奴尔水库泥沙淤积现状调查及排沙措施的探讨

奴尔水库泥沙淤积现状调查及排沙措施的探讨

郭大海

塔里木河流域奴尔水利枢纽工程建设管理局，新疆 策勒 848300

摘要：因奴尔水库库区两岸均堆积有较厚风积粉土，一般厚5～30m，最厚者达72m以上，且结构松散，在库水冲刷及掏蚀作用下两岸发生大方量变形破坏，坍岸主要为坍塌和滑塌形式。蓄水1年，绝大部分死库容即已淤积，经调查运行3年来坍岸已完成设计预测的方量的74%，为了保障奴尔水库防洪安全，缓解水库泥沙淤积问题，防止泄洪排沙洞洞口淤堵，减少水电站过机含沙量，通过准确测量并计算水库泥沙淤积量，提出合适的水库运行方式和排沙措施，对延长水库使用寿命和增加水库综合效益是十分重要的。

关键词：水库，泥沙淤积，排沙措施，措施探讨

1.概况

1.1工程概况

奴尔水库是新疆策勒县奴尔河上一座集灌溉、发电综合利用任务的中等Ⅲ型工程。水库设计淤积前总库容0.69亿m3，淤积30年后总库容0.43亿m3，正常蓄水位为2497m，死水位2465m，电站总装机容量为6.2MW，多年平均年发电量为0.217亿kW·h。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲沙洞、表孔溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。最大坝高80m，泄洪发电建筑物在左岸集中布置。

1.2 库岸地质

奴尔水库河谷两岸山体为低山区，海拔高程2660～3100m，河谷与两岸山体高差约200～500m，为宽“U” 型谷，谷底宽300～400m，河水由南西流向北东，库区河水高程2423～2497m，河床比降18‰，主河床宽10～60m，河漫滩宽280～390m，迴水长约4.2km。水库库区滑坡主要位于奴尔河河谷两岸Ⅰ～Ⅳ阶地及后缘谷之上，其中Ⅲ、Ⅳ级阶左岸广泛分布，右岸零星分布。

库区两岸表层分布大量的风积粉土，下部为阶地砂砾石及西域砾岩，库区范围内构造不发育，无褶皱现象，也未发现断层，节理裂隙不发育，以玉其库龙河与奴尔河汇合口为界，可分为两部分：①坝址区至汇合口段，长约0.9公里。左岸坡度为50°～90°，主要出露地层为西域砾岩，岸坡整体稳定，未发现有卸荷岩体；右岸边坡坡度为22°～37°，岩土体均为第四系上更新统风积粉土，据物探及钻孔资料，厚度为20～71米，粉土岸坡总体呈稳定状态，但局部已形成浅层土滑坡。②汇合口至库尾。左岸边坡坡度为25°～36°，均被风积低液限粉土所覆盖，据物探及钻孔资料，厚度为40～50m；右岸为Q1西域砾岩组成的岩质陡坡或陡坎。

2.设计坍岸分析预估及实际情况

（1）淤积成因分析

经库区两岸边坡的工程地质勘察，以基岩边坡和粉土边坡为主的库岸是存在崩塌及库岸再造问题的，其中基岩边坡主要分布的QBT1、QBT2在库区属于规模较大的不稳定体，后缘拉裂面倾角一般80°～90°，近直立，其破坏形式主要为坍塌，方量不大，且部分位于正常蓄水位以下，坍塌所产生的涌浪高度小，对大坝基本无影响；粉土边坡在水库蓄水后，库岸自然条件将会发生急剧变化，库水位以下土体处于饱和状态，抗剪强度将会大幅下降，加之水位附近土体的冲刷及掏蚀作用，使得土坡在重力作用下发生变形破坏，形成库岸再造。根据粉土分布范围、位置将坍岸分为QHP1～QHP6六个区，库区坍岸分区见图1。

图1  库区坍岸分区图

（2）坍岸预估及实际情况

库区边坡的粉土为低液限粉土，0.075～0.005mm的粉粒含量平均值占91～93％，风积粉土粘粒含量极少，约3～5%。根据《水利水电工程地质手册》进行库岸坍塌分预报析计算，粉土厚度采用钻孔资料及物探实测成果，浅滩冲刷后水下稳定坡角取12°，岸坡水上稳定坡角β取27°。通过计算库岸粉土边坡坍塌预测总量1999万m3，主要分布在左岸QHP3区、QHP4区及右岸QHP6区。

