官厅妫水河口清淤疏浚措施及其效果的试验研究(胡春宏,王延贵,吉祖稳,李希霞,柳…

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官厅妫水河口清淤疏浚措施及其效果的试验研究

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胡春宏,王延贵,吉祖稳李希霞,柳海涛水利论文!][Ua3l
(中国水利水电科学研究院)水利论文]'p&s!i2p1lT E7Z

摘  要:在实体模型试验的基础上,对官厅水库泥沙淤积发展和妫水河口拦门沙的清淤疏浚措施进行了研究。为了最大限度地减小疏浚挖槽的回淤量,必须依靠控制上游来沙量、调整入水口门位置、加设防淤堤及提高库水位等手段,而不能通过调整挖泥槽宽度、位置及数量等措施来达到目的。为此,在比较各种疏浚方案效果的情况下,提出了挖泥槽与增设折线型防淤堤相结合的清淤疏浚措施。水利论文-Fq0b4|2{qy

关键词:官厅水库;清淤疏浚;挖泥槽;回淤量水利论文 G#F#\Y3F']U2b

1官厅水库的淤积现状水利论文:i$M B:EB

  官厅水库由干流永定河库区和支流妫水河库区两部分组成。在大坝加高之前,设计总库容为22.7亿m3,其中永定河库区9.8亿m3,占43%,妫水河库区12.9亿m3,占57%1986年加高拦河坝后,总库容变为41.6亿m3。据初步统计,到19805月为止,水库总库容已减至16.84亿m3,在已损失的5.86亿m3库容中,永定河库区就占5.45亿m3,相应地,永库库容变为4.35亿m3,妫库库容为12.49亿m3,两者所占总库容的百分比分别变化为26%74%,而且,随着库区淤积泥沙的增加,两者的库容差别也将随之增大。因此,未来官厅水库的防洪和兴利作用将主要依靠妫水河库容。

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  官厅水库淤积属于典型的三角洲淤积形态,其泥沙淤积主要分为异重流淤积段、前坡段、顶坡段和尾部段等四个区段,就平均情况而言,前坡段和顶坡段的泥沙淤积占水库总淤积量的60%80%,坝前段和妫水库以异重流淤积为主,一般可占总淤积量的15%35%。在水库运用初期,泥沙大量淤积在妫水河河口附近,形成了拦门沙雏形,其坎顶高程在461m左右。至70年代初期,拦门沙坎淤积高程己超过465m,末期则达到467m左右。自1981年以后,主流从右岸转向左岸,来水来沙直逼妫水河口,淤积三角洲在拦门沙区的推进,导致拦门沙坎迅速抬高,坎顶高程从1979年的467m迅速抬高到1997年的474m左右,几乎将妫库和永库分割开来,如果再来一次较大的水沙系列,妫水库很有可能被迅速淤堵,直接影响北京市的正常供水。因此,在官厅水库不能进行降水拉沙或异重流排沙的情况下,如何采用清淤疏浚措施来减缓淤积三角洲的推进速度和恢复妫水库的有效库容,成为近期解决官厅水库泥沙淤积问题的关键。

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2实体模型试验概况

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  本次实体模型试验主要是研究库区泥沙的淤积发展及妫水河口拦门沙的清淤疏浚措施,因此,模型范围主要选取永定河和妫水河交汇口附近的上下河段,上起超出正常高水位回水末端以上的永1009断面,下到拦河坝址,妫库到妫1005断面,模型的永定河库区段长约12.6km,如图1所示。模型采用全动床模型,平面比尺为250,垂直比尺为50,选用能够较好模拟河道游荡特性的粉煤灰作为模型沙,比重约为2.12t/m3,干容重基本在0.730.83t/m3之间。考虑到官厅水库来水来沙具有水少沙多的特点,本次模型试验的含沙量比尺和时间比尺在理论分析的基础上,主要依据模型的水沙系列预备试验加以确定,并通过19691975年的长系列和19791980年的短系列两组水沙资料进行模型验证试验,两组试验的库区泥沙淤积量的误差仅为6%和17%,而且泥沙淤积分布在横向、纵向及时间上模型与原型基本一致,异重流也能在来流量大于100m3/s左右时产生,并视来水来沙的情况,一般都能输移到坝前或妫1002断面附近。

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6p22.gif (11474 bytes)水利论文b6r.sM6{)?

