小浪底水庫泥沙淤積

1、小浪底水庫泥沙淤積的小浪底水庫泥沙淤積的 觀測及處理途徑探索觀測及處理途徑探索水資一班水資一班王柯鑫、趙靜、王焰、郄虎虎、胡俊亞、李浩、趙慶格王柯鑫、趙靜、王焰、郄虎虎、胡俊亞、李浩、趙慶格 梗概梗概一、小浪底介紹二、水庫淤積觀測三、泥沙處理途徑探索一、小浪底介紹一、小浪底介紹 黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽市孟津縣小浪底，黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽市孟津縣小浪底，在洛陽市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽在洛陽市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽市市4040公里。上距三門峽水利樞紐公里。上距三門峽水利樞紐130130公里，是黃河干流三門公里，是黃河干流三門峽以

2、下唯一能取得較大庫容的控制性工程。被中外水利專峽以下唯一能取得較大庫容的控制性工程。被中外水利專家稱為世界上最具挑戰(zhàn)性的工程之一家稱為世界上最具挑戰(zhàn)性的工程之一。 水庫面積達水庫面積達272.3272.3平方公里，控制流域面積平方公里，控制流域面積69.4269.42萬平方公萬平方公里；長期有效庫容里；長期有效庫容5151億億m3m3，淤沙庫容淤沙庫容75. 575. 5億億m m3 3 , ,總裝機容總裝機容量為量為180180萬千瓦，年平均發(fā)電量為萬千瓦，年平均發(fā)電量為5151億千瓦時；每年可增加億千瓦時；每年可增加4040億立方米的供水量億立方米的供水量 小浪底工程由攔河大壩、泄洪建筑物

3、和引水發(fā)電系統(tǒng)組成小浪底工程由攔河大壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。攔河大壩采用斜心墻堆石壩，設(shè)計最大壩高攔河大壩采用斜心墻堆石壩，設(shè)計最大壩高154154米，壩頂長米，壩頂長度為度為16671667米，壩頂寬度米，壩頂寬度1515米，壩底最大寬度米，壩底最大寬度864864米米磅礴氣勢磅礴氣勢- -泄水泄水二、水庫淤積觀測二、水庫淤積觀測 水庫泥沙運用的設(shè)計原則水庫泥沙運用的設(shè)計原則按小浪底水庫泥沙運用的設(shè)計思想，小浪底按小浪底水庫泥沙運用的設(shè)計思想，小浪底水庫泥沙運用應遵循的主要原則是：水庫泥沙運用應遵循的主要原則是： 攔粗排細，且初期以攔沙運用為主。攔粗排細，且初期以攔沙運用為主。 采

4、用蓄清排渾運用方式，利用水庫采用蓄清排渾運用方式，利用水庫75.575.5億億m m3 3的攔的攔沙庫容和沙庫容和10.510.5億億m m3 3的調(diào)水調(diào)沙庫容，在的調(diào)水調(diào)沙庫容，在5050年運用年運用期內(nèi)相當于約期內(nèi)相當于約2525年內(nèi)下游河床不再抬升。年內(nèi)下游河床不再抬升。蓄水蓄水以來以來水庫泥沙沖淤情況水庫泥沙沖淤情況 蓄水后第一年即蓄水后第一年即20002000年，水庫入庫沙量年，水庫入庫沙量3.613.61億億t t，出庫沙量出庫沙量0.0420.042億億t t，排沙比僅為，排沙比僅為1.2%1.2%。 蓄水后第二年即蓄水后第二年即20012001年，水庫入庫沙量年，水庫入庫沙量2

5、.942.94億億t t，出庫沙量出庫沙量0.290.29億億t t，排沙比為，排沙比為9.9%9.9%。 蓄水后第三年即蓄水后第三年即20022002年，水庫入庫沙量年，水庫入庫沙量2.712.71億億t t，出庫沙量出庫沙量0.6340.634億億t t，排沙比為，排沙比為23.4%23.4%。 蓄水后第四年即蓄水后第四年即20032003年，水庫入庫沙量年，水庫入庫沙量7.107.10億億t t，出庫沙量出庫沙量1.071.07億億t t，排沙比為，排沙比為15.1%15.1%。 到到20062006年年4 4月月, ,在壩前在壩前40 km40 km范圍內(nèi)淤積了約范圍內(nèi)淤積了約7 7億

