摘要：多年來，黃河中游修建的淤地壩在設計時沒有考慮泥沙的級配問題，將小流域洪水中的全部泥沙攔淤在淤地壩中，其中有約3/4左右的細泥沙，降低了淤地壩對于黃河減沙的攔沙效益。根據(jù)不同粒徑泥沙的沉降特性，本文探索了淤地壩“淤粗排細”問題，提出對淤地壩設計的改進建議：在設計淤地壩時同時考慮全沙數(shù)量和粗沙數(shù)量；改進放水工程設計，加大放水工程的放水流量，將沉積較快的粗沙攔在庫內，將沉積速度較慢的細沙排出庫外；精細調度，控制放水流量，達到“淤粗排細”的目的，使淤地壩為“維持黃河健康生命”發(fā)揮更大作用。

   關鍵詞：淤地壩  泥沙  淤粗排細

 

   “維持黃河健康生命”的重要內容是減少泥沙，特別是減少粗泥沙。多年來，黃河中游修建的淤地壩攔淤了大量泥沙。但由于是按 “全攔全蓄”設計，沒有考慮攔淤泥沙的級配問題，因此在計算淤地壩的對黃河的攔沙效益時，僅按總攔沙量的1/4考慮，大大降低了淤地壩對于黃河減沙的攔沙效益。

研究表明，淤積在黃河下游河床的泥沙主要是粒徑大于0.05mm的粗泥沙，小于0.05mm的細泥沙可以通過水流排入大海。本文根據(jù)已有研究成果，結合淤地壩設計實例，探索淤地壩“淤粗排細”問題，進而提出對淤地壩設計的改進建議，提高攔沙效益，使淤地壩為“維持黃河健康生命”發(fā)揮更大作用。

 

1.1 據(jù)研究，當含沙量達到200-250kg/m³以上時形成高含沙水流，高含沙水流中因固體顆粒大量存在，使渾水懸液粘性明顯增高。試驗研究表明，對于含沙量為300kg/m³的懸液，其粘滯系數(shù)約為同溫度清水粘度的2.5-3.5倍，而當含沙量達到600kg/m³，懸液粘性達到同溫度清水粘性的5倍以上。這將導致水流性質的顯著變化，使水流的阻力、顆粒在其中的沉速、以及水流挾沙能力等，都與清水顯著不同（表1）[1]。

表1  高含沙水流中分級粒徑沉速及平均沉速[1]

 

1.2研究表明，由于高含沙洪水特性的影響，使水庫排出泥沙的級配發(fā)生變化。下圖是我國一些水庫一次洪峰中的排沙比與水庫及泥沙特性之間的關系^〔3〕，其中V為庫內蓄水量，Qi及Qo分別為進出庫流量，橫坐標VQi/QO2具有時間的量綱，它反映了這一場洪水在水庫中停留時間的長短。除此以外，水庫排沙比還和泥沙粗細及含沙量有關。細的泥沙比粗的泥沙更容易排出庫外；當含沙量超過50kg/m³時，泥沙的沉速減小，這時水庫的排沙比也相應增大^〔2〕

 

1.3研究以上高含沙水流的特性，有利于了解淤地壩的泥沙運動狀態(tài)：

（1）小流域洪水，特別是多沙粗沙區(qū)的小流域洪水，基本是高含沙洪水。其在進入淤地壩庫區(qū)前為紊流，挾帶大量泥沙；進入庫區(qū)后緩慢向壩前放水工程流動。

（2）在洪水沒有全部進入庫前，庫區(qū)水位逐漸上漲，這時，放水工程排出的洪水含沙量和泥沙的級配基本為入庫前的狀態(tài)。

（3）當洪水全部進入庫區(qū)后，庫內洪水流速接近零，泥沙沉積速度加快，但由于受高含沙洪水特性的影響，粗沙沉積速度較低，而細沙沉積速度更慢。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，粗泥沙約在洪水入庫后的數(shù)小時內全部沉積，而細沙則需要10小時以上的沉積時間。

 

隨著淤地壩設計技術的發(fā)展和經濟實力的提高，可以更加深入、細致的對淤地壩進行設計和調控，實現(xiàn)“淤粗排細”，使其不僅能夠淤地造田，而且提高為黃河減沙的效益。

2.1黃河主要支流產沙概況

來自黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)的洪水多為高含沙洪水。用洪水期總沙量除以總水量所求得的平均含沙量一般均超過400kg/m³。其中，黃河中游的主要入黃支流不僅經常發(fā)生高含沙洪水，而且其中的粗沙含量較高（表2）。據(jù)對表中所示各支流的統(tǒng)計表明，80%的洪水的含沙量均超過500kg/m³。黃甫川和窟野河流域的黃土組成極粗，244次洪水的含沙量均超過1000kg/m³〔1〕。

表2    黃河主要支流流域產沙〔1〕

2.2淤地壩設計中應同時考慮全沙輸沙模數(shù)和粗沙輸沙模數(shù)