1官厅水库模型试验范围及工程布置示意图

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1不同清淤疏浚方案的主要参数

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方案名称现状左15m右移左15m现状左100m现状左300m现状双槽
序号1234567
口门位置199719971997右移1250m199719971997
水沙组合小水小沙中水中沙大水大沙大水大沙大水大沙大水大沙大水大沙
水沙工况年1987198319821982198219821982
挖槽位置左岸(1①④)左岸(1①④)左岸(1①④)左岸(1①④)左岸(1①④)左岸(1①④)中间及左岸(1②④)
挖槽底宽(m)1515151510030010015
初始挖方量(万m3)23232323135332213
最大挖(m)3.63.63.63.64.55.05.0
挖槽过流量(m3/s)737373734731086546
方案名称直线型防淤堤S型(一)防淤堤S型(二)防淤堤
序号8910

防淤堤参数水利论文0q+]u,_)IAL CQQ

平面形状直线折线折线
长度225020001800
堤顶高程480480480
位置中部偏右岸(见图1②)中部偏右岸(见图1③)中部偏右岸(见图1③⑤)
挖泥槽参数同现状左15m方案同现状左15m方案同现状左100m方案

  备注:①15m挖槽进口高程为469m100m300m挖槽进口高程为468m,槽底坡降均为0.16‰。水利论文 OX{7k d&n

    ②大水大沙年,中水中沙年及小水小沙年的年水量分别为7.7亿m36.1亿m32.95亿m3,年沙量分别为900t,479t,225t

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  妫水河河口拦门沙的存在,直接影响官厅水库的有效库容,清淤疏浚的目的就是利用挖泥机械在拦门沙上开挖一条河槽连通妫水河和永定河两库区,以有效利用妫水河库区被淤堵的库容,但是,由于目前官厅水库的淤积三角洲在拦门沙附近推移,挖泥槽内的泥沙回淤是不可避免的。本次模型试验在1997年地形的基础上,通过十组方案的试验比较,分析进口水沙、口门、防淤堤和挖泥槽位置、宽度及数量等因素对挖泥槽回淤量的影响,并最终提出切实可行的清淤疏浚措施。具体工况组合如表1水利论文0A%W*e#D-f;xSL

3清淤疏浚试验的结果分析

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3.1不同疏浚方案下主流入库的河势及水流结构

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  官厅水库主流的河势与入库口门、防淤堤及挖泥槽位置等因素有关,相应地,水流结构也会产生一些变化,其主要特征如下:

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  (1)在主流入库条件1997年现状的情况下,主流沿着妫1000断面进入妫库和永库的汇合段,主流两侧形成大小不同的回流,随着泥沙的不断淤积,主流左右摆动,在妫1000断面附近形成一个冲积扇。随着来水量的变化,主流流势及水流结构有所变化,但变化不大,在一般情况下,来水量比较大时,主流逐渐取直,两侧的回流强度及范围增加,异重流产生的机会增多。水利论文 hu:X%`)@;yJ },nQ

  (2)在主流入库口门位置变化的情况下,主流河势与改道的主槽位置相似(见图1),主流从永10101至永10102之间的左岸逐渐向右岸偏移,入水口从1997年的位置向右偏移1250m。主流基本在永会05断面的中间进入水域,主流两侧同样存在大小不同的回流,且随着泥沙的不断淤积,主流发生左右摆动,但与1997年现状相比,在水沙相同的情况下,主流摆动的幅度更大,形成异重流的机会也多一些。水利论文S s6lZ`

  (3)在挖泥槽同在左侧、但宽度不同的情况下,主流流势及水流结构基本与1997年现状相似,随着挖槽底宽的增加,异重流形成的机会增多,但主流两侧回流的强度和范围逐渐减弱和缩小,主流摆动的频率也逐渐降低。在挖槽宽度相同、而挖槽从左侧移到中部的情况下,主流流势变化较大,主流从妫1000断面进入挖泥槽后,分为左右两股,分别进入妫库和永库,并在槽内形成大量淤积,由于妫库方向的流程比永库短,永库槽段首先被淤死,主流全部走向妫库,使妫库槽段的泥沙淤积逐渐增多并最终淤死,此时,主流就越过挖泥槽进入左岸,流势及水流结构与1997年现状基本相似。

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  (4)在中间布置防淤堤的情况下,主流流势与防淤堤的形式有关,对于直线型防淤堤而言,由于妫库一侧地形稍高,主流首先沿着防淤堤进入永库,并在防淤堤永库末端形成大量泥沙淤积,随着该处床面高程的抬高,泥沙淤积逐渐沿主流向上发展,最终导致主流改向妫库。由于防淤堤妫库末端床面高程较低,因此,一旦主流改道妫库以后,主流两侧就会形成较强的回流,异重流产生的机会也增多。对于折线型防淤堤而言,由于永库方向被防淤堤堵死,因此,主流直接流向妫库,其流势和水流结构基本与直线型防淤堤的后期相似。