6、億m3 m3 細顆粒泥沙細顆粒泥沙( (水庫總淤積量約水庫總淤積量約21. 6621. 66億億m3 ) ,m3 ) ,庫容庫容損失較大損失較大62億噸小浪底億噸小浪底調(diào)水調(diào)水調(diào)調(diào)沙沙水庫過水斷面及縱斷面變化水庫過水斷面及縱斷面變化 洲面段在距壩74.5km -113.1km之間，前坡段延伸到距壩49.6km，形成了一個長達63.5km的淤積三角洲。洲面段和前坡段的比降分別為0.28和1.43。通過計算，該三角洲泥沙淤積量為3.23億m3，占2003年水庫干流淤積量的93.3%。高程高程-庫容變化庫容變化最低河底高程變化最低河底高程變化庫區(qū)水沙特性庫區(qū)水沙特性 小浪底水庫人庫站為三門峽水文站小

7、浪底水庫人庫站為三門峽水文站。 1952-20001952-2000年三門峽站年平均徑流量年三門峽站年平均徑流量382.0382.0億億m m3 3，, ,年平均年平均輸沙量輸沙量為為12.312.3億億t t，最大年出庫沙量最大年出庫沙量22.5622.56億億t,t,最大出庫含最大出庫含沙量沙量911.0kg/m911.0kg/m3 3。 三門峽至小浪底區(qū)間泥沙入庫主要是汛期暴雨徑流形成泥三門峽至小浪底區(qū)間泥沙入庫主要是汛期暴雨徑流形成泥沙沙, ,區(qū)間內(nèi)產(chǎn)沙很少區(qū)間內(nèi)產(chǎn)沙很少, ,約約0.470.47億億t t，僅占三門峽年輸沙量的僅占三門峽年輸沙量的0.4%0.4% 根據(jù)實測資料根據(jù)實測

8、資料, ,距離小浪底大壩距離小浪底大壩40 km40 km的庫區(qū)范圍內(nèi)主要是的庫區(qū)范圍內(nèi)主要是細泥沙沉積區(qū)細泥沙沉積區(qū), ,水深水深606075 m;75 m;距離小浪底大壩距離小浪底大壩100 km100 km的庫的庫尾主要是粗泥沙沉積區(qū)尾主要是粗泥沙沉積區(qū), ,水深一般為水深一般為8 815 m;15 m;兩區(qū)之間是兩區(qū)之間是粗細泥沙過渡區(qū)粗細泥沙過渡區(qū), ,水深水深151560 m60 m。 在淤積泥沙的顆粒組成上，測驗范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普在淤積泥沙的顆粒組成上，測驗范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細，遍較細，d50d50一般在一般在0.0040.016m0.0040.016m之間，屬于粉沙

9、類。之間，屬于粉沙類。20032003年汛后觀測結(jié)果顯示，在距壩年汛后觀測結(jié)果顯示，在距壩40.9km40.9km以下，淤積泥沙以下，淤積泥沙其其d50d50在在0.0040.008mm0.0040.008mm之間，屬極細的粉沙類之間，屬極細的粉沙類庫區(qū)泥沙淤積觀測與分析庫區(qū)泥沙淤積觀測與分析 年入出庫水量年入出庫水量 20042004年庫區(qū)來水年庫區(qū)來水20032003來沙較年偏少來沙較年偏少, ,庫水位最高庫水位最高達到達到EL261.99m,EL261.99m,相應庫容為相應庫容為82.6382.63億億m m3 3, ,最低庫水最低庫水位位EL218.63m,EL218.63m,相應庫

10、容相應庫容18.6018.60億億m m3 3。 20042004年人庫水量年人庫水量166.4166.4億億m m3 3，月平均人庫流量為，月平均人庫流量為13.8713.87億億m m3 3，最大日均人庫流量為，最大日均人庫流量為2840m2840m3 3/s/s，7-7-1010月份入庫水量占全年的月份入庫水量占全年的39.6%39.6%，全年出庫水量，全年出庫水量206.6206.6億億m m3 3，最大日均出庫流量是，最大日均出庫流量是2680m2680m3 3/s/s。月。月平均出庫流量為平均出庫流量為17.2217.22億億m m3 3，7-107-10月份出庫水量月份出庫水量占

