青铜峡水库泥沙淤积及排沙方案设计

1沙量出入库及库容情况

青铜峡水电站位于宁夏回族自治区黄河中游的青铜峡峡谷出口,是一座以灌溉、发电为主,结合防凌等综合作用的水利枢纽工程,枢纽工程等级为二等,主要建筑物等级为二级。水库正常高水位1156.00m,按百年一遇洪水设计,千年一遇洪水校核。设计相应库容6.06亿m3,水库面积113m2,坝顶总长687.30m,坝顶高程1160.20m,最大坝高42.7m,坝底最大宽度(混凝土坝）46.70m。主要泄水建筑物有3孔泄洪闸、7孔溢流坝表孔、15孔泄水管和1孔灌溉孔。

2000—2018年,水库主要依靠拉沙使水库冲淤平衡,坝前左岸淤积体发展趋势缓慢,2018年11月实测库容资料显示,目前青铜峡水库正常高水位1156.00m以下库容为0.3874亿m3,占设计库容的6.39%。统计2006—2018年青铜峡水库干、支流逐年来沙情况,总的入库沙量为3.9387亿t,总出库沙量为4.5664亿t:淤积量为-0.6277亿t,除2006年、2007年、2008年、2012年减淤外,其余年份均为淤积年份。干流(下河沿站以上）占总入库沙量的75.02%,库区内支流(清水河、红柳沟）占总入库沙量的24.97%,其中,清水河就占到了21.42%,红柳沟仅占3.56%。随着上游各水库的相继修建,使干流入青库沙量明显减少。库区内支流的流域特点主要是暴涨暴落、水小沙多、历时短、频次高,与干流洪峰相遇的机会较少。

2水库的淤积形态

青铜峡水库为峡谷河道型,水库全长45km,峡谷段长8km,坝址位于峡谷出口处。青铜峡水库设计库容为6.06亿m3,1967年蓄水运用后库区立即开始淤积,至1998年水库库容仅剩2330万m3,库容损失96.2%,2018年实测库容为3874万m3,冲淤相对平衡,库容变化不大。库区冲淤主要发生在坝前峡谷段,峡谷以上的川地库容已无法靠泥沙调度恢复。

2.1纵向淤积形态

根据2018年11月份水库淤积测量报告分析,纵向淤积形态与前几次纵剖面图比较基本相似,部分断面冲淤变化比较显著,如库6与库8冲刷深度较大,分别为6.3m和5.3m,其他部分断面冲刷变化均小于1m,说明整个水库河道均出现不同程度的冲淤变化。根据平均库底高程套绘图可以看出,纵向淤积形态与前几次基本相似,冲刷态势比较显著。坝0至冲沙孔处冲刷明显:坝3～坝14段淤积较突出,约为2.6m:其余各段均表现为不同程度的淤积形态。

青铜峡水库峡谷段长8km,峡谷以上地形开阔,水库水位抬升后,开阔段流速缓慢,泥沙落淤迅速,但峡谷段以内由于河宽急剧收缩,流速加大,同时因距坝址近,水流挟沙能力直接受发电水流和电站泄水建筑物的影响,河槽淤积较峡谷处减少,但两岸滩地淤积严重。从整体上看,已成明显的锥体淤积,达到终极淤积形态。

2.2横向淤积形态

原河道断面为"V"或"U"型窄深式河道,峡谷段两岸为岩石山坡,左岸坡度约70o～80o,右岸为较平缓的二阶地。开阔段两岸为护岸防洪工程,断面的横向发展受到地形的限制。正常高水位以下,河道冲淤变化主要发生在主河槽内。套绘2012年与2018年两次淤积测量的横断面可以看出:峡谷段测验断面河床大多以主河槽淤积为主,个别断面有不同程度的冲淤:开阔段测验断面河床普遍以冲刷为主,部分断面有不同程度淤积:断面横向冲淤变化形态与以往相比较,坝前峡谷段主河槽相对稳定:由于滩地出现时间较长,目前其上已长成大片的杨柳树林和大面积芦苇丛。

2.3实际库容淤积形态

综上所述,河床在水流、泥沙及边界条件的相互作用下,形成了正常输水输沙条件下较为固定的河槽和浅滩。正常高水位下基本表现为冲刷态势。无论淤积和冲刷基本都在河槽内完成,所发生的主流及深泓线位移多是受人类活动影响和水流特性变化引起的。

