CH1水库泥沙

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、水库泥沙淤积,二、水库排沙,三、水库泥沙淤积计算,四、水库泥沙淤积防治,Ch1:,水库泥沙淤积及控制,水库泥沙问题,一、泥沙淤积对淹没的影响,水库蓄水，库水位抬高，造成库区淹没；泥沙淤积上延，形成“翘尾巴”，扩大淹没范围。如三门峡水库淤积上延影响西安市的安全，被迫改建。,二、库区泥沙问题,（,1,）库容损失，水库综合效益下降。修建水库后，由于水沙条件发生变化，水库库区泥沙淤积，减少了水库效益。（,2,）拦门沙坎问题泥沙淤积在库区或支流的口门形成拦门沙坎。如黄河刘家峡水库的支流兆河入汇形成拦沙坎。,我国的水库泥沙淤积问题比较严重，如长江流域水库。,（三）水库下游河床变形,水库下泄含沙量较小的水流，下游河道发生冲刷，降低洪水位，有利于防洪；另一方面，主流变化，险工上提下挫，滩地坍塌，河势不稳定。下游冲刷，造船船闸底槛不衔接，影响通航；引水口脱溜等。,水库下游来沙减少，水生物所需的有机质减少。下游河道冲刷，影响生物的栖息地。水力条件改变，对回游来生物影响。,（四）水电站运行中的泥沙问题,1,、水轮机及过水建筑物的泥沙磨损。降低机组效率、影响水电站正常运行。底孔、泄洪洞流速高，可达,30m/s,，高速挟沙水流对混凝土衬砌表面的磨损相当严重。如三门峡隧洞底部一般磨损,10mm,，最大达,80mm,。,泥沙过机还会发生机组振动和摆动的问题。,2,、厂房管路被泥沙淤堵,汛期含沙量高时，发生泥沙堵塞发电机冷却水管路系统的情况，此时电站必须降低负荷运行，甚至被迫停机。如青铜峡水库,1986.6.27,，,3,天来沙,7000,万吨，造成电站的机组冷却水管全部被堵死，被迫停机。,（四）水电站运行中的泥沙问题,3,、沙、草堵塞拦污栅,如黄河盐锅峡水库，,1964,年因此问题停机,600,小时，黄河中游天生桥水电站，库区支流皇甫船洪峰挟带大量泥沙、水草等污物入库后迅速至坝前，堵塞拦污栅，于,1981,年,7,月,5,日拦污栅被压断，停机,3,个月。,4,、电站下游泥沙淤积抬高尾水位，降低出力。,局部淤积引起水位抬高。如葛洲坝水利枢纽，大江、二江下泄水流不畅，发生局部淤积，大江电站下游出现鸡心滩，水位抬高,0.5,0.7m,，造成电能损失。,5,、抽水蓄能电站的泥沙问题,要防止泥沙对水轮机的磨损问题。,沉沙池泥沙问题：解决防淤减淤。,（五）枢纽泥沙及施工期泥沙,坝前泥沙淤积后，泥沙压力是大坝水工设计中主要荷载之一。泥沙淤积，尾水闸门启闭有困难，装机前进行必要的清理。汛期基坑过水也会造成淤积，增加清基工作量。,（六）变动回水区冲淤对航运影响,在水库变动回水区，泥沙淤积，水深变浅，造成通航困难。库尾也是推移质泥沙集中堆积段，淤积后的泥沙很难清除，俗称“铁板沙”。如丹江口水库，曾发生翻船事故。,引航道的淤积可能发生在上下游引航道内，引航道口门会形成异重流淤积。当船闸或引航道的布置不当，会引起推移质淤积。如葛洲坝船闸采用：“静水通航、动水冲沙”。,（七）水库淤积可能加强水的自净，同时加重水库污染,大型水库，泥沙沉积，造成有害物质沉积，环境污染，淤没鱼类产卵地，水温下降，影响鱼类产量。水流变缓，常年回水区水动力减弱，易产生水质恶化。,水库淤积的理论体系,一、水库淤积的现象及规律,水库悬移质运动的一般规律；水库淤积形态；水库淤积平衡。