11、全年的占全年的33.4%33.4% 入出庫泥沙量入出庫泥沙量 20042004年泥沙人庫主要集中在年泥沙人庫主要集中在2 2次調(diào)水調(diào)沙期間次調(diào)水調(diào)沙期間, ,其其中中8 8月月2222日最大日均人庫含沙量日最大日均人庫含沙量542kg/m542kg/m3 3。第。第3 3次次調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為0.440.44億億t t，出庫沙量為，出庫沙量為0.0550.055億億t t，第，第4 4次調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為次調(diào)水調(diào)沙期間人庫沙量為1.71.7億億t t，出庫沙量為出庫沙量為1.51.5億億t t 渾水泥沙顆粗徑分布渾水泥沙顆粗徑分布 雖然含沙量隨深度增加而變大雖然含

12、沙量隨深度增加而變大, , 但泥沙粒徑卻沒但泥沙粒徑卻沒有明顯的變化。有明顯的變化。8 8月月1919日及日及9 9月月7 7日出現(xiàn)渾水水庫日出現(xiàn)渾水水庫時時, ,中值粒徑為中值粒徑為0.004-0.005mm,0.004-0.005mm,平均粒徑為平均粒徑為0.005-0.006mm0.005-0.006mm之間之間,9,9月月2828日及日及1010月月2626日中值粒日中值粒徑為徑為0.004-0.005mm0.004-0.005mm之間之間, ,平均粒徑為平均粒徑為0.006mm0.006mm這這表明在異重流運行到壩前表明在異重流運行到壩前, , 不論是渾水層上升還不論是渾水層上升還是

13、下沉階段是下沉階段, , 泥沙粒徑組成基本相同泥沙粒徑組成基本相同, , 均屬于細均屬于細粉砂類泥沙。如將渾水水庫中的泥沙及時下泄粉砂類泥沙。如將渾水水庫中的泥沙及時下泄, , 這部分細顆粒泥沙完全可以挾沙入海這部分細顆粒泥沙完全可以挾沙入海, , 且不會對且不會對下游河床造成淤積。下游河床造成淤積。 研究思路 加大排沙力度加大排沙力度, ,較好的途徑是提高水庫異重流較好的途徑是提高水庫異重流排沙效率和擴大淤積面溯源沖刷范圍排沙效率和擴大淤積面溯源沖刷范圍; ;措施是措施是進行水庫淤積面泥沙擾動進行水庫淤積面泥沙擾動, ,增大水庫渾濁層厚增大水庫渾濁層厚度、泥沙含量以及加大壩前淤積河床縱比降。

14、度、泥沙含量以及加大壩前淤積河床縱比降。 考慮到富含細顆粒的高含沙水流可進行高效、考慮到富含細顆粒的高含沙水流可進行高效、遠距離的管道輸送且大壩上、下游存在水位差遠距離的管道輸送且大壩上、下游存在水位差這一有利條件這一有利條件, ,需開發(fā)水深為需開發(fā)水深為60 m60 m左右的庫區(qū)左右的庫區(qū)挖沙及擾沙設(shè)備挖沙及擾沙設(shè)備, ,在水庫調(diào)水調(diào)沙及發(fā)電供水在水庫調(diào)水調(diào)沙及發(fā)電供水期間期間, ,挖、擾壩前挖、擾壩前40 km40 km左右左右( (常年回水區(qū)常年回水區(qū)) )落淤落淤區(qū)內(nèi)的細泥沙區(qū)內(nèi)的細泥沙, ,利用非牛頓體兩相流低能耗輸利用非牛頓體兩相流低能耗輸送、虹吸及調(diào)水調(diào)沙異重流等自然力量送、虹吸