从分级库容看:有效库容在1144.0m高程以下减少20.4万m3,1144.0～1150.0m高程间减少63.7万m3,1150.0～1153.0m高程间增加340.1万m3,1153.0～1158.0m高程间减少285.9万m3。

从区段库容变化看:坝0～库6段减少222万m3:库7～库14段增加382.1万m3:库15～库20段减少173.4万m3。

3汛期泥沙调度方案

针对青铜峡水库位于黄河干流上中游多沙河段,坝址上游有洮河、大夏河、湟水、大通河、祖历河,库区内有清水河、红柳沟等多沙支流及众多小的山洪沟汇入,坝前淤积加剧,泄水闸门经常出现被淤埋的现象,机组过机泥沙颗粒加粗,过水部件损坏加重,泥沙问题已经威胁到电站机组和泄水设施的正常运行。坝前左、右岸淤积体逐步向坝前推进,将左、右岸灌溉取水口等多个建筑物淤埋,对宁夏平原工农业安全引水造成极大威胁。

因此汛期根据预报,提前降低水库水位,泥沙入库后,根据含沙量大小,选择机组全停或部分停机,开启排沙底孔排沙,尽可能多的将泥沙排出库外,汛末选择有利时机,进行一次机组全停、放空水库的拉沙运用,在机组和闸门前形成一个冲刷漏斗,确保大坝泄水安全和灌溉取水的安全。

3.1总体原则

青铜峡水库的排沙工作采用汛期沙峰"穿堂过"结合汛末冲库拉沙的运行方式进行。

3.2汛期沙峰穿堂过"排沙方案

3.2.1汛期排沙标准

(1）黄河干流安宁渡断面含沙量大于120kg/m3,且沙峰历时不低于8h:

(2）黄河干流下河沿断面含沙量大于80kg/m3,且沙峰历时不低于8h:

(3）支流祖历河靖远站出现单点输沙率大于120000kg/s的沙峰:

(4）库区内支流清水河泉眼山站、红柳沟鸣沙洲站出现单点输沙率大于50000kg/s的沙峰。

3.2.2排沙方式

(1）汛期针对入库沙峰采用低水位排沙运用方式:

(2）根据预报进行水库水量预泄,降低库水位:

(3）当过机含沙量大于40kg/m3,机组停机:

(4）当尾水含沙量小于40kg/m3,机组逐渐开机,当过机含沙量低于20kg/m3,回升库水位至1155.50m以上运行。

3.2.3水位控制

(1）为尽可能多的排出水库来沙及淤沙,同时又能满足灌溉需要和电力系统负荷要求,排沙库水位按1151.00～1155.00m控制:

(2）当过机含沙量大于40kg/m3时,机组不带负荷,水库水位调整至接近1151.00m运行:

(3）当过机含沙量小于40kg/m3时,机组尽量小负荷运行,库水位调整至1154.00～1155.00m运行。

3.2.4排沙泄流方式

(1）以泄水管运用为主,泄洪闸辅助调节水位:

(2）保证河西、河东灌溉用水:

(3）具体泄流过程视当时具体情况制定。

3.3汛末全厂停机冲库拉沙运用方案

3.3.1选择条件

汛末停灌或9月下旬一10月中旬期间出现大流量入库过程时,应进行停机冲库拉沙运用。

3.3.2水位

为确保坝前护坦不被冲刷,水库水位原则上按不低于1146.00m运行,即控制范围为1146.00～1156.00m。但考虑到低水位时的控制难度,可短时间低于1146.00m运行,历时不得超过4h。

3.3.3拉沙历时

应大于48h或视系统允许情况及来水条件临时决定。

3.3.4出库控制

水库降水位过程,出库流量每小时变幅不大于900m3/s,水库回升水位时出库流量每小时变幅不大于700m3/s。

具体泄流方式视情况制定。

4结语

通过汛末拉沙,基本解决了青铜峡泄水建筑物闸门前被泥沙淤死的问题,清除了东干渠、河东总干渠、河西总干渠取水口前的淤积体、河东重力坝段前的大面积淤积体,使一部分槽蓄库容得以长期保持。从冲刷现状看,拉沙基本达到了预期效果,冲刷效果明显,为保证青铜峡水利枢纽来年正常发挥灌溉、防洪、防凌和发电的综合效益创造了必要条件。