為了實現(xiàn)“淤粗排細”，淤地壩的設計思路應是：攔淤大部分粗沙，排出大部分細沙。

進入黃河下游的16億t泥沙中，粗沙3.64億t，占總沙量的20%〔1〕。其中多沙粗沙區(qū)每年輸入黃河的泥沙達11.82億t，占同期黃河輸沙總量的62.8%，其中粒徑大于0.05mm的粗泥沙3.19億t，占粗泥沙輸沙總量的72.5%。在黃河中游的千溝萬壑中攔淤這些泥沙，特別是粗泥沙，無疑對黃河治理具有重要意義?？紤]到黃河中游地區(qū)建壩條件的限制和國家資金投入水平，以有限的淤地壩攔淤盡可能多的粗沙，應當是今后淤地壩規(guī)劃設計的基本原則。

據(jù)此，在計算淤地壩攔沙庫容時應當考慮粗沙輸沙模數(shù)，并以此為依據(jù)，計算攔沙庫容。

建議，攔沙庫容計算公式為：

V=M*R*S*T/1.35

式中V—攔泥庫容

    M—土壤侵蝕摸數(shù)

    R—粗沙比例

S—壩控面積

    T—淤積年限

2.3放水工程設計應同時考慮常遇洪水和設計洪水

由于黃河中游的洪水特點是“大水大沙”，而且“大水粗沙”。往往一場大洪水所攜帶的泥沙就占全年總沙量的60％以上。因此重視對淤地壩設計洪水的排泄，對于實現(xiàn)“淤粗排細”具有重要意義。

同時，由于常遇洪水攜帶約40％的年來沙量，因此也要考慮對常遇洪水的“淤粗排細”，避免造成常遇洪水的“攔渾排清”。

2.4加大放水工程的泄洪量，減少洪水的攔滯時間，將細泥沙排出

由表1數(shù)據(jù)知，在高含沙洪水中，粗沙沉積速度每小時1m以上（粒徑0.035mm：101cm/小時，粒徑0.061mm：302cm/小時），一般可以在數(shù)小時內完全沉積；而細沙沉積速度每小時遠小于1m（粒徑0.016mm：21cm/小時），全部沉積需要更長的時間。根據(jù)粗沙和細沙沉積速度有較大差異的特點，可以通過改進放水工程的設計，達到“淤粗排細”需要。

首先，適當加大放水工程放水孔直徑，增大泄流量。為了實現(xiàn)“淤粗排細”，一般應當在10小時內排泄完一場設計洪水總量。為此需要加大放水工程的泄洪流量。

其次，設計變孔徑的放水工程。隨著庫容的淤積，相同頻率的洪水形成的水深越來越淺。對于多孔排水的放水工程，為了保證放水工程的泄流量不變，在放水孔間距一定的條件下，放水孔徑應由下向上逐漸增大。為簡便設計，可以在攔泥壩高高程以下為一個孔徑尺寸，攔泥壩高高程以上為加大的孔徑尺寸。

對于采用一孔排水的放水工程，可以在同一高程設計兩個（或兩個以上）不同孔徑的排水孔，以適應排放不同頻率的洪水。

2.5精確調控放水工程。為了防止常遇洪水不經沉沙而暢泄和大洪水細沙沉積過多，需要對放水工程進行精細調控：小水開小孔，少開孔；大水開大孔，多開孔。

其次，為了保證將粗沙盡可能多的攔在淤地壩內，應當在每次洪水過后對淤地壩和放水工程處的淤積情況進行觀測，使最低的放水孔高于淤積面，相當形成一定的死庫容，以利下次攔淤。最低放水孔距離淤積面以上的確切高度應通過計算在設計洪水條件下粗泥沙的總體積獲得。由于在運行期的淤地壩放水孔間的距離是確定的，因此實際操作中最好取上限值，以保證有足夠的庫容攔淤粗沙。

2.6改變淤地壩的控制面積或攔沙庫容。根據(jù)以上思路，可以考慮適當加大骨干壩和中型淤地壩的壩控面積，或減小淤地壩的攔泥庫容，提高淤地壩工程的投資效益和攔沙效益。

 

3.1提高了淤地壩攔沙效益

初步估算，采用以上改進設計，淤地壩可以攔淤90%以上的粗沙，同時排出70%以上的細沙，從而使有限的庫容攔淤更多的粗沙。以《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》的建設規(guī)模，到2020年在多沙粗沙區(qū)建設10.28萬座淤地壩，形成約250億t的攔沙庫容，基本控制全部多沙粗沙區(qū)。采用“淤粗排細”方式，可以顯著增加粗沙攔淤量，估算總粗沙攔淤量超過120億t。

3.2提高了淤地壩安全穩(wěn)定性

淤地壩在淤積庫容基本淤滿后，開始淤積防洪庫容，造成淤地壩的防洪能力急劇下降。實行“淤粗排細”后，顯著加大了淤地壩的泄洪能力，從而使淤地壩提高了防御洪水的能力，相對提高了淤地壩的防洪能力。

