积加权法推算,该库多年平均径流量84415×10

4󰁧,汛期径流量551×104󰁧,汛

期平均流量0152󰁧/s,年输沙量44164×10

4󰁧,汛

期平均入库含沙量10513×kg/󰁧。蔡庄水库多年平均降雨量52011mm,汛期平均降雨量382mm,占年降雨量73145%。年际年内降雨分配极不均匀,主要集中在汛期6～9月,更集中在7、8两个月。1.3　水库淤积现状蔡庄水库蓄水运行三十多年中,先后进行了五次测淤工作,由于多种原因至今保存较完整、精度较高的测淤资料不多,以1989年5月测淤资料结果看,水库泥沙淤积达到1260×10

4󰁧,年均淤积量40

×10

4󰁧以上,同采用芦家庄、独堆水文站资料推求

的入库沙量相差不大,水库淤积量占总库容60187%,年淤积率2103%,泥沙侵占兴利库容90163%,侵占防洪库容20%,坝前泥沙淤积相对高度15177m,仅比溢洪道底坎低1123m;库区泥沙淤积滩面比降111‰,床沙粒径d

50=01005

～

010368mm,距坝轴线愈远沙粒愈粗。蔡庄水库库形分左、右两支,其中左支较长,最高水位回水长度3350m;右支较短,最高水位回水长度2500m,但是,两支沟滩面淤积纵坡比降却基本相同。2　水库泄流排沙设施的确定2.1　泄流排水建筑物型式水库泄流排沙建筑物的型式,通常有底孔、涵洞、隧洞、廊道、闸堰等多种,归纳起来基本型式为孔流和堰流两种,水力学常用公式:

孔流:Q=meb2gH=K

1H1/2(1

)

汇流:Q=mb2gH

3=K2H3/2(2)

经对两式微分,

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第4期(总第140期) 山西水利科技 No.4(TotalNo.140

)

2001年11月 SHANXIHYDROTECHNICS Nov.2001

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dQ

dH=

K

3

H(3)

堰流:

dQ

dH=K4H(4)

从式(3)、(4)看出,堰流过水能力随水头增加比孔流大得多,能迅速降低库水位,避免洪水长时间上滩,对防止滩地淤积是有利的,但由于堰流工程布置位高,难以排泄洪水垂线底部高含沙浓度洪水,特别是不能冲刷降低前期淤积滩面以扩展形成槽库容,

对提高排沙效果和恢复库容是极不利的。因此泄流排沙建筑物既要对防洪安全有利,又要使泥沙处理、恢复库容效果好,其型式选择以堰流和孔流相结合为佳,即排沙底孔以排沙恢复库容需要确定断面,而堰流以调洪需要去确定几何尺寸。2.2　泄洪排沙洞底坎高程2.2.1　排沙洞底坎高度对滞洪排沙效果影响(1)红领巾水库:红领巾水库输水洞进口高程

1116160m,导流排沙洞进口高程1104105m,1974年7月28日至30日滞洪排沙实测输水洞出口3814kg/󰁧,导流排沙洞出口为81714kg/󰁧,导流排沙洞比输水洞低12155m,出口含沙量却高21倍。(2)恒山水库:恒山水库泄洪排沙洞高出河床

1415m,导流排沙洞高出河床216m,用泄洪洞排异重流,出库含沙量一般为入库含沙量的70%,而用导流洞排沙,出库含沙量是入库含沙量的124%。(3)多年平均排沙率的区别:以恒山水库和黑松

林水库相比较,恒山水库泄洪排沙洞相对于河床高度比黑松林水库高2m,恒山水库多年平均排沙比为56%,黑松林水库为84%,洞低2m排沙率高了28%。从以上三个水库情况比较说明,泄洪排沙洞设置愈低,排沙效果愈突出。2.2.2　排沙洞底坎高度对恢复库容的影响水库泄空后,水流冲刷造槽恢复库容为V=(BhZ0+BZ20/2+mZ30/3)/J(5)式中:B为冲槽底宽,h为冲槽深,m为冲槽边坡系数,J为淤积滩面纵坡比降,Z0为排沙洞低至正常水位高。当排沙洞底坎位置愈低,Z0趋于愈大,冲槽恢复库容迅速增大,说明排沙洞设置愈低使恢复库容量愈大。2.2.3　排沙洞底坎高度对粗砂运行影响排沙洞设置高度愈低,空库冲刷主槽纵坡比降

愈陡,纵坡陡极易造成粗泥沙向洞前运动,造成排沙洞前闸门关闭不严等问题,所以洞位又不能设置太低。参照官厅、恒山水库库尾三角洲泥沙中值粒径d50=011～012mm,选定D50=011mm,作为蔡庄水库粗泥沙向坝前推进的临界粒径,用该库汛期平均流量Q

K,汛期平均含水量S,

按式

J0=0100445[(S/QK)1/2・D50]0.59(6)计算蔡庄水库冲槽纵坡比降J0≤0.056。蔡庄水库校核洪水位相对于坝前河床高度H=

21m,相应回水长度L0=3350m,排沙洞高出河床ΔH=H-J

0L0=2.24m,即排沙洞高出原河床215m

左右为妥。2.3　泄流排沙洞的规模确定水库蓄水运用,当水库在蓄洪排沙时,要求排沙洞几何尺寸不易过大,尽可能节省水,且闸门小省电易操作;当水库处于空库排沙冲槽造槽运用时,要求排沙洞几何尺寸大较好,不阻水不壅水,排沙效果好,冲槽恢复库容大,这就形成了矛盾性。故排沙洞泄流规模只能通过计算分析选定。2.3.1　水库蓄洪排沙运用方式要求泄量值根据清华大学泥沙研究室提出的经验公式QP=K1Q0.8K(7)式中,QP为蓄洪排沙运用流量值;K1为系数,

一般取值20～30;QK为多年平均汛期流量,即Q

P

=1418󰁧/s。

2.3.2　水库泄空排沙运用方式要求泄量值为了提高空库排沙效果,尽可能扩大冲槽库容,

要求排沙洞泄流量QN≥K2Q0.6K,式中K2为系数,取值30～50,取K

2=40代入式计算QN=27󰁧/s

。

从以上两种运用方式要求的排沙洞泄流量计算值看,很难达到相统一。从其绝对值看都较小,故泄洪排沙洞泄流规模确定30󰁧/s较妥。3　水库最终形式的特征库容蔡庄水库通过改建工程增设泄洪排沙洞建筑物,按黑松林、恒山等水库运用情况看,一旦水库有机会泄空冲槽排沙,就可发展形成一定的槽库容来调蓄蓄洪排沙运用年段的淤积泥沙,最终使水库达到冲淤平衡状态。故此要确定水库槽库容量、蓄洪排沙运用年限几个特征值。3.1　槽库容的确定3.1.1　造床流量采用黄科所公式Q

造=7.7Q0.85K+90Q1/3K,

将蔡

庄水库汛期平均流量值代入式中计算,该库造床流・73・

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