白河堡水库泥沙淤积及治理的试验研究

黄炳彬,王理许，张春义，刘祥忠

（北京市水利科学研究所)

摘要：白河堡水库是密云水库上游白河干流上跨流域引水工 程的首部骨干工程，1983年蓄水运用以来，在供水、防洪、灌溉、发电和改善水环境等方面发挥了巨大效益。至1997年水库淤积三角洲前坡已推至输水隧洞洞口前部，水库淤积治理已刻不容缓。作者分析了入库水沙特性及库区淤积现状，并通过河工模型试验研究了泥沙淤积发展及治理方案。试验表明，若按原运用调度方式，水库只能继续运用2年，而高水位运用也就能维持约6年，导沙堤方案则可继续运行20年以上，且可与其它治理方案联合运用。

关键词：水库淤积； 实体模型； 治理措施； 导沙堤

1 前言

北京白河堡水库位于密云水库上游白河干流上，控制流域面积2 657km2，(云州水库～白河堡水库区间)，其上游流域内现有云州、三道河、汤泉、夏家村等水库。白河堡水库自1983年蓄水运用以来，在供水、防洪、灌溉、发电和改善水环境等方面发挥了巨大效益。

　　白河堡水库总库容9061万m3，1983～1995年多年平均入库沙量74万t，就单位库容年均入 库沙量而言：官厅水库为0.81kg/m3，而白河堡水库为8.17kg/m3是官厅水库的10倍，可见白河堡水库淤积的严重性；而更为严重的是水库淤积部位对输水隧洞的影响，该隧洞洞口远离大坝且正对水库上游峡谷河道出口(见图1)，至1997年水库淤积三角洲前坡已推至输水隧洞洞口前。水库淤积治理已刻不容缓。故此，1997年，水利部科技司和北京市水利局安排了“白河堡水库泥沙淤积综合治理措施研究”项目。该项目包含河工模型数值模拟及综合治理措施研究三部分。本文主要介绍河工实体模型试验成果。

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图1 库区平面示意图
Fig.1 Sketch of Baihepu Reservoir

2 白河堡水库工程概况

白河堡水库是白河堡跨流域引水工程的骨干工程，由拦河坝、输水隧洞、泄洪洞、溢洪道等建筑物组成。拦河坝最大坝高42.1m，坝顶长300m，坝顶高程602.1m。兴利库容6920万m3，死水位578m，死库容1150万m3，汛限水位592.6m。泄洪洞进口底高程576.4m。输 水洞进口底高程578.0m，隧洞横断面为城门洞型：宽2.9m、高3.84m，设计引水流量20m3/s［1］。

3 水库上游水文泥沙特征

白河下堡水文站建于1956年6月，集水面积4015km2，其实测水沙资料基本代表白河堡水库入库水沙特征。

1957～1996年下堡水文站实测径流量和输沙量特征为：①四十年间下堡站实测最大年径流量为483亿m3(1959年)，最大年输沙量462万t(1974年)，输沙量过程与径流量过程基本一致：即大水大沙，小水小沙。②1957～1974年的水、沙量均较1975～1996年大，其多年平均 侵蚀模数分别为41.3t/km2/a(1957～1974年)，144.3t/km2/a(1975～1996年)；多年平均含沙量分别为：6.88kg/m3(1957～1974年)；4.49kg/m3(1975～1996年)；这与70年代以来上游逐步修建了一系列水库有关。③1983～1995年水库建成运用的这十三年间，多年平均入库径流量为1.09亿m3、流量为3.45m3/s、输沙量为74.0万t。④入库水沙量 年际变化幅度大：最大年径流量为4.83亿m3(1959年)，最小年径流量为0.73亿m3(1981年)，相差6.6倍。最大年输沙量462万t(1974)，最小年输沙量11.5万t(1978年)，相差40.2倍。

其年内水文特征为：①年内水沙分布不均：输沙量主要集中于6～9月份，以7、8月为主，而10～5月份输沙量几乎为零。②汛期洪水呈间歇性、尖瘦型，水沙关系基本同步，以大水大 沙、小水小沙为特征。③悬移质颗粒较细，中值粒径0.024mm。

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图2 库区淤积纵断面(断面平均高程)
Fig.2 Longitudinal profiles of bed elevation

4 水库淤积现状

输水洞口由于远离大坝且正对河道峡谷出口(见图1)，致使淤积问题提前发生，且淤积发展迅速。在水库运用的前十四年间洞口前淤积抬高约3.6m，随着淤积三角洲的推进，洞口前淤积发展呈加速趋势。至1997年7月淤积三角洲洲顶点达2+950断面，输水洞洞口(2+095)已处于淤积三角洲前坡(见图2)，洞口前淤积面高程达577.6m，距输水洞进口底高程仅0.4m ，而其附近淤积面高程已超过577.8m。一旦淤积三角洲进一步向坝前推进，汛期高含沙水流进入隧洞，将给输水洞和引水渠的运行造成严重问题。事实上，1997年已经出现高含沙水流进入输水隧洞情况，并在隧洞出口的调节池内造成淤积。