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  从以上几点可以看出,官厅水库的主流河势受外部因素影响较大,但入库后的水流结构基本相似,以主流两侧形成环流为主,虽然这是动水进入静水区域由水体粘性而形成的一种基本现象,但对疏浚挖槽的维护是不利的。

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32不同疏浚方案下的库区泥沙淤积及其分布特征水利论文#~&?2f,T$p2M,N

  表2为不同方案下的泥沙淤积量及其分布,从表中可以看出,在水沙不同的情况下,入水口附近的库区泥沙淤积存在着较大的差别,其中大水大沙的淤积量为607.90m3,约占来沙量的88%,小水小沙的淤积量为78.61m3,约占来沙量的45%。在相同水沙条件下,入水口附近的库区泥沙淤积总量相差不大,基本在597.93633.40m3之间,约占总来沙量的70%左右。但是,各方案下的泥沙淤积分布存在一定的差异,在纵向分布上,如果没有人工干预(改道或防淤堤),则泥沙淤积主要集中在永会03~妫1002之间,区段泥沙淤积量约占库区总淤积量的80%左右,如果存在人工干预,则右移改道方案的泥沙淤积主要集中在永1008~永会05之间,区段淤积量约为库区总淤积量的85%左右,防淤堤方案的泥沙淤积主要集中在妫1002以上,直线型方案的区段淤积量约占总量的47%,其中11%为异重流淤积,S型方案的区段淤积量约占总量的90%,其中27%为异重流淤积。

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在横向分布上,如果没有人工干预,来沙主要淤积在断面的左侧,如果存在人工干预,右移改道方案主要淤积在断面中部,防淤堤方案主要淤积在断面右侧(防淤堤右侧)。在泥沙淤积的主要区段内,各方案下的断面淤积厚度如图2所示,从图中可以看出,小水小沙方案的泥沙淤积厚度较小,大水大沙的淤积厚度较大,在水沙相同的情况下,挖泥槽底宽大的泥沙淤积厚度较底宽小的淤积厚度大,挖槽位置偏向右侧的泥沙淤积厚度较偏向左侧的淤积厚度大,两种情况的最大淤积厚度均在7.5m以上。

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2  各方案断面淤积厚度的变化范围水利论文5}i'?w~5Af9E$m

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2各方案的库区泥沙淤积量及其分布 单位:万m3

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方案号水利论文 B/N)du.H)e_h

1008~永会03永会03~妫10001000~妫10021002~妫1005

1005以上及永1008以下水利论文E u2_e/]0BF#f

总淤积量

淤积量百分比淤积量百分比淤积量百分比淤积量百分比淤积量百分比

14.415.6153.4167.9518.8523.971.942.47--78.61
215.675.59177.3463.2775.1826.8312.064.3--280.25
368.0111.19309.1250.85169.3827.6861.3810.10--607.90
4343.5356.56244.2640.2219.573.22----607.37
540.796.44341.9253.98186.5529.4564.1410.13--633.40
625.734.10287.8245.82227.8936.2886.7813.81--628.22
714.532.43278.9746.56187.6731.39116.7619.53--597.93
869.9310.16207.0433.4956.989.2223.2936.0668.6211.08619.22
9--42.476.8640.706.57369.6559.70166.4126.87619.22
10--18.832.9129.864.82401.4164.83169.9227.44619.22

  从以上试验结果可以看出,水沙大小是决定库区泥沙淤积量的主要因素,泥沙淤积分布基本与入水口附近的河势及水流结构相对应。在一般情况下,当主流进入库区水体之后,由于过水断面的迅速扩大及静止水体的粘性作用,导致主流流速迅速减小,并在主流入水口附近形成泥沙淤积,这种淤积方式是主要的,以三角洲的形式不断向前推进,主流两侧环流及异重流形成的泥沙淤积是相对次要的,在这两者之中,如果入水口附近的水深较小,则环流形成的泥沙淤积大于异重流形成的淤积,如果入水口附近水深较大,则异重流形成的泥沙淤积大于环流形成的淤积。

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33不同疏浚方案下疏浚挖槽的回淤量及其分布特点水利论文L:a7bl ?U AU:X

