亭子口水库泥沙冲淤演变及治理分析

2018-01-04

四川水利 2017年6期

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川苍溪，628400)

亭子口水库泥沙冲淤演变及治理分析

林向阳

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川苍溪，628400)

本文除对亭子口水利枢纽所在嘉陵江流域泥沙情况进行分析外，还对该枢纽建库投运之后库首泥沙冲淤变化情况进行了测量分析，基本掌握了亭子口水利枢纽库区泥沙冲淤演变规律。并针对该规律提出了相应的防护、治理措施，以延长亭子口水库使用寿命，从而充分发挥亭子口水利枢纽综合效益。

冲淤悬移质推移质演变规律疏浚亭子口水库

1 枢纽概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，下距苍溪县城约15km，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。

工程坝址位于李家咀，坝型为碾压混凝土重力坝，坝轴线总长995.4m，坝顶高程465m(升船机坝段高程为467.7m)，最大坝高116m。枢纽布置为：河床中间布置8个表孔、5个底孔及消能建筑物，底孔(兼作排砂孔)布置在表孔左侧，河床左侧布置坝后式电站厂房，河床右侧布置垂直升船机，两岸布置非溢流坝段。

水库正常蓄水位458m，死水位438m，设计洪水位461.3m，校核洪水位463.07m，总库容40.67亿m3。水库预留防洪库容10.6亿m3(非常运用时为14.4亿m3),可灌溉农田19.48万hm2，电站装机1100MW，通航建筑物为2×500t级。工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。

2 流域产、输沙情况

嘉陵江流域是长江上游重点产沙河流，其泥沙主要来自支流，支流中产沙最丰的是上游支流西汉水和白龙江。白龙江流域地质构造复杂，岩层破碎，泥石流发育；西汉水上游约2350km2区域系黄土高原延伸区，侵蚀强度极高，其特点是水少沙多含沙量高。

根据嘉陵江流域各水文站1956-2000年输沙资料统计，流域内各区多年平均输沙模数为200t/km2·a～2500t/km2·a，其分布极不均匀。主要产沙区为略阳站以上地区及白龙江、西汉水两支流，西汉水中上游和白龙江中游舟曲至武都区间输沙模数高达2500t/km2·a左右，干流武胜站以下输沙模数在800t/km2·a左右。近年来由于嘉陵江上游及其支流修建多座水利工程，对河流泥沙的发展产生较大影响。白龙江上的碧口电站于1975年12月蓄水，碧口水库淤积年限较短，拦沙能力有限。据亭子口水文站实测悬移质资料分析，碧口建库前后对亭子口站含沙量尚未出现明显增减变化趋势，基本维持天然河道含沙量。白龙江碧口电站下游的宝珠寺电站于1996年10月蓄水运行，多年平均输沙量建库前后减少了13.7%。宝珠寺水库泥沙淤积年限在100年以上，据估算，该水库运用初期10年末，水库排沙比仅为6%；泥沙淤积量相应也较多，约为1.6亿t。

2.1 悬移质

根据亭子口水文站1955-1956年、1958-1960年、1962-1964年、1966-1967年、1969-2004年共计46年完整的实测悬移质系列统计，亭子口多年平均悬移质年输沙量为4880万t,多年平均含沙量为2.54kg/m3。输沙量年际变化较大，年最大输沙量为1984年的16400万t，最小年输沙量为2002年的194万t，最大最小输沙量比为84.5，最大与平均输沙量比为25.2。

表1 嘉陵江亭子口站各时期多年平均年输沙量

亭子口站输沙量年内分配很不均，输沙量主要集中在6～9月，占全年输沙量的90%左右，丰沙年的1984年更为突出，如亭子口站1984年6～9月输沙量占全年的97.9%，最大的一个月输沙量占到了全年的49.3%。各控制站输沙量的年内分配见下表2。

表2 嘉陵江亭子口站输沙量年均分配

根据嘉陵江亭子口站1977-2004年实测悬移质颗粒级配分析，其多年平均颗粒级的中数粒径为0.015mm，平均粒径为0.026mm。最大粒径为1.00mm(1998年)。亭子口水文站悬移质颗粒级配成果见下表3。