水库运用十四年来累计淤积量达1 005.98万m3，死水位578.0m高程以下淤积535.06万m3，占总淤积量53.2%，是设计死库容的46.5%。

5 试验目的及内容

由上可知，库区淤积已十分严重，继续发展下去势必缩短水库的使用寿命，影响整个引水工程正常运行。本试验的主要目的为：通过实物模型模拟水库淤积发展过程，预报泥沙淤积发展趋势，设计并检验几种方案的治理效果。其主要试验研究内容有：(1)模拟水库淤积发展过程，在原水库调度及水沙条件下预测水库淤积发展趋势，明确其发展规律。(2)模拟高水位运用治理方案，检验治理效果。(3)模拟输水洞口前筑导沙堤方案，检验治理效果。

6 模型设计及验证简介

试验主要考虑悬移质淤积，模型范围取下堡村至大坝(见图1)，为悬移质动床全库区模型。模型设计所需满足的相似条件有：几何相似，水流连续、重力、阻力相似，泥沙起动相似、悬移质悬移相似、水流挟沙相似、河床变形相似及异重流［2］相似。上述相似条件中，悬移相似、起动相似和水流挟沙相似是模型选沙必须考虑的。阻力相似主要针对水库回水上游河道，库区则以重力相似为主，阻力相似可有所偏离。除上述各相似条件外，模型水流表面张力及雷诺数也是必须考虑的。

表1 各比尺汇总表
Table 1 Main scales of model design
名称 比尺数值
几 平面比尺 200
何 垂直比尺 30
水

流

 流速比尺

5.48
糙率比尺 0.68
流量比尺 32863
悬
移
质		 沉速比尺 0.822
粒径比尺 0.468
起动流速比尺 4.5～6.7
含沙量比尺 0.491
河床变形时间比尺 206
异重流 含沙量比尺 0.491

　　考虑上游库区有冲有淤的特性，需同时满足悬移质悬移相似和淤积物起动相似，故所选模型沙比重应适中、易起动和悬移、不板结，物理、化学特性较稳定，模型挟沙水流具有原型挟沙水流的一般物理特性和运动规律(如流变特性、沉降特性、起动规律和水流挟沙规律等)。相对其它模型沙而言，电木粉能较好地满足上述条件，故选用电木粉作为本试验模型沙。

模型平面比λ1=200，垂直比尺λh=30，变态率η=6.7，考虑库区水流动能及三 度性较弱，前人的大量实践经验(有的变率达到100)表明大变率在一定条件下也能获得较好的试验成果［3］。模型其他各比尺按模型相似律计算，最后确定的各项比尺见表1，其中起动流速比尺计算借鉴窦国仁和沙玉清两种起动流速公式并与原、模型泥沙起动资料对比选定［4］，含沙量比尺由验证试验调整确定。

　　入库水沙以清、浑水系统分别定量控制，浑水系统为单向输出，保证了加沙量的准确性。因水流连续时间比尺偏离，造成库水位相似偏离，试验中根据模型要求的库水位在坝前间歇补水以保证库水位相似，补水时暂停上游入库水沙。

　　试验进行了水位库容关系及库区淤积地形验证。水位库容关系见图3，由图可看出，模型测定的水位库容关系与原型基本相符，说明模型制作精度达到试验要求。根据实测资料，3+100断面至坝前以1984年底实测淤积地形

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图3　水位库容关系验证
Fig.3　Verification of water level and
reservoir capacity
进行验证，3+100断面至6+400断面以1985年底实测淤积地形进行验证。淤积地形验证结果见图4。其原、模型淤积量分布验证结果为：1+700～2+950模型淤积量偏大5.2%；3+100～3+950，模型淤积量偏大18.6%，这与1985年汛后水库运用最低库水位曾达580.02m，3+400上游形成冲刷槽有关，由于流量过小，模型无法模拟，3+100下游为1984年汛后地形，不受其影响。1+700～3+950淤积总量模型偏大9.7%。由上说明原、模型库区淤积部位和淤积形态基本一致。做为淤积治理的方案论证，上述试验验证结果能基本满足试验要求。