,二、水库淤积计算,淤积总量及发展过程估算；计算各种参数；采用河流动力学方程求解水库淤积过程和部位。,三、水库淤积控制,库容控制；淤积引起洪水位抬高控制；变动回水区航深控制、坝前泥沙及水流条件控制；下游河道冲刷控制。,水库泥沙研究内容,一、来水、来沙分析,进行水库规划设计时，首先应分析河流来沙量大小具体内容：,(1),多年平均输沙量；（,2,）系列代表性；（,3,）泥沙年际变化及年内分配；（,4,）来水来沙量变化趋势分析；（,5,）汛期水沙特性；（,6,）入库泥沙粒径变化；（,7,）上游已经建成和在建工程分析。,二、冲淤计算内容,冲淤计算应包括近期水库冲淤计算及平衡淤积计算两部分。可概况为如图。,三、库容损失计算,（,1,）水库淤积后剩余库容曲线计算：根据设计要求计算出各种淤积年限的淤积量及其淤积部位，计算出相应淤积年限的剩余库容，绘制其剩余库容曲线。,（,2,）估算淤积年限,四、坝区泥沙分析计算,（,1,）坝前泥沙淤积高程，坝工设计要求提出不同淤积年限的坝前泥沙淤积高程、干容重等。,（,2,）金属结构设计要求：估算水草等漂浮物的年来量，汛期逐月、逐日水草量，来源、种类等，对拦污栅进行设计。进行闸门设计时，需要计算泥沙淤积对闸门的压力，要提供闸门前的浑水容重、冲刷坑的范围、闸门前的淤积高程等资料。,（,3,）过机泥沙含沙量及粒径。需要提供过及含沙量及持续时间、泥沙粒径、泥沙矿物成分、颗粒形状等资料。,五、水库运行方式选择,根据水库所担负的任务、库型和库容大小、来水来沙条件综合考虑决定。,六、工程排沙及防沙布置,根据水库所担负的任务、运用方式、调节性能确定工程泄流规模及排沙建筑物的大小、数量、高程位置等。,七、泥沙淤积对航运影响,包括库区和回水变动区的泥沙淤积和河道演变对港区码头和航道水深、流态变化所引起的航道变化。,1),水库变动回水区变化规律分析：分析坝前水位变化对回水末端水深的影响。,2,）库区淤积后水深变化,3,）通航工程枯水期水库调度：枯水期要根据来水条件抬高水位运行。,4,）引航道泥沙淤积：引航道口门淤积，引航道异重流淤积，引行推移质淤积。,八、水库泄沙过程预报,1,、水库泥沙淤积,1.1,、淤积形态,水库淤积纵剖面形态有三种：三角洲淤积、带状淤积、锥体淤积。,影响纵向淤积形态的因素有：来水来沙条件、水库壅水程度、坝前水位变幅、水库地形等。其中最主要的是水库壅水程度和坝前水位变幅。如果坝前水位变幅小，库区地形为湖泊型，则容易形成三角洲淤积。如官厅水库淤积；如果坝前水位变幅大，则形成带状淤积。,水库淤积纵剖面形态表示：深泓高程、滩面高程、平均河床高程。,三角洲淤积,库容大，来沙粗，库水位变幅小，库区地形开阔。,尾部段特点,：挟沙水流处于超饱和，进库泥沙中的粗颗粒首先在此落淤，明显存在分选，淤积物主要是推移质和悬移质中的粗颗粒泥沙。回水末端上延，据官厅水库,1956-1958,年资料统计，年平均淤积上延达,2.6km,。,三角洲顶坡段,（洲面段）特点：挟沙水流趋近于饱和，顶坡坡面一般与水面平行，水流接近于均匀流。顶坡上的床沙组成沿程变化不大，无明显的床沙沿程细化现象，断面形态具有一定的河相关系。据对官厅水库的资料统计，水库运用后,3,个年份，三角洲洲面比降为,3.76%-4.14%,水面比降为,2.31%-4.65%,，两者比较接近。