3各方案的挖槽回淤量及其分布单位:万m3水利论文;TgO;M8y!Q h)j J&|


方案号水利论文"gD y@8y/p

永1008~永会03永会03~妫1000妫1000~妫1002妫1002~妫1005总淤积量

淤积量百分比淤积量百分比淤积量百分比淤积量百分比

10.2614.740.5430.660.8950.640.073.961.76
21.154.696.727.3012.3750.384.3317.6224.55
31.864.389.8223.1821.0549.669.6522.7842.38
40.6245.590.4835.290.1511.030.118.091.36
514.4210.7047.6835.3854.0840.6517.8813.27134.78
611.874.3738.9214.31178.9565.8242.1415.50271.88
7A2.331.1684.2642.0679.1239.4834.6717.30200.38
7B0.483.221.8312.198.7558.393.9226.2014.98
80.2713.740.2512.340.5527.120.9346.791.99
90.2519.110.1914.720.4434.350.4131.821.29
100.6814.620.459.681.0322.152.4953.554.65

  备注:7A为双槽方案的大挖泥槽回淤量,7B为左侧小挖泥槽回淤量

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  表3为不同方案下疏浚挖槽的泥沙回淤量及各区段的淤积分布。从表中可以看出,在没有人工干预的情况下,如果挖槽宽度及位置相同,则挖槽的回淤量随着来沙量的增加而增加,大水大沙的回淤量约为42.38m3,小水小沙的回淤量约为1.76m3,前者的来沙量是后者的4倍,但前者的回淤量却是后者的24倍,这表明,来沙量对挖槽回淤量的影响是比较显著的;如果来沙量相同,则挖槽的回淤量随着挖槽底宽的增加而增加,挖槽底宽300m的回淤量为271.88m3,挖槽底宽100m的回淤量为134.78m3,前者的宽度是后者的3倍,但前者的回淤量仅为后者的2倍,这表明:虽然挖槽宽度越大,回淤量就越大,但宽度对回淤量的影响要比来沙量的影响小得多;如果采用双挖槽,则右侧100m宽大挖槽的回淤量约为200m3,较同宽度的左侧挖泥槽的回淤量大1.48倍,左侧15m宽小挖槽的回淤量约为15m3,较相同条件下的挖槽回淤量小2.8倍,这表明:双槽对左侧小槽具有一定的减淤作用,但就双槽整体而言,没有任何减淤作用。在有人工干预的情况下,挖槽回淤量较小,其中口门右移方案的回淤量为136m3,防淤堤方案的回淤量基本在2m3以下,与小水小沙的回淤量基本相近。挖槽回淤量在纵向分布上主要分为两类,在没有人工干预的情况下,回淤量分布基本呈中间大、两头小的特征,回淤主要集中在永会03~妫1002之间,约占总回淤量的75%左右;在有人工干预的情况下,回淤主要集中于挖槽的进口或出口处,中间较少,其中口门右移方案的回淤主要集中于挖槽出口,防淤堤方案的回淤主要集中于挖槽的进口。

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  挖槽回淤量的这种分布特性与库区泥沙淤积分布相对应,也是由主流的流势和水流结构所决定的。在没有人工干预的情况下,主流基本沿妫1000断面入库,泥沙淤积主要以三角洲的形式不断向前推进,这决定了三角洲附近的挖槽回淤量较大,三角洲影响范围之外的挖槽回淤量主要是由主流两侧的回流造成的,而回流形成的泥沙淤积量相对较小,二者的综合作用就形成了回淤量分布中间大、两头小的特点。在有人工干预的情况下,主流入水口门不再直接对着挖槽中间,而是在挖槽进口或出口的右侧,主流线与挖槽中心线基本平行,且主流入水口距挖槽较远,主流入水口附近以三角洲形式推进的泥沙淤积体基本对挖槽回淤量没有影响,而主流两侧回流形成的泥沙淤积成为挖槽回淤量的主体,由于回流的影响范围只能达到挖槽进口或出口的位置,因此,挖槽两端的回淤量较大。此外,回流形成的泥沙淤积量要比三角洲推进形式的泥沙淤积量小得多,相应地人工干预下挖槽回淤量就比没有人工干预小得多。水利论文NQ X8E1LU0_k`

4清淤疏浚效果的影响因素分析水利论文%] Y6h0_$Q

  疏浚挖槽的目的是为了恢复淤堵的妫库库容,初次挖槽之后,如果回淤量较小,则被恢复的妫库库容较多,疏浚效果明显。本文在引入几个参数之后,对清淤疏浚效果的不同影响因素进行了分析。水利论文T9lhn"W(i

