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水库排沙清淤方法探讨郭慧敏，任艳粉（黄河水利科学研究院河南郑州４５０００３）摘要：水库是拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以利用来灌溉、发电、防洪和养鱼。
作为黄河最后一个峡谷河段水库的小浪底水库，处在控制水沙进入黄河下游的关键部位，其运用以蓄水拦沙为主，７０％左右的细泥沙被拦在库里．延长其使用寿命、保证其长久良好地运行，不但有重要的经济意义，而且有更重要的社会意义。
将库内细沙起动输移出库，相应增大拦截粗沙的库容，达到延长水库使用寿命、维持水库长期减淤的效果显得尤为重要。
排沙清淤是保证小浪底水库能长期运用良好的重要措施，根据不同水库排沙清淤方法特点，分析对于小浪底水库清淤的适应性，提出适合小浪底水库清淤的清淤方式．关键词：小浪底水库清淤方式库容１前言水库淤积问题，是所有多沙河流无法回避的问题之一，黄河是世界上多泥沙的河流之一，泥沙问题举世瞩目，小浪底工程在治理黄河上具有极为重要的战略地位，它几乎控制了黄河中上游１００％的来沙，随着水库蓄水运用时间的增长，水库淤积问题越来越突出，黄河调水调沙是通过水库联合调度、泥沙扰动等手段，把进入黄河下游不平衡的水沙关系塑造成协调的水沙过程，是提高黄河下游防洪减淤能力的有效途径。
经过小浪底９次调水调沙，小浪底库区尤其是库尾不合理的淤积形态得到调整，但也存在诸多问题。
黄委在对２００９年汛初调水调沙进行技术总结时就指出：“虽然实施了９次调水调沙，积累了一定的经验，但未知的领域和因素还很多，需要持之以恒地进行研究和探索……。
”通过一定的方式将目前淤积在库区的泥沙高效输移出库，更有效的利用拦沙库容拦截粗颗粒泥沙，达到延长小浪底水库使用寿命的显得尤为重要。
２水库排沙清淤方法２．１人工清淤顾名思义，人工清淤就是采用人力进行挖沙。
人工挖沙对于挖沙区域的布置和选择非常重要，如果挖沙区域选择得当，可以起到事半功倍的效果，反之则不然【ｌ】。
人工挖沙耗时多，对于水库的取水功能、水利功能、生态环境功能等可能产生一定的影响。
小浪底水利枢纽设计若干问题的研究与实践林秀山黄河水利委员会勘测规划设计研究院一、小浪底工程建设揭开了黄河治理新篇章小浪底水利抠纽位于黄河中游最后一个峡谷的出口．上距三门峡大坝１３０ｋｒｎ．向下俯视黄、淮、海平原·控制黄河流域卷面积的９２．３％，控制黄河流域天然径流总量的８７“及黄河总输沙量的近１００％，是治理黄河下游的控制性骨干工程。
设计水库最高运用水位２７５ｍ，回水直到三门峡坝下，水库总库窖１２６．５亿ｎｌ‘。
按照合理拦排、综台兴利的工程规划思想．确定枢纽的开发目标是：“以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼颐洪水、灌溉和发电，蓄清排浑，除害兴利．综台利用”。
小浪底水库接千年一遇洪水设计，万年一遇洪水饺核，规划水库防洪库容４０．５亿ｍ３，调水调沙库容１０．５亿ｍ３．防洪库容和调水调沙库容共５ｌ亿ｍ３为长期有效库容．汛期用以削减洪峰和调节水沙．非汛期用以调节径流和控制凌汛期的下泄流量。
其余７５．５亿ｍ‘为淤沙库容．拦截上游的来沙（主要是粗颗粒泥沙），减少下游河床的淤积。
小浪底水利枢纽已于１９９７年Ｉｏ月实现大河截流，２０００年元月首台机组并网发电，２０００年初小浪底水库已参与防凌运用，黄河下游的凌汛威胁将从此基本解除。
小浪底水电站总装机容量ｌ８００ＭＷ，多年平均发电量５ｌ亿ｋＷ·ｈ，是系统中理想的调峰电站。
从２０００年５月底开始，小浪底水电站牺牲发电效益，向下游补亦１２多亿ｍ３，极大地缓解了豫、鲁丽省沿黄地区的严重旱情。
从长远来说，小浪底水库平均每年可增加调节径流量１７亿ｒｎ３，从而大大提高了下游引黄灌溉的用水保证率。