,三角洲前坡段特点,：水深陡增，流速剧减，水流挟沙力大大减小，挟 沙水流又一次处于超饱和，大量泥沙在此落淤，使三角洲不断向坝前推进，淤积物组成沿程变化较大，分选作用明显，河床沿程细化。实测资料表明，,1958,年三角洲前坡比降为,26%,，远大于尾部段和顶坡段，甚至大于原河床比降。在,1956-1958,年间，三角洲向坝前推进的速度为每年,3km,。,异重流淤积：异重流潜入后，因为进库流量减小，部分异重流能运行到坝前发生滞留，因而造成泥沙淤积，淤积的泥沙组成比较细，不存在分选作用。,三角洲形成过程,水库三角洲淤积过程,包括：,三角洲淤积百分数；,三角洲顶点；,洲面线,前坡长度；,出库含沙量等。,锥体淤积,壅水小，底坡陡，沙量大，坝身低。,多沙河流上修建的小型水库，比较普遍地出现锥体淤积形态。如陕西黑松林水库的淤积纵剖面是典型的饿锥体淤积。,这种淤积体特性：坝前淤积多，泥沙淤积很快发展到坝前，形成锥体淤积。当水库淤积满以后，河床纵比降比原河床比降为小，淤积向上游发展。,水库中的锥体淤积有四种情况：,1,、平衡后的锥体；,2,、明流时的锥体；水流明流，淤积百分数小，如滞洪水库。,3,、浑水水库：开始淤积面水平，纵坡小。,4,、干支流倒灌形成的锥体。,带状淤积,多在,河道型水库，如丰满水库，库水位变幅大，正常运用时的水位变幅为,1020m,，,回水变动段较长；进库沙量少，多年平均含沙量为,0.24kg/m,3,；,泥沙粒径细。粒径小于,0.01mm,的泥沙平均为,50%,。淤积物自坝前一直分布到正常高水位的末端，呈带状均匀淤积。,（,1,）典型带状淤积；,（,2,）非典型带状淤积。,多在河道型水库，含沙量低，粒径细，库水位变幅大。,典型带状,非典型带状,非典型带状,淤积面水平抬高,沿湿周等厚淤积,淤槽为主,淤滩为主,淤积后的冲刷,水库水位在消落期或汛期泄洪排沙时，原来淤积物将产生一定的冲刷，这种冲刷集中在较小的宽度内进行，水流在库区内拉出一条深槽，形成滩槽分明的复式断面，所谓“,冲刷一条带,”。,上述冲刷淤积的结果，使库区横断面发展变化具有所谓的,“死滩活槽,”的规律，即滩地只淤不冲，滩面逐年抬高，主槽有冲有淤，淤废的主槽可以复活。主槽损失的库容可以恢复，滩地的库容不能恢复。在设计和管理中，尽可能降低拉槽库容，加大拉槽流量，避免损失滩地库容，在汛期含沙量高时，水流不漫滩。,水库淤积物的组成,在,水库悬移质淤积组成中，淤积物粒径自上而下沿程细化，这种细化集中在两个区段，一个在变动回水区，即三角洲尾部；另一个在三角洲常年回水区的三角洲前坡段。,淤积物在横向分布是：主槽比较粗，滩地比较细。,推移质淤积物也是沿程细化的，自上而下依次是卵石、沙卵石淤积、砾石及中粗沙淤积。,水库淤积上延（翘尾巴）,淤积上延现象：水流进入水库回水区，水深增加，流速减小，挟沙能力降低，泥沙落淤，使得回水曲线在淤积区及上下游一定范围内普遍抬高，使来沙原落淤区向上游发展，水库的回水末端向上游发展，称为水库的回水末端淤积上延现象。,翘尾巴的危害：例如三门峡水库上游的渭河,2003,年,8,月,24,日,10,月,5,日，渭河洪峰流量,3700,立方米，相当于,3,5,年一遇洪水流量，形成了,50,年不遇的洪灾，直接经济损失达,83,亿元，典型的小水酿大灾，把洪灾的原因直接指向三门峡水电站。专门成立了“潼关高程控制研究”。专家又呼吁三门峡停止蓄水水发电。