紫坪铺水库未来50年、100年水库淤积形态、淤积平衡形态及有效库容计算.doc

紫坪铺水库水力设计一、 概况1.1 研究区域概况紫坪铺水库位于我国四川省成都市，是一个以灌溉、供水为主，结合发电、防洪、旅游等的大型综合利用水利枢纽工程水库正常蓄水位877米，死水位817米，设计洪水位871.1米（P=0.1%），核定洪水位883.1米，最大坝高156米在校核洪水位下，总库容11.12亿立方米，其中正常蓄水以下库容9.98亿立方米，正常蓄水位至汛期限制水位之间库容4．247亿立方米，死库容2.24亿立方米电站装机容量76万千瓦，保证出力16.8万千瓦，年发电量34.176亿千瓦时，年平均利用小时4496小时，电站建成后可承担西南电网的调峰调频任务和担负一定的事故备用紫坪铺水利枢纽工程坝址以上流域面积22662平方公里，占岷江上游面积的98%，多年平均流量469立方/秒，年径流量总量148亿立方米，占岷江上游总量的97%，控制上游泥沙来量的98%，工程能有效地调节上游水量、洪水和泥沙紫铺水库建成后，可调节增加枯水期洪水7.75亿立方米，设计枯水年宝瓶口现状多进水量6.86亿立方米，基本满足灌溉、城市工业、生活环境用水要求大型水利枢纽工程-----紫坪铺水库是国家西部大开发“十大工程”之一，被列入四川省水库“一号工程”，于2001年3月29日正式动工兴建。

二十世纪五十年代国家开始筹备建设的紫坪铺水库工程，因其坝基地址选在紫坪铺镇（前称白沙）紫坪村而得名，并在以后的几十年间被广泛传播为大众熟知该工程动态投资72亿元，静态投资62亿元，水库正常蓄水位为877米，最大坝高156米，总库容11.26亿立方米，其中调节库容7.74亿立方米，水电站装机容量76万千瓦，建成后除了满足川西灌溉、城市供水、防洪发电外，还将是一个比西湖大100倍的最大“水上公园”2004年12月1日开始蓄水，2005年5月第一台机组发电，2006年12月整个工程竣工投入使用 紫坪铺水利枢纽工程，是都江堰灌区的水源工程，是岷江上游不可多得的调节水库，它是具有防洪、灌溉、城市工业、生活和环保供水、利用供水水量发电等综合效益的大型水利工程一、流域概述紫坪铺水利枢纽工程位于岷江上游，都江堰城西北9KM处岷江是长江一级支流，全长711KM，流域面积13588平方公里都江堰以上为上游，河长314KM，落差2062M，流域面积23037平方公里紫坪铺水利枢纽工程坝址以上流域面积22662平方公里，占岷江上游面积的98％，多年平均流量469立方／秒，年径流量总量148亿立方米，占岷江上游总量的97％，控制上游泥沙来量的98％，工程能的效地调节上游水量、洪水和泥沙。

二、工程布置工程正常蓄水位877．00米，相应库容9．98亿立方米，校核洪水位883．10米，总库容量11．12亿立方米，属于大（I）型水利枢纽工程，其主要建筑物等级为I级工程按1000年一遇洪水设计，洪峰流量为12700立方米／秒枢纽由大坝、溢洪道、引水发电系统及厂房、冲沙放空洞、泄洪排沙洞组成三、工程效益提高都江堰设计灌溉面积1086万库耕地的灌溉供水保证率，还将为毗河丘陵扩灌区314万亩灌溉面积提供水源；向成都市提供工业和生活水量50立方米／秒（比现在增加22立方米／秒）；在枯水期（12月至次年5月）向成都市提供20立方米／秒的环境用水电站装机760MW，多年平均发电量34．17亿KW．H，可在电网中承担调节频任务可将岷江上游百年一遇的洪水削减为十年一遇下泄，大大减轻都江堰至新津县长约78公里河段的洪水威胁四、施工进度工程总工期六年（2001至2006年），不包括一年的筹建期（2000年）导流洞二条，洞径分别为11米、10米，洞长分别为780米、695米施工期2年，必 须保证2002年11月中旬截流大坝趾板砼筑开始至第一台机给发电2．5年坝体分四期填筑，砼板分三期浇筑，于2004年10月至2005年4月先后下闸，封堵导流洞，水库开始蓄水。