3.3減少了水資源的無效消耗

黃土高原地區(qū)氣候干旱，水面蒸發(fā)量大。現(xiàn)行的設計，造成洪水在淤地壩內滯留時間較長，庫區(qū)蒸發(fā)和下滲量較大。根據(jù)《黃土高原水土保持淤地壩規(guī)劃》框算的結果，到2020年，每年淤地壩由于滯洪造成的蒸發(fā)達9億多m³；由于長時間滯洪造成的下滲補充地下水（不進入黃河的水量）在2020年達5億多m³，兩項合計，2020年損失河川徑流達15億m³，占2020年壩控面積內83億m³徑流總量的18％。 “淤粗排細”加大了淤地壩的排洪能力，使暴雨洪水在短時間內排出，減少了淤地壩在長時間滯洪情況下的水量蒸發(fā)、下滲等無效損耗。

 

4.1北溝骨干壩位于陜西榆林城區(qū)東南40km處的陳家溝上游，壩址所在溝道屬無定河二級支流。壩控面積6.28km²。多年平均侵蝕模數(shù)為1.5萬t/km².a。洪水計算成果見表3

表3  洪水計算成果表

防洪標準按30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核，淤積年限取20年。攔泥庫容139.56萬m³，滯洪庫容57.27萬m³，總庫容196.83萬m³。壩高31.5m，其中攔泥壩高25.0m，滯洪壩高3.2m，安全超高2m，沉陷加高1.3m。放水工程為臥管，設計泄流量按3天泄完20年一遇一次洪水總量計算，泄流量為0.82m³/s，采用同時開啟3孔泄流，孔間水位差0.45m，計算孔徑0.37m。

4.2根據(jù)本文建議，首先要計算粗沙數(shù)量。該區(qū)域粗泥沙輸沙模數(shù)為7000t/km².a，占土壤侵蝕模數(shù)1.5萬t/km².a的47%。年來粗沙3.26萬m³。當采用淤粗排細方式運行時，原設計的139.56萬m³攔泥庫容的淤積年限可達43年，比原設計淤積年限增加一倍以上。

4.3為了達到對常遇洪水和設計洪水均實現(xiàn)“淤粗排細”，要進行放水工程設計。為了簡化設計，按攔泥壩高以下為相同放水孔徑，攔泥壩高以上為加大的放水孔徑。

4.3.1選擇豎井形式的放水工程，采用相同高程設計兩個不同面積的放水孔，以排泄不同頻率的洪水。

 

4.3.2按10小時左右泄完一次設計洪水（30.9萬m³），計算1級孔放水時的豎井放水孔面積。放水流量為8.6m³/s?？组g水位差0. 5m，計算孔面積

d=0.174 =2.14m²

4.3.3每級放水孔總面積2.14m²（按2.2m²計算）時，在豎井每級的相對兩面分別設計不同孔徑的放水孔，以適應不同頻率洪水的排泄。設相對兩孔面積分別為1.4m²和0.8m²。其中1.4m²的放水流量為5.6m³/s，0.8m²的放水流量為3.2m³/s。

表4   排泄不同重現(xiàn)期洪水試算表

從表4看出，采用以上組合孔徑能夠基本滿足十小時左右排泄完一次洪水總量的要求。該組合孔徑兼顧了設計洪水和常遇洪水的“淤粗排細”要求。

    進一步考慮，還可以將每級放水孔設計成2個以上的組合孔徑，以更精細的對各類洪水進行“淤粗排細”方式的排泄。

4.3.4對于放水涵洞、消力池等按照最大放水流量和規(guī)范要求設計。

4.4精細調度。由于采用一級放水孔放水，因此需要對每場洪水的放水過程進行控制，按照洪水總量決定需要開啟多大的放水孔，并在水位下降后，及時開啟下一級放水孔。每場洪水過后，應檢查壩前淤積情況，及時關閉位于淤積面上下20cm左右的放水孔，以利下次攔沙。

 

5.1深入分析研究黃河各支流，特別是多沙粗沙區(qū)支流的泥沙級配及其變化。

5.2設立研究課題，進一步研究淤地壩中泥沙的運行規(guī)律。

5.3對淤地壩放水工程的設計進行改進，使之適應“淤粗排細”條件下，排泄不同重現(xiàn)期洪水的要求。

5.4研究如何建立在“淤粗排細”要求下的淤地壩運行管理機制。

 

參考文獻：

[1]趙文林，《黃河泥沙》，黃河水利出版社，1996年

[2]錢寧，萬兆惠，《泥沙運動力學》，科學出版社，2003年

[3]夏震寰，韓其為，焦恩澤，“論長期使用庫容”，北京河流泥沙國際學術討論會論文集，第二卷，1980年

 

 

責任編輯：孫太旻