同年６月底，小浪底大坝已提前填筑至设计坝顶高程２８１ｍ，汛期水库已具备防御千年一遇洪水的能力，２０００年汛期黄河如发生４００００ｍ３／ｓ的千年一遇洪水，小浪底和三门峡、故县、陆浑水库联合调度．可使花园口的流量不超过２００００ｍ３／ｓ（现设防标准为２３０００ｍ３／ｓ），小浪底水库最高洪术位为２３５ｍ。
小浪底水利枢纽工程中的流体力学问题摘要:小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。
关键词:小浪底;流体力学;问题小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。
文章对小浪底水利枢纽工程的液体力学问题进行分析,为流体力学教学提供参考。
1工程概况黄河小浪水利枢纽工程位于河南省洛阳市孟津县小浪底,是黄河干流三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。
黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程,是治理开发黄河的关键性工程。
1994年9月主体工程开工,1997年10月大河截流,1999年底第一台机组发电,2001年12月全部竣工,坝址控制流域面积69.4万km2,占黄河流域面积的87.3%。
工程以防洪、减淤为主,兼顾供水、灌溉和发电。
小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝,设计最大坝高154 m,坝顶长度为1 667 m,坝顶宽度15 m,坝底最大宽度864 m。
坝体启、填筑量5l.85万m3、基础混凝土防渗墙厚l.2 m、深80 m。
其填筑量和混凝土防渗墙均为国内之最。
坝顶高程281 m,水库正常蓄水位275 m,库水面积272 km2,总库容126.5亿m3。
泄洪建筑物包括10座进水塔、3条导流洞改造而成的孔板泄洪洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、1条溢洪道、1条灌溉洞和3个两级出水消力塘。
由于受地形、地质条件的限制,所以均布置在左岸。
其特点为水工建筑物布置集中,形成蜂窝状断面,地质条件复杂,混凝土浇筑量占工程总量的90%,施工中大规模采用新技术、新工艺和先进设备。
小浪底水利枢纽外部变形观测小浪底水利枢纽是中国著名水利工程之一，它位于黄河中游地区，是黄河流域的重要水利枢纽之一，承担着黄河防洪、发电、引水等多项重要的功能。
随着时间的推移，小浪底水利枢纽外部却发生了一些变形现象，这也引起了人们的极大关注。
因此，为了保障水利工程的正常运行和安全，需要对小浪底水利枢纽外部变形进行观测和研究，以便制定出相应的改善措施。
一、小浪底水利枢纽外部变形的原因小浪底水利枢纽外部变形的主要原因是地下水位的下降和沉降等因素。
近些年来，由于黄河下游地区的城市化进程加快，大量建筑物建设和地下抽水使得地下水位下降，这导致了小浪底水利枢纽周边地区地下含水层薄化，从而导致了地面沉降的加剧。
此外，小浪底水利枢纽周边的白洋淀水体也逐渐退缩，这也造成了地面沉降的加剧。
二、小浪底水利枢纽外部变形的观测方法小浪底水利枢纽外部变形的观测方法主要有两种：地面测量和遥感监测。
地面测量方法主要是通过放置各种类型的测点，利用定期测量这些测点的坐标信息来监测地面的变形情况。
而遥感监测是利用卫星遥感技术对小浪底水利枢纽周边的地表情况进行监测，从而实现对地面变形情况的实时监测和掌握。
三、小浪底水利枢纽外部变形的观测结果通过对小浪底水利枢纽周边地表的地面测量和遥感监测，发现小浪底水利枢纽周边地表存在较为严重的沉降现象。
在地面测量方面，2016年的监测结果显示，在小浪底水利枢纽周边地区的监测点中，绝大部分点的沉降量都超过了50毫米，其中部分地区的最大沉降量达到了70毫米以上。