大坝继续施工至2006年底建完厂房工程自2005年5月第一台机组低水位发电后，每隔6个月安装一台机组，到2006年10月四台机组全部安装完毕五、环境效益调节径流，提高岷江水资源利用率都江堰灌区面积目前的2万平方公里提高到2.5万多平方公里确保城市供水，改善环境质量，促进成都市社会经济的全面发展提高防洪能力，可使岷江上游百年一遇的洪水削减至十年一遇洪水下泄，防洪标准从十年一遇提高到百年一遇同时还可新开发河滩地约一万亩充分发挥水库的净化功能，改善都江堰供水水质，减少泥沙危害，节约净化处理费水库电站每年提供电能34．17亿KW·H，避免了同规模火电站产生的环境污染紫坪铺水利枢纽工程形成了新的风景旅游区，把自然景观和人文景观融为一体，联成一片，提高了以都江堰为中心的风景旅游区的环境质量1.2基本资料紫坪铺水库库区图水情系统流域图1.3 研究任务紫坪铺水库未来50年（2065年）、100年（2115年）的水库淤积形态、淤积平衡形态及有效库容计算二、基本知识2.1水库淤积2.1.1水库淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积拦河筑坝后抬高了水位，形成了在建筑物前近似水平、而在上游末端与天然河流原水面线相切的水面曲线，称回水曲线。

2.1.1水库淤积形态分为纵剖面形态和横断面形态纵剖面形态包括三角洲、锥体和带状淤积三种形态在库水位变化幅度不大，淤积处于自由发展情况下，水库淤积一般呈三角洲形态；在回水曲线较短，入库水流在通过库段时紊动强度较大，或含沙量较高，含沙水流在达到拦河建筑物前泥沙来不及完全沉积情况下，水库淤积将形成锥体形态；水库水位在淤积发展过程中大幅度变动，水流挟沙量较小，则在水库回水末端变动范围内将产生一系列微型三角洲，并叠加形成带状淤积三角洲是水库淤积的基本形态由于回水曲线具有下凹的形状，故三角洲纵剖面亦为下凹面横断面形态在多沙河流与少沙河流的水库中有所不同多沙河流上的水库普遍有淤积一大片，冲刷一条带的特点淤积一大片指泥沙在横断面上基本呈均匀分布，库区横断面上不存在明显的滩槽冲刷一条带指水库在有足够大的泄流能力,并采取经常泄空的运用方式时,库底被冲出一条深槽，形成有滩有槽的复式横断面淤积过程中横断面的变化，一般还具有死滩活槽的规律，即滩地只淤不冲，滩面逐年淤高；主槽有淤有冲在合理的运用方式条件下,库区可保持一条相对稳定的深槽,不致被泥沙淤死少沙河流水库，淤积一大片的特点并不突出，但冲刷一条带和死滩活槽的基本特点依然存在。

2.1.2水库淤积过程水库淤积过程是在水流对不同粒径泥沙的分选过程中发展的在回水末端区，流速沿程迅速递减，卵石、粗沙等推移质首先淤积，泥沙分选较显著向下游，悬移质中的大部分床沙质沿程落淤，形成了三角洲的顶坡段，其终点就是三角洲的顶点在顶坡段，由于水面曲线平缓，泥沙沿程分选不显著当水流通过三角洲顶点后，过水断面突然扩大，紊动强度锐减，悬移质中剩余的床沙质在范围不大的水域全部落淤，形成了三角洲的前坡水体中残存的细粒泥沙，当含沙量较大时，往往从前坡潜入库底，形成继续向前运动的异重流，或当含沙量较小而不能形成异重流时，便扩散并在水库深处淤积水库淤积是一个长期过程一方面，卵石、粗沙淤积段逐渐向下游伸展，缩小顶坡段，并使顶坡段表层泥沙组成逐渐粗化；另一方面，淤积过程使水库回水曲线继续抬高，回水末端也继续向上游移动，淤积末端逐渐向上游伸延，也就是通常所说的翘尾巴现象，但整个发展过程随时间和距离逐渐减缓最终，在回水末端以下，直到拦河建筑物前的整个河段内，河床将建立起新的平衡剖面，水库淤积发展达到终极终极平衡纵剖面仍是下凹曲线，平均比降总是比原河床平均比降小，并与旧河床在上游某点相切2.1.3水库淤积的影响在库区，淤积减少有效库容，影响水库调节性能和建筑物的正常运用。

