水库泥沙调查与分析-水文学概论

由于水库是人工筑坝拦截河流，所以它不仅对河流水量进行拦蓄调节，而且对水流挟带的泥沙也将拦截，尤其是对于多沙河流，泥沙问题往往成为修建水利工程的关键问题。其中最为突出的课题有异重流、库岸坍塌、泥沙的冲淤规律等。

1.异重流

在含沙量较大的河流上修建的水库，常存在异重流问题。这不仅因为水流挟沙量大，而且由于水库大多是原河流的河槽变成，河槽一般较狭窄，不如天然湖泊开阔，因此含沙多、比重大的来水是一股浊流，不易分散，与水库中已沉淀的清水，完全是两种不同的水流，于是容易产生异重流。泥沙异重流产生的条件可归纳如下。

（1）入库的水流含沙量大于原水库中水的含沙量的千分之一时，才会产生异重流，且来水含沙量需要达到10～15kg/m3时，产生的异重流才稳定。

（2）组成异重流的泥沙颗粒必须很细小，其粒径界限与流速有关，一般界限为d=0.01mm。

（3）入流量必须超过一定数量且持续一定的时间。依据我国官厅水库的实测资料，当入流量大于200m3/s时，开始产生异重流。而当入流量小于50m3/s时，异重流即消失。异重流在水体内运动的距离和持续的时间，决定于产生异重流的入流量所持续的时间。

（4）浑水与清水的交界面沿运动方向必须有一定的坡度。

（5）异重流潜没点处（图10.13）必须有一定的水深，否则交界面以上的紊动可影响到异重流的表面，从而影响异重流的密度。

图10.13　水库异重流示意图

根据实验，上述条件可得综合为判别系数Fr，或称为密度弗劳德（Froude）数

式中　u0——异重流潜没点处的平均流速，m/s；

h0——潜没点处水深，m；

——下层异重流的重度，N/m3；

Δγ——清水与浑水重度之差，N/m3；

g——重力加速度，m/s2。

Fr值必须小于一定的临界值，交界面才不致被破坏而混合，但若u0太小，则异重流中泥沙发生沉积，异重流即消失。

异重流一旦形成后可在水库下层运行很长距离，也可较快消失，这决定于入库流量所持续的时间、库底地形以及库底比降。

2.库岸演变

天然湖泊的湖岸是经过长时期的演变而形成的，虽然它仍在不断地演变，但是进程是比较缓慢的。而水库则不同，未建水库时的天然河流的岸坡，在一定的外力作用下，具有相对稳定的岸坡，但在修建水库后，岸边土壤浸水破坏了土体的原有结构，同时作用于原有岸坡上的外力也相应发生变化，破坏了原来相对稳定的平衡条件，从而引起库岸的崩坍或滑坡。库岸的演变过程一般可分为3个阶段，如图10.14所示。

（1）岸的崩塌。水库蓄水后，一方面岸边土壤浸水，破坏了土体内部结构，另一方面，波浪冲击岸边，淘刷岸脚，使岸边水上部分失去支持，从而发生崩坍或滑坡。崩坍和滑坡的土石堆积于岸脚，有的构成新岸的扶壁，增加新岸的稳定性；有的又被波浪或湖流逐渐带走，于是新岸再次崩坍，库岸继续变动。

（2）浅滩的形成。在库岸崩坍过程中，大块的崩坍物滚落于岸脚处，粗颗粒的泥沙淤积于岸脚近处，颗粒细的泥沙在离岸较远的地方沉积。由于波浪作用在水面以下有其一定的影响范围，所以岸线不断后退，结果在原来岸线位置处形成侵蚀浅滩，淤积在岸脚附近的泥沙，则不断向外发展形成淤积浅滩。

图10.14　库岸演变过程示意图

（3）库岸的稳定。随着浅滩的逐渐增长，波浪经过浅滩时消耗于克服摩擦阻力的能量加大，于是对库岸的冲击作用和挟沙能力逐渐减小。最后，当浅滩的长度足以消耗传至岸边波浪的全部能量时，波浪已不能再冲击库岸，此时库岸重新达到了稳定阶段。