而遥感监测方面，则发现了周边地表的沉降现象，并获得了地表沉降的三维分布信息。
四、小浪底水利枢纽外部变形的应对措施为了保障小浪底水利枢纽的正常运行和安全，必须采取相应的改善措施。
首先，应加强卫星遥感监测，及时了解小浪底水利枢纽周边地表沉降的变化情况，以便制定出相应的应对措施。
同时，应加强地表测量，及时监测沉降和变形情况。
除了监测，还需要采取措施降低地下水开采量，同时推进城市水资源的回收再利用。
黄河小浪底水库异重流研究与塑造张俊华 李书霞 陈书奎 马怀宝 王艳平（黄河水利科学研究院）摘 要小浪底水库自1954年工程规划至今，历经半个多世纪。
伴随着工程规划设计的不同阶段，均不可避免地涉及水库异重流问题。
水库施工阶段开展的小浪底水库实体模型及数学模型研究，针对小浪底水库异重流进行更为全面系统的研究。
小浪底水库投入运用以来，历次调水调沙不仅将长期的研究成果付诸实施，而且使得对异重流运行规律的研究在认识－实践－再认识的过程中不断深化。
进一步加强基本规律研究、物理模型试验及原型资料观测是深化异重流研究的重点。
关键词 小浪底水库 异重流塑造 调水调沙1 工程规划及设计阶段黄委设计院在进行小浪底水库淤积过程计算时所涉及到的水库异重流问题，主要是依据三门峡等已建水库的实测资料所建立的经验关系及范家骅提出的异重流排沙计算方法[1,2]。
范家骅异重流排沙计算的基本思路是：根据水库蓄水位及地形特点将库区划分为若干库段，分析确定不同库段及不同高程相应的阻力系数m λ、平均河宽B 、底坡0J 等；按均匀流流速公式3108⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=J B Q g v m m γγλ计算第二断面流速，利用建立的流速v 与悬沙90d 的关系曲线，推算出第二断面的平均含沙量，依此类推，可得到异重流运行至坝前的平均含沙量。
黄委设计院通过对已建三门峡等水库壅水排沙资料的分析认为，水库在蓄水状态，异重流与壅水眀流排沙比η可用统一的表达式描述，即： b V Q a s w c s m +⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=ωγγγη1lg （1） 式中，m γ为浑水容重t/m 3；c Q 为出库流量m 3/s ；w V 为水库蓄水容积m 3；s ω为悬移质泥沙群体沉速；a 、b 根据水沙及边界条件而取不同的值。
因此，作为简化方法，利用式（1）进行水库异重流排沙计算。
2 “八五”攻关期间作为“八五”国家重点科技攻关项目“黄河治理与水资源开发利用”的专题之——黄河泥沙冲淤数学模型的应用[3]，在模型研发的过程中，不可避免地涉及水库异重流计算问题。
涉及异重流计算模型包括黄科院曲少军模型、中国水科院孙卫东模型、清华大学王兴奎模型。
黄科院曲少军模型判断异重流潜入条件时，在库底坡降较陡时，采用关系式6.0.02000=gh U γγγ－（式中，0U 、0h 分别为异重流潜入断面平均流速和水深；γ、0γ分别为异重流与清水的容重）；若底坡缓时，采用韩启为等人的研究成果],max[n o h h h =（n h 为异重流均匀流水深）。
采用异重流均匀流运动水深公式试算得到异重流水深、面积及流速。
异重流挟沙力、含沙量及冲淤量等计算与眀流同，其水力因素采用异重流相应值。
中国水科院孙卫东模型对异重流的潜入条件采用[]n h h h ,max 0 表示，其中0h 及n h 分别采用范家骅及异重流均匀运动的水深公式计算。
异重流挟沙能力、含沙量、悬移质级配等计算与明流完全相同，其水力因素采用异重流相应值；对于支流异重流倒灌问题，采用李义天在范家骅工作基础上得出的异重流流速及含沙量沿程变化表达式计算。