表3 亭子口站悬移质颗粒级配

亭子口坝址河段悬移质矿物成份，采用嘉陵江中游武胜水文站沙样。根据红外吸光谱测试分析，悬移质矿物成份中以莫氏硬度小于5的软矿物为主，多水高岭土、水云母、粘土及碳酸盐等占60%～80%,莫氏硬大于5的硬矿物仅为石英，占20%～40%。亭子口坝址河段悬移质各粒径组莫氏硬度大于5的硬矿物含量成果见下表4。

表4亭子口坝址河段悬移质各粒径组硬矿物含量

粒径组(mm)0 500～0 2500 250～0 1000 100～0 050<0 050硬矿物含量(%)31 935 019 521 9

2.2 推移质

根据1997年7月对嘉陵江亭子口以上的亭子口坝址河段、上游干流新店子河段、支流清水河上寺河段及白龙江碧口水库四处进行的现场调查和分析计算，亭子口以上卵推主要来自白龙江，新店子以上砂推为主。由于白龙江分别有碧口和宝珠寺水库的拦蓄作用，亭子口枢纽推移质分析计算以嘉陵江干流和支流清水江为主。根据调查资料分析，上寺和新店子站级配成果如下表5所示。

表5 上寺、新店子站推移质级配成果

推移质输移量依据调查资料和实测水位、流量，采用爱因斯坦公式法和长科院经验曲线法计算。推移质主要来源于汛期洪水，故计算时忽略了非汛期推移质量。计算成果见下表6。

表6 亭子口枢纽推移质计算成果

经综合分析，爱因斯坦法计算结果更接近实际，各站推移质总量成果，即上寺站3.61万t，新店子站11.26万t，合计14.87万t。

鉴于推移质调查和计算公式本身的局限性，计算结果可能存在一定误差。将本次推移质推荐成果与其它单位对嘉陵江流域各电站设计成果进行比较。成勘院2004年10月完成的《嘉陵江苍溪电航枢纽工程初步设计报告》中，推移质年输沙量为11.5万t；四川省水利水电勘测设计院2000年11月完成的《嘉陵江干流四川段防洪工程可行性研究报告》中，对亭子口以下河段阆中、南部、仪陇新政、蓬安、武胜等河段进行了推移质年输沙量计算，分别为11.5万t、14.1万t、11.3万t、10.3万t、14.7万t，见下表7。

表7嘉陵江干流沿程各段推移质输移量成果比较

河段位置阆中城区段南部-仪陇新政段蓬安段嘉陵-高坪段武胜段亭子口段推移质输移量(万t)11 514 111 310 314 714 87

从上表7可以看出，嘉陵江干流沿程推移质输移量没有明显规律性，但各河段之间差别不大，总体变化在14.87万t～10.3万t之间，亭子口推算推移质输移量比其下游都要大，一般而言河道推移质输移量呈沿程递减，因此，亭子口水利枢纽采用推移质输移量14.87万t。

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3 亭子口水库下闸蓄水以来汛期水库调度运用

下闸蓄水至今，亭子口水库遭遇2年一遇以上规模洪水两次，具体如下：

2013年下闸蓄水次日，上游流域强降雨产生较大的洪水过程，6月20日水库蓄水速度开始加快，6月21日15时，洪峰入库，洪峰流量11800m3/s，最大72h洪量为14.1603亿m3，期间最大出库流量为1100m3/s，削峰率达91%。

2015年6月底，水库迎来当年第一场洪水，洪峰流量12600m3/s(6月28日10时)，三日洪量10.59亿m3，为下闸蓄水以来最大一次洪峰。28日23时30分，执行省防办指令开闸泄洪，期间最大出库流量2870m3/s，削峰9730m3/s，削峰率77%。29日7时许，主雨峰过境东移，并预报后期无雨后关闭闸门，拦蓄洪尾。

其中，2013年6月18日下闸蓄水后当年总泄水量约113.10亿m3；2014年汛期来水偏枯，未泄水；2015年来水仍偏枯，仅开表孔闸门泄水4次，开闸历时14.98h，共下泄水量约0.28亿m3；2016年主汛期来水偏大，超汛限水位，表孔闸门操作22次，开闸历时135.54h，共下泄水量约1.21亿m3。