15、及調(diào)水調(diào)沙異重流等自然力量, ,輔以輔以少量機械措施少量機械措施, ,使挖、擾的細泥沙排泄出庫使挖、擾的細泥沙排泄出庫。三、三、水庫泥沙處理途徑探索水庫泥沙處理途徑探索泥沙擾動技術(shù)方案分析泥沙擾動技術(shù)方案分析 目前比較成熟可靠的水下人工擾沙方法主要有兩目前比較成熟可靠的水下人工擾沙方法主要有兩種種: :一是利用水下高壓射流或脈沖射流擾沙一是利用水下高壓射流或脈沖射流擾沙; ;二是二是利用機械設(shè)備攪動床沙并抽取泥漿噴灑回水中利用機械設(shè)備攪動床沙并抽取泥漿噴灑回水中, ,進進行雙重擾沙行雙重擾沙 第一種方法在三門峽水庫庫尾清淤和小浪底水庫第一種方法在三門峽水庫庫尾清淤和小浪底水庫庫尾擾沙中得到了應

16、用庫尾擾沙中得到了應用; ;第二種方法在第二種方法在2004200420052005年黃河下游河段擾沙和年黃河下游河段擾沙和2005200520062006年封丘河段切年封丘河段切灘導流以及黃河標準化堤防建設(shè)中得到了應用并灘導流以及黃河標準化堤防建設(shè)中得到了應用并取得了很好的效果取得了很好的效果, ,特別是細沙松動時較一般射流特別是細沙松動時較一般射流沖刷的效率更高沖刷的效率更高, ,技術(shù)相對成熟、可靠技術(shù)相對成熟、可靠。大型潛吸式擾沙船擾沙、排沙分析大型潛吸式擾沙船擾沙、排沙分析 在調(diào)水調(diào)沙期在調(diào)水調(diào)沙期, ,將潛吸式擾沙船將潛吸式擾沙船( ( 抽沙流量抽沙流量4 000 m3 4 000

17、m3 /h/h、揚程、揚程60 m60 m、最大潛水深度、最大潛水深度70 m70 m、最大泥漿輸送濃、最大泥漿輸送濃度度50% )50% )自庫區(qū)溯源沖刷可能波及的邊緣地帶開始自庫區(qū)溯源沖刷可能波及的邊緣地帶開始, ,按按間距間距300300500 m500 m沿大壩縱向布設(shè)沿大壩縱向布設(shè), ,利用擾沙船將電動利用擾沙船將電動抽沙泵沉入庫底絞動淤沙。抽沙泵沉入庫底絞動淤沙。 被擾動的一部分泥沙借助高速脈沖射流的驅(qū)動形成人被擾動的一部分泥沙借助高速脈沖射流的驅(qū)動形成人工異重流工異重流( (含沙量含沙量600600800 kg/m3 ) ,800 kg/m3 ) ,隨庫區(qū)水流被隨庫區(qū)水流被帶向壩

18、前漏斗區(qū)帶向壩前漏斗區(qū), ,產(chǎn)生溯源和沿程沖刷產(chǎn)生溯源和沿程沖刷, ,并經(jīng)排沙底孔并經(jīng)排沙底孔出庫出庫; ;一部分泥沙則借助潛水抽沙泵以高濃度泥漿形一部分泥沙則借助潛水抽沙泵以高濃度泥漿形式抽吸經(jīng)管道輸送至壩前式抽吸經(jīng)管道輸送至壩前, ,借助虹吸原理翻越大壩、借助虹吸原理翻越大壩、排出庫外排出庫外, ,與水庫泄水混合向下游輸送與水庫泄水混合向下游輸送設(shè) 計 圖設(shè) 計 圖紙紙成果計算成果計算 小浪底水庫這幾年的調(diào)度運用表明，排沙洞的調(diào)小浪底水庫這幾年的調(diào)度運用表明，排沙洞的調(diào)度一直是個敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及度一直是個敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及運用各方友好協(xié)商，在尊重科學的基礎(chǔ)上，使排運用各方友好協(xié)商，在尊重科學的基礎(chǔ)上，使排沙洞發(fā)揮其應有的作用。沙洞發(fā)揮其應有的作用。 壩前淤積高程的變化取決于泄洪洞的運用。當異壩前淤積高程的