,淤积与回水相互作用的一般特性,1,、水库淤积后，在坝前水位和同流量下，将抬高水位。（图,9-35,）,2,、坝前水位下降时，淤积使回水末端下移；,3,、抬高水位引起再淤积，一般的“翘尾巴”。,水库淤积上延估计,水库淤积上延“翘尾巴”两种指标：一是从水库淤积“翘尾巴”机理，要求该指标能反映淤积与回水相互作用的实质，提出淤积后的回水末端与同条件下淤积前回水末端相比，确定水位抬高和“翘尾巴”长度。二是从工程概念，该指标能反映淤积后回水抬高对淹没的影响。采用淤积后末端和最高水位与原河床的交点确定抬高和上翘。,计算方法：水库淤积过程计算和简化计算。,简化计算：,（,1,）考虑悬沙 “翘尾巴,”,：平衡坡降法；经验方法；,（,2,）考虑推移质的“翘尾巴,”,：,2,水库排沙,水库排沙的含沙量可以大于或小于进库含沙量。,水库排沙与水库冲刷是两个不同的概念，水库排沙是水库泥沙运动的结果，主要用水库不平衡输沙规律解释。,影响水库排沙的因素有：来水来沙情况（流量、含沙量及级配）、库区地形、坝前水位。,水库排沙分为壅水明流排沙、异重流排沙、敞泄排沙（沿程冲刷）和朔源冲刷。,1,、壅水明流排沙,壅水明流排沙是水库自然泄水（包括泄洪）引起的排沙，主要由于淤积过程中的超饱和输沙和悬移质级配的不断细化，沉速不断减小，在水库泄水时能排出部分泥沙。,水库在壅水条件下泥沙明显产生淤积，不能用挟沙力代替含沙量，应该按不平衡输沙。在水库壅水程度较高时，坝前挟沙力可近似为零，排沙主要靠超饱和挟带。定量研究排沙关系用排沙比,来表示 。,3,、溯源冲刷,溯源冲刷是由于坝前水位骤降，水面坡降突然加大时出现的一种自下而上的强烈冲刷现象，除了能在较短的时间排走全部来沙外，并能大量冲走前期淤积物。如三门峡水库,1964.10.25-12.5,发生溯源冲刷，潼关以下库段共冲走泥沙,3.16,亿,t,，,为同期入库沙量的,3.76,倍，最大冲刷强度达,1200,万,t/d,。,在溯源冲刷时常伴有沿程冲刷；,溯源冲刷可以发生在三角洲前坡段，也可发生在坝前段。,溯源冲刷时出口断面的含沙量主要决定于挟沙能力。,由于溯源冲刷发展迅速，水力因素和冲刷时间变化很快，计算中一般应分时段、分河段计算水库冲淤。,在溯源冲刷分析中，考虑两个问题：,出口断面的输沙率和溯源冲刷的纵剖面。,4,、异重流排沙,水库形成浑水异重流后，浑水集中在底部，平均流速加大，挟沙能力加大，同样条件下，异重流排沙较明流排沙效果为大，另一方面异重流一般为超饱和输沙，沿程要发生淤积，在流动过程中有能量的损失，异重流排沙不会达到,100%,。如黑松林水库一次洪水的异重流排沙比为,91.4 %,。三门峡水库为,24%,。,异重流特性：,重力作用减弱，,惯性力作用突出，,阻力作用增强，,异重流形成及持续条件,浑水水库异重流的形成，要求来水与水库中的蓄水有一定密度和能力差。水库形成异重流的条件可用其潜入条件潜入点的水深判别。异重流形成以后，必须持续运动到坝前，才能排出库外。其持续运动条件：（,1,）一定的流量和持续时间,;(2),一定的底坡和含沙量，（,3,）库面较窄。,q,s,20,5,1,0.2,100,10.27,2.39,1.39,0.48,10,22.13,8.78,3,1.04,1,41.20,18.92,6.47,2.11,0.1,96.23,40.76,13.94,4.77,异重流排沙,异重流潜入后，同流量下较明流流速为大。