在水库上游河道，淤积抬高河床，使河道水位升高，坡降和流速减小，河槽过水能力降低，增加了防洪困难，河水位抬高还会引起两岸地下水位升高，导致土地盐渍化；在水库下游河道，在水库淤积并拦截泥沙时期，水库下泄清水，下游河床由于冲刷而普遍下切，水位随之下降这将产生正反两方面的影响：一方面，它不利于大坝和沿河建筑物的基础，使沿河引水工程的运用发生困难，使下游桥梁基础埋深减少；另一方面，可以使水电站的尾水位降低，能增加水电站出力、使下游水深增大而流速减小，有利于河床的稳定和通航在水库淤积平衡剖面建立以后，河流的全部悬移质与大部分推移质通过拦河建筑物下泄，下游河床复又上升，河床逐渐回复建库前情形2.1.4水库淤积的防治有水力排沙、水力冲刷和机械清淤三类水力排沙根据水库来沙多集中在汛期的特点，采用汛期降低库水位（或泄空），使悬沙的主要部分通过库区时来不及沉积而排出，也可采用汛末水库蓄水，将泥沙以异重流形式排出库外这类方法称为蓄清排浑法水力冲刷法分为汛前泄空冲刷、低水位冲刷和定期降低水位水力冲刷法（一年内一两次或多年一次）等机械清淤，有利用水库水头差作为排沙能源和利用外加能源法两大类前者常利用水库上下游水位差，根据虹吸原理,用浮动软管将建筑物前淤积物排泄出库。

后者用挖泥船或泥浆泵等机械清淤，只适合于水资源特别宝贵的水库2.2 淤积平衡形态水库淤积形态与水库运用方式、水库地形特点、进库水沙条件、支流汇人情况等因素有关在水库淤积过程中的淤积形态与淤积平衡形态不同，在初期不同的运用过程中，将出现上部不稳定的三角洲淤积和下部带状淤积形态，到后期淤积平衡时，汛期排泄全年泥沙形成全库区锥体淤积形态水库非汛期蓄水拦沙，在上部叠加三角洲淤积形态，汛期又将三角洲淤积冲刷夷平，保持水库冲淤平衡纵剖面2.2.1库区干流淤积平衡形态计算方法在河道上修建水库后，通过泥沙淤积发生新的造床作用，在淤积过程中泥沙发生分选，河床淤积物沿程变细，河床糙率沿程减小，比降沿程变小，因而水库淤积纵剖面呈下凹形水库淤积纵剖面形态及其坡降大小受来水来沙条件、天然河谷纵向形态、横向形态、河床阻力、岸壁阻力和形态、阻力、河床侵蚀基准面升高等因素影响2.2.2河床纵比降计算(1)库区河槽冲淤比降根据水流连续方程、水流阻力(曼宁公式)方程、水流挟沙力方程、泥沙沉速方程联解得：i=KQs0.5n2d50B0.5h1.33式中：K—经验系数，K与汛期平均来沙系数（ρQ）成反比，当ρQ=0.04～0.1时，K=140；Qs一汛期河段出口输沙率(t/s)，d50一汛期河段悬移质泥沙中值粒径(mm)，n—河段综合糙率，B、h一相应于汛期河段平均流量Q汛的水面宽(m)与水深(m)。

2)库区滩面淤积比降滩面比降与水库运用的造滩水流条件有关，比降小于相应河槽比降分析实际资料，可以得出下面的计算公式：i滩=50×10-4Q0.44Q为洪水上滩时期洪峰平均流量;2.2.3河床纵剖面形态计算(1)水库淤积长度L淤=0.485(△H淤i0)1.1式中：L淤一水库淤积长度(m)；△H淤—坝前淤积厚度（m）；i0天然河道平均比降2)库段划分对于泥沙分选作用明显的较长水库，淤积平衡纵剖面大体可分为四段：L分=KL淤式中；L分—分段长度(km)；L淤—水库淤积长度(km)；K-分段系数：尾部段K=0.08～0.1，上段K=0.38～0.40，中段K=0.26，坝前段K=0.262.2.4河槽形态计算库区淤积平衡形态，从横断面上看，具有高滩深槽的特征，它由造床流量河槽和调蓄河槽两部分组成1)造床流量计算造床流量是表征与多年汛期流量、含沙量过程的造床作用相当的代表性流量Q造=7.7Q汛0.85+90Q汛0.33或者Q造=56.3Q汛0.61 (2)造床流量河槽统计分析冲积河流水库和河道的资料，可以自由变化的河道，河槽水力要素按下。