7 试验成果分析

7.1 试验方案［5～7］

试验模拟了水库淤积发展、高水位运用、输水洞口前筑导沙堤三种运用方式：①水库淤积发展试验是指在原水库运用及水沙条件下预测水库淤积发展趋势。②高水位运用治理方案是指在水库汛限水位和最低水位分别提高到592.6m、588m的前提下，每年汛初以592.6m为起调水位的一种水库极端调度运用方式。③输水洞口前筑导沙堤方案是指在输水洞口前筑导沙堤(见图5)，并延至1+500断面处，其主要目的有：保护洞口；把泥沙导入下游库区，以充分利用死库容；导沙堤指向泄洪洞，以便日后利用泄洪洞拉沙，并使泥沙淤于左侧而避免右侧淤沙过高影响取水；充分利用0+600～1+500断面间库区右侧开阔空间，避免过早出现堤头进水口的入口拦门坎。

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图4 横断面地形冲淤验证
Fig.4 Verifications of crosssectional erosion and deposition
              

7.2 水库淤积发展

7.2.1 水库淤积发展规律［8］

　　白河堡水库淤积发展主要受水库坝前库水位、河势、入库洪水流量及输水洞位置影响。库水位的高低直接决定了入库泥沙的纵向淤积分布；河势则通过对主流的影响而间接决定了泥沙横向淤积部位；入库洪水流量大小决定了异重流能量，它将影响异重流的推进距离；输水洞口的特殊位置使得它的引水对主流产生一定的引导作用，特别是当洞口前的淤积高程临近进口底高程时。

　　不同运用库水位对淤积分布有着直接影响。低水位运用时，虽以上游库区淤积为主，但有大量细颗粒泥沙(d50为0.0038～0.0068mm)潜至下游库区，使水库淤积较为均衡。而高水位运用时，入库泥沙则主要淤于原白

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图5 导沙堤布置
Fig.5 Layout of sediment guiding dike

河堡大桥上游的河道库区段，由于水位增高，异重流运程有限，下游淤积将明显减缓。

峡谷出口的淤积变化主要受上游库区河势影响，以主流部位淤高为主。当淤积达到一定程度而自然改道，形成左右交替淤积之势；或因库水位降低，产生溯源冲刷而改变主流河势。当淤积三角洲接近洞口时，在输水洞引水的引导下，挟沙洪水将直奔洞口。

7.2.2  输水洞口前淤积发展

1997年之后，若以580.84～590.39m的库水位继续运行，入库沙量达152万t时(相当2年)，洞口淤积高程即达到578.67m，高出洞口底板高程0.67m。至第三年汛末2+600以上的淤积高程均已超过平均库水位586.5m，在试验运用水位条件下，几乎没有淤沙空间。此后，泥沙开始向洞口附近加速淤积：当入库沙量为309.2万t时(年均入库沙量74.95万t)，洞口淤积高程达579.02m。

7.2.3 输水洞引水含沙量

洪水期引水含沙量一般大于10kg/m3，最大引水含沙量达37.75kg/m3。洪水期引水挟沙的主要原因有：输水洞口正对峡谷河道出口致使来水直奔洞口；低水位时也存在入库沙量同部分溯源冲刷所挟泥沙一并带入输水洞的现象，造成引水含沙量大于入库含沙量；当入库流量大时，虽库水位较高也能由异重流挟沙至输水洞。

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图6   高水位运用方案输水洞口前淤积高程变化
Fig.6 Elevation of sediment deposition at tunnel inlet for high water level scheme

7.3 治理方案试验成果

7.3.1 高水位运用方案

汛期库水位提高至592.6～588m后，入库泥沙主要淤积于原白河堡大桥上游(见图2)。由图6可见，在前十一年间，输水洞口前淤积增涨较缓，十一年共增涨了1.07m，为异重流淤积造成；此间的前6年为库水位抬高后的河势调整期，淤积以横向均匀铺高为主，第6年汛末洞口积高程为578.54m，第7年至第十一年则形成固定河势，淤积主要发生于主流处，其主流位于左侧而偏离洞口，第十一年汛末洞口淤积高程为578.67m，此后由于原主流部分淤积饱满而引起主流改道转向右侧，同时由于上游592.6m高程以下库容也几乎淤满，大部分入库沙量及部分上游库区淤沙直奔洞口，致使输水洞口淤积高程增长迅猛，至第13年汛末，输水洞口高程已达581.01m。

　　在这13年间，由于水位变幅较小，输水洞引水含沙量主要与入库流量及流势有关，其最大引水含沙量为8.59kg/m3。

7.3.2 导沙堤方案

　　在输水洞口前筑导沙堤后，有效地阻止了输水洞口前的泥沙淤积，并把泥沙导入下游宽阔库区，充分利用了坝前区死库容，由图7可看出，经过10年的水库运用，在2+100处堤内外淤积 高差达6.34m，1+700处淤积高差为4.42m。1+500堤头进水口处淤积厚度为2.84m。堤内在+500～1+700产生少量的淤积，但输水洞口尚未出现淤积。当水库运行20年后，库区淤积三角洲推至1+700处。2+100处堤上淤积高程为585.56m，堤内外淤积高差达7.79m。1+500堤头进水口处淤积高程达581.75m，淤积厚度为7.8m，同时堤内也出现淤积倒坡。输水洞口前淤积高程为577.77m，较初始时增长了0.17m，说明洞口已开始淤积。若在堤头进水口处 设一拦沙坎，则堤内水道淤积将可减少，从而可进一步提高引水质量和使用年限。