4.1评价清淤疏浚效果的几个参数水利论文%io;t9p |:y C rK

  (1)回淤系数K回淤系数定义为挖槽回淤量W与初始挖方量W0的比值,即KW/W0,用来反映挖泥槽的整体回淤程度。显然,回淤系数K越大,表明挖槽回淤量越大,运行效果相应就越差,若K1.0,则表明回淤量大于挖方量,疏浚效果己不复存在,反之,若K0,则挖槽的回淤量很小。水利论文7Fx _p.}A UW(D

  (2)回淤分布系数KL回淤分布系数定义为挖槽内最大淤积厚度Hmax与最小淤积厚度Hmin之比,即KLHmax/Hmin,用来反映挖槽回淤纵向分布的均匀情况。回淤分布系数KL越大,则纵向分布越不均匀,表明泥沙回淤主要集中在某一区域内,反之,回淤分布系数为1或接近1,则表明挖槽的淤积泥沙纵向分布均匀,此时,如果淤积系数也较小,则表明挖槽的清淤疏浚效果明显。

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  (3)断流判别系数E断流判别系数定义为挖槽的回淤厚度H与相应的某一标准水位下的挖槽水深Hw之比,即EH/Hw,用来判别某一标准水位下,妫库和永库是否断流。由定义可以看出,当断流系数E1时,表明妫库与永库处于断流状态,需要及时进行疏浚,当E1时,表明妫库与永库处于连通状态,E值越小,说明两库连通越顺畅。在挖槽底坡不是很大的情况下,回淤厚度最大的地方就是最容易引起两库断流的区域,因此,本文在计算断流系数时,回淤厚度H采用挖槽最大回淤厚度Hmax,相应的标准判别水深采用汛期平均水位474m下的水深。

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  (4)库容恢复系数R库容恢复系数定义为挖槽回淤后的库容增加值与挖槽初始增加值之比,即水利论文 tf&Z,Wl s

R=(VZ0-VZZmax)/(VZ0-VZ)

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式中VZ0为妫库与永库相互连通的临界高程下的妫库库容,本次计算采用1997年拦门沙坎最低床面高程472m作为临界高程,VZ为疏浚挖槽床面高程下的妫库库容,VZmax为挖槽回淤后断面平均最高淤积高程下的妫库库容。当0Rl时,挖槽起到了恢复妫库库容的作用,R值越接近于1,则表明库容恢复得越多;当R0时,表明挖槽没有起到恢复妫库库容的作用。与此相应,库容损失系数定义为挖槽回淤后的库容损失值与挖槽初始增加值之比,其值大小为1-R水利论文b0`P,W!i"[ C

4.2清淤疏浚效果的影响因素分析

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  清淤疏浚效果的影响因素较多,主要有来水来沙、入水口门位置、挖槽宽度及位置、防淤堤及库水位等因素。为了分析不同因素对清淤疏浚效果的影响,本文结合上述几个参数进行简要分析。各方案下的回淤系数、回淤分布系数、断流判别系数及库容恢复系数的计算结果如表4所示。水利论文 W:I},P-fi:l};f

  (1)来水来沙的影响结合方案123可以看出,随着水沙量的增加,回淤系数、回淤分布系数及库容损失系数均逐渐增大,其中中水中沙及大水大沙方案下的回淤系数及库容损失系数均大于1.0,表明在这种水沙条件下,疏浚挖槽己没有任何效果,回淤分布系数的逐步增加说明来沙量越大,泥沙淤积越集中,对库容恢复越不利,而且两库断流的可能性也就越大;对于断流判别系数而言,只有大水大沙方案的数值略大于1,可能会出现断流。由此可以看出,来水来沙的大小对妫库拦门沙区的清淤疏浚效果的影响是很大的,只有在小水小沙情况下,挖槽的回淤量很小,疏浚效果比较明显,在其它水沙条件下,挖槽回淤量已大于初始挖方量,疏浚效果不明显。水利论文,|T'o"k DCo9i0La

4各方案的回淤效果判别系数水利论文5[4F1o g0GqC{3vj


方案号回淤系数回淤分布系数断流判别系数库容恢复系数库容损失系数

10.0710.860.070.960.04
21.0522.350.76-0.351.35
31.8131.951.051.192.19
40.067.030.040.980.02
51.033.061.12-1.392.39
60.8240.771.24-1.872.87
7A0.6454.000.68-0.241.24
7B1.0682.251.21-1.782.78
80.095.470.080.890.11
90.063.260.040.970.03
100.033.000.100.900.10
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