3.水库泥沙的冲淤规律

（1）河水挟带泥沙进入水库后，流速减小，挟沙能力下降，泥沙便在水中沉降。水库淤积的主要方式是雍水淤积，其纵向形态有3类。

1）三角洲淤积。水流入库后流速减小，挟沙能力沿程递减，泥沙落淤量递增。但达到一定程度时，含沙量逐渐减少，因而淤积量也逐渐减少，这样就在纵向形成一个三角洲，如图10.15所示。这种淤积形态常发生在库水位比较稳定、水深较大、库容比入库洪量大的水库中，如我国的官厅水库。

图10.15　水库三角洲淤积体纵剖面图(www.xing528.com)

2）带状淤积。当河流含沙量小、颗粒较细且水库水位变幅较大时，淤积沿纵向成带状均匀分布于整个库区，称为带状淤积，如图10.16所示。这主要是因为水库水位变幅大，故淤积分布面广，泥沙颗粒细有利于均匀沉积、水库来沙不多显示不出锥体特性，如东北丰满水库的淤积。

3）锥体淤积。当水库水位不稳定，随流量而升降，或淤积量相对于库容而言比较大时，淤积会一直扩展至坝前，形成上游厚度小而下游厚度大的锥体淤积，如图10.17所示。锥体淤积多发生在来沙较多、库区较短、水深不大的水库。如黄河中游地区的许多中、小型水库。

图10.16　带状淤积体示意图

图10.17　锥形淤积体纵剖面图

（2）水库纵向淤积的一般规律是：颗粒大的泥沙沉积在水库的尾段（入库处）和直接入湖的入流河口，形成扇形或锥形，在大中型水库中，只有颗粒很细的泥沙才能淤积到坝前深水处，形成薄层的淤泥。水库淤积的形式还与来水条件、库底地形以及水库运行方式有密切关系。如按水库的水位变化情况，水库又可划分为3个库段。

1）变动回水段。最高、最低水位回水末端的范围。在此区内泥沙淤积成三角洲或冲积扇。

2）常年回水段行水段。最低库水位回水末端向大坝方向的库段。此库段水流具有一定的流速，流速沿程逐渐减小，泥沙淤积较均匀，粒径也由粗到细，呈带状分布，没有明显的三角洲。在有异重流产生的水库，此段常是异重流过渡区，异重流流速很小，可一直流至坝前，若不及时排放，异重流可被迫沿坝面上升，异重流可升至水面（利用此特点从泄水道内排出部分库水以减少水库淤积）。

3）常年回水段静水段。接近坝址的库段，流速很小，有时甚至为零，粒径很细的泥沙也逐渐沉淀，成为坝前淤积层。

水库的淤积方式还取决于水库的运用方式，尤其在汛期水库蓄水、泄水频繁，水库水位变幅大，从而对泥沙的淤积形态影响较大。当水库水位下降时，因水深减小，水面比降增大，流速就增大，又会对原来已淤积的泥沙进行冲刷，水库水位变动频繁时，水库内的冲淤会反复进行。

4.水库泥沙淤积量的计算

由于水库泥沙淤积是逐年增加的，所以泥沙淤积量可决定水库的寿命。一般可利用沙量平衡方法和实测的库区水下地形资料分析计算泥沙淤积量。在水库的死库容和取水高程已确定的情况下，可以从水库淤积角度估算水库的寿命（或使用年限）。

根据沙量平衡原理，其计算公式如下

式中　T——水库淤满年限，a；

V——水库死库容，m3；

G1、——入流与出流所带来和带走的悬移质泥沙年平均输沙量，m3/a；

G2、——入流与出流所带来和带走的推移质泥沙年平均输沙量，m3/a；

Gw——风力带入水库的年平均输沙量，m3/a；

Gp——库岸崩坍进入水库的年平均沙量，m3/a；

Gg——工农业用水从水库取水所带走的年平均输沙量，m3/a。

式（10.16）中的出库沙量必须考虑水库运用情况，当水库不外泄时G′1、G′2为零；当工农业停业用水时期Gg亦为零。

当水库所在的河流无实测资料时，可采用下垫面条件（植被、水土流失、地质地貌等）相似的邻近水库的淤积资料，按式（10.17）粗略估算

式中　W——设计水库多年平均的年淤积量，104 m3/a；

G——参照水库单位水土流失面积上多年平均年淤积量，104 m3/（a·km2）；

F流——设计水库的流域水土流失面积，km2。

水库寿命以泥沙淤满死库容的年限T作估算，T的计算用式如下