工程于2018年8月下闸蓄水，蓄水过程中在库水位变化范围内的随着库岸土体浸泡饱和及冲刷掏蚀作用，岸坡以“剥洋葱”形式滑塌，并逐渐向岸内及泄水建筑运沙。2019年9月测得导流兼泄洪冲沙洞检修闸门前泥沙淤积近10m，通过对水库区水下及水上现状地形进行了测量计算可知：蓄水至高程2488.04m时，高程2497m（正常蓄水位）以上坍岸方量为1488万m3，坍岸已完成预测坍岸方量的74%；高程2488.04米以上坍岸方量为1683万m3。库区淤积后死水位（2465m）以下库容为28万m3，正常蓄水位（2497m）以下库容为4687万m3，调节库容为4659m3。坍岸造成死库容基本全部淤损，仅在联合进水口前形成47m×18m（长×宽），深约10m的漏斗，坝前泥沙淤积问题暴露。水库淤积对泄流建筑物运行操作带来了不便，特别是汛期坍岸有可能淤堵泄洪排沙洞，对水库的防洪安全产生隐患，同时增加了水电站过机含沙量，水轮机磨损程度增加，减少了水轮机使用寿命，因此采取合适的冲沙措施，恢复部分死库容，保证水库安全运行是非常有必要的。库岸预估及实际坍塌量汇总统计见表1。

表1   库岸预估及实际坍塌量汇总表

3、排沙措施及其效果

大部分新疆水库在洪水期来水泥沙含量均较高，其水库泥沙淤积与上游来沙量成正比关系，即上游来沙越多，水库泥沙淤积越多。解决坝前淤积问题通常有工程和非工程措施，其中工程措施有增加上游防沙工程措施，如淤沙坝，从而减少入库沙量，延长水库使用寿命，或采取人工扰动塑造异重流的机械辅助排沙方式；非工程措施则是利用泄洪冲砂洞等冲砂建筑物进行冲沙，水库泥沙调度配合蓄水通常采用“快冲、慢蓄、勤测”的原则，调度方式常是“长短结合”的，其长期为“蓄洪运用”，短期则为间歇式的“门前清”。

3.1汛期洪水排沙

汛期进库洪水输沙量占全年输沙量的90%。每年6～8月份汛期，采取降低库水位借助于进库洪水的富余输沙能力和溯源冲刷能力排沙出库，在泥沙数量上和冲刷部位上达到冲淤平衡，排沙比超100%。

3.2非汛期降低库水位排沙

非汛期的入库水流含沙量较低，其中4月份进库输沙量占全年总量的0.86%,而进库径流量占全年总量的3.63%。非汛期（9月~翌年5月）正值下游灌区小麦二水灌区需水量大，不存在弃水问题，不影响兴利效益。因此，充分利用此时低含沙量的水流在降低库水位条件下运行，进行冲刷淤积泥沙来恢复库容也是非常有利。

3.3高水位时能够形成异重流排出库外

采取人工辅助排沙工程措施后，在洪水期由于洪峰水流及泥沙的作用，加上人工排沙渠工程裁弯取直了河道，使水流更为规顺，从而达到了改善淤积河段河势的目的，进而提高河道的水流输沙能力，相对增加了汛期的挟沙能力。

3.4奴尔水库排沙效果

通过“缓蓄”结合暗流冲沙方式将库岸边坡滑塌粉土在未沉积前尽可能冲出库区，其中2020、2021两个年度共冲沙960万m3，恢复死库容374万m3，恢复调节库容586万m3，冲沙效果较好。在冲沙的同时，下游灌区在战斗渠首采用表孔引水、底孔排沙，同时下游结合“拦浊引清”的方式引水，即增加了下游可种植面积又减少灌溉渠道的淤积。

根据近三年的运行经验判断，左右岸基岩表面覆盖粉土层存量较小且厚度较薄，后期运行左右岸边坡可能会有少量、分散滑塌，但总体滑塌量很小，水库库岸已基本处于稳定状态，进入库区淤积物总量不大，不会对水库安全、正常运行造成影响。后续将结合水库监测，继续做好水库调度，避免出现库水位陡升陡降。

5、经验和建议

（1）奴尔水库通过分年度逐步提高蓄水水位，合理蓄水结合低水位间歇性冲沙，有效控制库岸粉土滑塌及库区淤积，逐步解决库岸粉土滑塌及库区淤积问题，确保工程安全并按要求发挥工程效益。

（2）在正常蓄水时，根据库岸滑塌及坝前泥沙淤积情况，合理调整泄洪冲沙洞闸门的开启频次及开度，通过“缓蓄”并结合暗流冲沙方式将库岸边坡滑塌粉土在未沉积前尽可能冲出库区，可有效减少库区淤积及确保“门前清”，确保工程运行正常、安全。