清华大学王兴奎模型对异重流的运动规律进行了系统的试验研究，得出了异重流时均流速分分布、含沙浓度分布、水流挟沙力等公式，采用黄河三门峡水库的实测资料对所建的公式进行回归计算，得出：垂线时均流速分布 215.01⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=m m h y U u （2） 其中， 000001.05.1h h L h x m ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= （3） 含沙浓度分布 ()102e 4－γγ=S S （4） 式中，m U 为垂线最大时均流速，m h 为其相应高度；x L 为距潜入点距离；0S 为潜入断面平均浓度。
在水文水动力学泥沙数学模型中考虑了干支流倒灌淤积。
在计算中，按近似水平计算倒灌淤积体修正地形。
3 工程施工期黄科院在小浪底水库施工期分别采用实体模型与数学模型同时开展了小浪底水库异重流研究，两者达到了互为补充与验证的作用。
中国水科院、清华大学、西安理工大学、黄委设计院等单位利用数学模型对小浪底水库异重流进行了研究。
3.1 水库实体模型研究小浪底水库拦沙初期，库区大多为异重流排沙。
为保证水库模型排沙与原型相似，黄科院专门进行了异重流相似条件研究。
文献[4]及[5]通过推导非恒定异重流运动方程式及非恒定二维非均匀条件下的扩散方程： ()220841e e e c e e m e m e e m e e m e me e e e m e m hf V f V J k k x b h k ghg k k V V V k t x g k τγγγγγγγγγγγ'∂------∂-∂∂⎛⎫=+ ⎪-∂∂⎝⎭ （5）)()()(1e e e e e e e S f S a x h S V t h S -=∂∂+∂∂**ω （6）运用相似转化原理得出的异重流发生相似条件，及异重流流连续相似条件分别为：()11---⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-=s ske sm sp sm ke se γγγλλγγγγλγλ (7) e S e S *=λλ （8）VL e t λλλ/= （9） 式中：e k 为浑水容重分布修正系数()220e m h h z m e h dz dz k e eγγ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰⎰，若e k λ=1则式（7）可转化为异重流发生相似条件的特殊形式γγγλλλ-=s s S /；s γλ为泥沙容重比尺；角标p 、m 分别表示原型及模型。
小浪底库区模型经过两个5年系列试验，重点研究了水库运用初期库区水沙输移及排沙特性[6]。
得出了以下结论及认识：① 水库拦沙初期大多为异重流排沙。
异重流潜入位置主要与该处水深、入库流量、含沙量等因素有关，一般情况下可用78.000=gh V g η (V 0 、h 0分别为异重流潜入处流速及水深)来描述。
② 异重流出库含沙量过程与入库流量、入库含沙量及异重流潜入点的位置等因素有关。
若入库流量大且持续时间长、水流含沙量大且颗粒较细，并且异重流运行距离较短，则出库含沙量高，反之亦然。
经过对异重流排沙资料回归分析，得出异重流排沙的经验关系[7]：()8.17.14.03.006.0exp 45.4-=H J Q Q s 出η （10） 式中η为异重流的排沙比（%）；s Q 为入库输沙率（t/s ）；出Q 为出库流量（m 3/s ）；J 为库底平均纵比降（0000）；H 为坝前水深（m ）。
③ 库区支流主要为异重流淤积。
若支流位于干流异重流潜入点下游，则干流异重流会沿河底倒灌支流；若支流位于干流三角洲顶坡段，则在支流口门形成拦门沙，当干流水位抬升时，浑水会漫过拦门沙坎倒灌支流，而后在支流内潜入形成异重流。