4 下闸蓄水以来库首泥沙冲淤演变情况

亭子口水利枢纽于2013年6月18日下闸蓄水，蓄水之后成库，水库形成投运之后破坏了天然河流水力、泥沙条件与河床边界的相对平衡，使亭子口库区水沙条件与河床形态重新调整。库区水位雍高，水深增大，流速减小，水流输沙能力显著降低，造成库区泥沙冲淤情况发生新的变化。

下闸蓄水前的2013年5月，在坝前及尾水共设计和测量了10条冲淤断面，分别为0-100m、0-200m、0-500m、0-1000m、0+350m、0+500m、0+800m、0+1100m、0+1500m、0+2000m，掌握了坝区水下原始地形。2017年4月，对坝前0-600m区域进行了多波束系统测深和三维建模(坝前0-600m区域多波束测深点云效果图见下图1)，并抽取与2013年5月对应0-100m、0-200m、0-500m共3条横断面冲淤情况进行了对比(详见图2、图3、图4)。

图1 坝前0-600m区域多波束测深点云效果

图2 0-100m断面冲淤情况

图3 0-200m断面冲淤情况

图4 0-500m断面冲淤情况

枢纽自下闸蓄水投入运行以来的4年中，流域来水整体偏枯，未经历过五年一遇以上洪水和长时间泄洪运行工况，同时根据库首3个断面水下地形测量成果显示，水流挟沙形成的推移质、悬移质到达库首的较少，库首3个断面主河床底部冲淤变化均不明显；而河床岸坡陡峻部位局部有轻微冲刷，低洼部位局部有轻微淤积，主要因蓄水后两岸床沙长期被库水浸泡致使粘结力下降，在其自身重力作用下顺岸坡表面向库底方向运移所致。

5 亭子口库区泥沙淤积演变分析

根据库首水下冲淤测量成果及亭子口水利枢纽建库后水沙条件的改变，经计算分析，在水库运用20a、50a、100a，库区泥沙淤积量分别为5.277亿m3、12.922亿m3、23.046亿m3。其中，坝址-昭化段为常年回水区，由于水深大、流速缓，入库泥沙绝大部分在此段落淤。同时在汛期坝前水位降低至防洪限制水位运行，入库流量大，水流挟带泥沙能力强，库尾段淤沙及上游来沙多被带到此段淤积。水库运用20a、50a和100a后，该河段泥沙淤积量分别为5.117亿m3、12.668亿m3及22.70亿m3，占库区同期淤积总量的98%左右。

亭子口水库泥沙淤积形态为三角洲淤积方式，随水库运用年限增加，三角洲淤积体不断向坝前推进和向上游延伸，洲面缓慢抬高。水库运用20a，库区三角洲淤积体的顶点在距坝80km左右；水库运用50a，三角洲淤积体顶点已移至距坝60km左右；水库运用80a后，库区泥沙淤积速度放慢，并由单向淤积逐步向冲淤交替发展，从而使水库泥沙冲淤变化逐步过渡到平衡状态。

6 亭子口枢纽拦沙减淤效益

嘉陵江是长江支流中的多沙河流。嘉陵江泥沙是三峡入库泥沙的主要来源之一，约占三峡水库入库沙量的27%。而亭子口水利枢纽上游的西汉水和白龙江又是嘉陵江泥沙的主要来源，约占嘉陵江泥沙总量的50%。亭子口水利枢纽的运行将有效拦蓄西汉水和白龙江的部分沙量，减少三峡水库入库泥沙。不建亭子口水库情况下，北碚水文站年输沙量达1.79亿t，当亭子口水库运用20a、50a和100a时，北碚水文站悬移质泥沙比不建亭子口水库时减少31%、25.9%和14.7%。可见，亭子口水利枢纽可明显减小三峡水库的入库泥沙量，延缓三峡水库的淤积速率，有利于充分发挥三峡水利枢纽的综合利用效益。

同时，亭子口水库的减淤作用，还可减少下游嘉陵江已建和待建的15级低水头径流式梯级水库的泥沙淤积，延长下游梯级水库寿命。