其力学分析原因：库底比降大，含沙量大。,异重流排沙优点：,异重流排沙效果影响：,异重流排沙计算,1,、异重流到达坝前时间,2,、有效入库水量,3,、底孔高程及闸门适时开启,2,、敞泄排沙,敞泄排沙是水库基本不壅水时的排沙，不是指单纯的全部泄水设备敞开的排沙。例如在洪水期坝前水位壅高，形成一定范围的壅水，水库泄水能力低，此时不算敞泄排沙。,敞泄排沙的排沙效果较好，排沙量主要决定于水流的挟沙能力，影响敞泄排沙的因素主要有：坝前水力因素、来沙量的大小及粗细、全库段的水力因素、床沙组成及密实程度等。,确定敞泄排沙的方法有：,（,1,）不平衡输沙方法；,（,2,）忽略不平衡输沙，用挟沙能力代替含沙量；,（,3,）忽略不平衡输沙，用实际水库资料建立经验公式。,经验方法悬沙水库冲淤计算,一、模型功能：,二、模型计算,1,、壅水排沙,2,、敞泄排沙,3,、冲淤计算,Ref ,泥沙研究,1982.1,变动回水区冲淤,变动回水区概念,：是最高最低库水位的两个回水末端之间的库段。在此范围内淤积的泥沙较粗，淤积分布比较均匀。当库水位比较高时，回水末端处于上游，较粗的饿泥沙首先落淤，当库水位下降时，回水末端向下游移动，高水位淤积的泥沙被冲到下游，并在下游回水末端淤积。,变动回水区的冲淤情况对水库“翘尾巴”、航运等有很大影响。,1,、变动回水区淤积特点,（,1,）变动回水区淤积物粒径范围变化大 。包括全部推移质、悬移质中的中粗颗粒。,（,2,）变动回水区年内冲淤主要随坝前水位升降而变，坝前水位高则淤，坝前水位低则冲，冲淤变化频繁。,（,3,）变动回水区的河势特点：边滩发展，滩槽差大，处于变动回水区下段的汊道淤堵趋向于单一河道，局部弯曲少。,2,、,变动回水区冲刷特点,变动回水区冲刷主要决定于坝前水位， 按照水位的不同变化，变动回水区冲刷分为三类：坝前水位基本不变的冲刷、坝前水位上升的冲刷和坝前水位下降的冲刷。,坝前水位基本不变的冲刷主要是汛期洪水冲刷，冲刷效果大；坝前水位上升的冲刷（充水冲刷）一般初期冲刷大，中后期冲刷小；坝前水位下降的冲刷包括溯源冲刷和水位下降的沿程冲刷。,充水冲刷多发生在水库拦蓄洪水初期，此时回水消失，来水量大，发生冲刷。,消落冲刷：在枯水期坝前水位消落时引起，其冲刷的范围大，延续时间长，有滚雪球效应。,三峡水库调度与冲淤关系,三峡水库调度方案：,6,9,月汛限水位：,145m,；,10,月初蓄水，,10,月底蓄至,175m,，,1,4,月水位不低于消落水位,155m,。,参考文献,陈建，水库调度方式与水库泥沙淤积关系研究，博士论文，,2007,周建军，林秉南，张仁，三峡水库减淤增容调度方式研究,多汛限水位调度方案，水利学报，,2002,（,3,）。,3,水库淤积计算,水库淤积计算常常采用三种途径。,（,1,）类比分析：与类似水库的原型资料对比分析；,（,2,）水库淤积估算；,（,3,）模型试验。,水库淤积计算主要用于规划设计中的问题，,估算内容包括：水库出库沙量、库容损失过程及淤积分布的初步估算，,（,1,）出库沙量计算根据排沙比确定；,（,2,）库容损失过程初估 表,9-16,1,、水库极限状态计算,水库淤积到输沙平衡状态，其形态将转化为接近天然河道，可通过联合求解水流阻力公式、水流连续公式、水流挟沙力及河相关系，计算可得到淤积平衡状态的淤积面比降、断面平均水深。