基于动床泥沙模型试验表现出的物理图形，分别给出了眀流及异重流倒灌情况下干支流分流比，其中异重流分流比2/112/3112/122/322J h b J h b K e e e e =α（b e 、h e 、J 分别为异重流宽度、水深及比降；角标1、2分别代表干流及支流；K 为考虑干支流的夹角θ及干流主流方位而引入的修正系数）[9] 。
3.2 水库数学模型研究[8]（1）潜入条件中国水科院、黄科院和黄委设计院模型均采用),max(n o h h h =判断。
其中黄科院模型-2考虑浑水容重沿水深分布不均匀而引入修正系数e k 。
清华大学模型和西安理工大学模型均以佛汝得数78.0=r F 确定异重流潜入位置，只是清华大学模型加入了来流含沙量大于0.5kg/m 3这个经验判断。
（2）水力要素中国水科院模型和黄委设计院模型以非均匀异重流运动方程来计算浑水水面；其余各家模型以均匀流水深为异重流水深，其中黄科院模型-2由其修正异重流均匀运动水深方程试算确定其水力要素。
（3）支流倒灌中国水科院模型潜入断面水深"="011h k h ，干流为异重流1k =1; 干流为浑水明流1k =0.818；"0h 为口门断面平均水深。
并给出淤积倒灌长度L 、输沙率沿程变化S Q ''''、淤积量沿程变化等计算式。
清华大学模型干流倒灌进入支流沟口的异重流流速0/4.0r rgH V ∆=,流量VBH Q =,沙量QST W s =,H 为沟口中水深。
西安理工大学模型潜入断面水深"="011h k h ，干流为异重流11=k ；干流为浑水明流602.01=k ，以及异重流淤积倒灌长度L 、含沙量S ''沿程变化的计算式。
黄科院模型-1，不直接进行支流水沙计算，只按由实测资料推求的平均倒坡比降进行铺沙，支流沟口高程与库区干流滩面相平，支流铺沙量在干流来水来沙中扣除。
黄科院模型-2采用基于对小浪底水库实体模型试验成果。
黄委设计院模型采用谢鉴衡分组沙垂线含沙量分布公式计算进入支沟的含沙量及组成，干流异重流倒灌淤积支流计算方法与中国水科院模型同。
4 小浪底水库运用期黄河水利委员会在小浪底水库运行特别是进行的历次调水调沙过程中，将长期研究成果付诸于治河实践，将调水调沙治黄思想由理论转化为生产力，是以往研究工作的继承、延伸与深化[10]。
4.1 异重流应用基础研究黄科院通过对实测资料整理、二次加工及分析，以及水槽试验及实体模型相关试验成果，结合对前人提出的计算公式的验证等，提出了可定量描述小浪底水库来水来沙条件及现状边界条件下，异重流排沙的临界指标及其阻力、传播时间、干支流倒灌、不同水沙组合条件下异重流运行速度与排沙效果的表达式：（1） 综合阻力异重流平均阻力系数值m λ采用范家骅的阻力公式计算小浪底水库不同测次异重流沿程综合阻力系数m λ，平均值约为0.022～0.029[11]。
（2）异重流传播时间异重流传播时间2T 的大小主要受来水洪峰、含沙量、水库回水长度、库底比降等多种因素的影响，异重流前锋的运动是属于不稳定流运动，但作为近似考虑可按韩其为公式计算[12]。
312)(J qS LC T i = （4） 式中，L 为异重流潜入点距坝里程；q 为单宽流量；i S 为潜入断面含沙量；J 为库底比降（000）；C 为系数，采用小浪底水库异重流观测资料率定。
（3）异重流排沙计算采用韩其为含沙量及级配沿程变化计算模式，并利用小浪底及三门峡等水库异重流资料对饱和系数α进行了率定。
∑=-=n l q L i l i j eP S S 1)(.αω （5）()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11.v m l i l l P P ωωλ （6）式中，i l P ,为潜入断面级配百分数；l 为粒径组号；l ω为第l 组粒径沉速；l P为出口断面级配百分数；m ω为有效沉速；λ为淤积百分数；v 取0.5。