该方案运行20年间，洪水期输水洞最大引水含沙量为0.82kg/m3，说明导沙堤的防沙效果是很好的。

水库运行20年后坝前淤积高程已达577.8m，而泄洪洞底高程为576.4m，此后若利用泄洪洞进行洪水期异重流排沙或低水位蓄清排浑拉沙，将可减缓水库的淤积并获得一定期限的有效库容。

7.3.3  方案比较

若以582.17～590.39m的原低水位调度运用，继续运行2年后，输水洞口前淤积面高程将达到57867m，高出洞底067m，其后的运用将带来高含沙量问题和洞口淤堵的危险，而继续运行6年后水库还有剩余兴利库容6 208.67万m3。其间汛期引水含沙量可达到37.75kg/m3。

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图7(a) 导沙堤方案洞口断面堤内外淤积地形
Fig.7(a) Crosssectional elevation at the
inlet of the tunnel

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图7(b) 导沙堤方案堤内外纵向淤积高程
Fig.7(b) Longitudinal elevation at both sides of sediment guiding dike

由表2可知，高水位方案泥沙主要淤于上游峡谷库区段，而导沙堤方案则主要淤于下游库区段，充分利用了水库死水位578m以下的死库容，虽然导沙堤方案试验运行时间长，但两者剩余兴利库容却相当；此外，由于堤的保护作用使输水洞口前的淤积明显减弱，从而使导沙堤方案的可正常运行年限大大延长，引水含沙量也小得多。

表2 各方案治理效果对比
Table 2  Comparison of effect of different schemes 
试验运行时间 输水洞口淤积高程 引水最大含沙量 主要淤积部位 淤积总量 剩余兴利库容* 可正常运行年限
(年) (m) (kg/m3) (万m3) (万m3) (年)
淤积发展 6 581.78 37.75 2+100～4+800 402.73 6 208.67 2
高水位方案 13 581.01 8.59 2+500～6+100 763.99 5 808.67 6
导沙堤方案 20 577.77 0.82 2+950～坝前 1 298.50 5 681.71 ＞20

　　*　指原设计兴利库容减578m高程以上淤积量。兴利库容6 920万m3。

　　导沙堤方案与高水位方案由于泥沙淤积部位不同，它们的作用实际上是互补的，可以同时采用，若再辅以泄洪洞或输水洞拉沙等其它措施，运行年限将可进一步延长，其实际可能运行年限将与水库可淤沙库容和拉沙效果有关。

8 结语

(1)在本试验中模型变态率虽达6.7，但仍能得到较好的淤积相似，说明在水库淤积模型中该变态率是可以接受的。

(2)白河堡水库存在异重流淤积，其输沙强度受入库洪水流量大小影响。

(3)汛期以592.6～588m库水位运用的高水位运用方案，入库泥沙主要淤于原白河堡大桥上游，在建库13年平均入库水沙条件下，水库可继续正常运行约6年，第6年汛末洞口前淤积高程为57854m，此间库水位不得低于588m，否则运行年限将缩短。

　　(4)在洞口前筑导沙堤，有效地阻止了泥沙在洞口前的淤积，并把入库泥沙导向下游库区，充分利用了库区死库容，并可与其它治理方案如高水位运用、排沙、挖沙等结合应用，它是 一种改变取水口位置并引导库区泥沙淤于指定部位的有效方法，对于输水洞口偏于上游而造成洞口淤积提前发生的水库引水工程具有一定的参考价值。

致谢：本课题的试验研究和论文写作得到清华大学府仁寿教授、北京市水利 科学研究所李善征教授级高工及白河堡管理处的大力支持和指导，在此特表感谢。

参考文献

［1］北京市水利规划设计研究院.白河堡引水工程设计资料.1978.

［2］方春明等.异重流潜入条件分析及立面二维数值模拟［J］.泥沙研究，1997，(4).

［3］黄河水利科学研究所.动床河工模型试验经验点滴［R］.泥沙模型报告汇编1，1978.

［4］张瑞瑾等.河流泥沙动力学［M］.水电出版社.

［5］姜乃森等.潘家口水库泥沙淤积问题的研究［J］.泥沙研究，1997，(3).

［6］夏迈定等.黑松林水库泥沙处理技术的研究及应用［J］.泥沙研究，1997，(4).

［7］张跟广.水库溯源冲刷模式初探［J］.泥沙研究，1993，(3).

［8］郭庆超等.三门峡水库(潼关至大坝)泥沙冲淤规律分析.泥沙研究，1995，(1).