,2,、淤积年限估算,T=,Vc/Rpj,Vc,水库淤积的总体积，,Rpj,平均年淤积量。,3,、淤积过程估算,4,水库泥沙的控制,一、水库淤积控制条件,1,、水库应修建在悬沙水流挟沙能力足够大，悬沙以不饱和输沙，自然河道坡降大；,2,、水库后期死水位和汛限水位有足够的泄流排沙能力；,3,、死水位、汛限水位、冲刷水位泄流确定；,4,、合理的水库运用方式。,二、水库淤积部位及淤积末端控制,1,、水库淤积部位控制,青铜峡水库：正常蓄水位,1156m,，原始库容,6.06,亿，,1967,年蓄水,（一）,1967.4-1971,，汛末蓄水，抬升汛期运行水位，,1156m,的库容,0.79,亿，损失,87%,。（二）,1972.6-1976,，蓄清排浑运用，汛期降至,1154,，排沙为主，,3,年内冲淤平衡，,1156,的库容,0.77,亿；（三）,1977,年开始，采用蓄水结合沙峰排沙，汛末降低水位冲沙，,1980,年，,1156,的库容,0.415,亿。,2,、水库淤积末端控制,（,1,）合理选定排沙水位；,（,2,）排沙水位有足够大的泄流排沙能力；,（,3,）比降平缓时，适当降低水库蓄水位；,（,4,）有推移质粗颗粒泥沙淤积时，正确设计尾部淤积形态；,（,5,）淤积回水末端上延某些情况下会失态；如内蒙古红山水库。,（,6,）淤积末端判据。,内蒙古红山水库：,1960.10,蓄水，,1962,年遭遇,180,年一遇洪水，库区普遍淤高,2m,，自,1963,年在淤积末端和滩地生长大量水生植物，水草高,-,，水草的阻水拦沙，淤积上延至坝上,66,，是正常回水的倍，已经处于失控状态。,三、水库运用方式的泥沙控制,1,、蓄清排浑方式的泥沙控制；,2,、滞洪排沙运用的泥沙控制；,3,、调水调沙运用的泥沙控制；,4,、全年蓄水拦沙运用的泥沙控制；,四、水库泥沙控制的有关问题,1,、主要指标；,2,、泄流排沙设施布置；,3,、库区滩库容的保持和利用；,4,、汛限水位与正常挡水位之间的库容利用问题。,多库联合运用,一、水库泥沙的拦截与合理利用,在水库上游采取拦沙措施，减少入库泥沙、是根本的办法。拦沙措施最有效的是广泛开展水土保持工作。具体的有：,1,、拦泥库和拦沙堰：在水库上游的支流修建拦泥库或拦沙堰，将入库泥沙拦蓄，减少入库泥沙量，例如官厅水库,1958,年后在上游支流建成水库,516,座，总库容,10.3,亿方，到,1972,年拦泥量达,2.5,亿方，减缓了官厅水库的淤积。,辽宁柳河的闹得海水库，修建了,7,个混凝土拦沙堰，拦截粗沙和卵石，延长了水库得使用年限。,2,、子母水库在水库上游再修一座子水库，与母水库上下游串联，联合运用。上游子水库起着拦沙作用，减少下游水库的淤积。,3,、旁引水库,水库修建在河流的一侧，另开引水渠把河流与水库连结，当河流含沙量小，通过引渠引水入库，洪水期含沙量大，河道下泄，,另一种水库修建在干流上，但其上游修建放淤区，浑水引入放淤，清水入库。,库容淤积控制以达到长期水库有效库容。,主要通过水库长期使用的调度运用方式，目前较有效的是“蓄清排浑”运用：即在来沙多、流量大的汛期、降低坝前水位至排沙水位，行洪排沙，汛末抬高水位蓄水以获得水库的调节水量。,水库要具有长期保留库容的条件有：水库调节系数要小，洪水时允许有一定时间的排沙；,二是汛期要能降低水位排沙；三是淤积平衡后的坡降要小于天然河道的坡降。,