修文水库泥沙淤积现状及生态清淤措施分析.pdf

工程实践水利技术监督 年第 期:/修文水库泥沙淤积现状及生态清淤措施分析钟京发 钱 斌(贵州新中水工程有限公司 贵州 贵阳 西安理工大学 陕西 西安)摘要:泥沙淤积是水库运行管理中的普遍问题 随着淤积末端上延可能导致水库泄流底孔严重淤塞 直接威胁到水库发电效益、泄洪及生态环境安全 因此开展水库清淤及生态修复研究具有重要应用价值 在对修文水库泥沙淤积现状进行分析基础上 通过清淤方案的类比分析 提出低水位生态清淤结合底孔改造与拦污栅防腐监测相结合的综合治理方案 结果表明 放空低水位生态清淤方案淤积物清理较彻底 既可以恢复水库有效库容 又可以改善库区水动力条件和水生态环境质量 工程生态经济效益显著 研究成果可为类似中小型水库清淤疏浚提供一定技术参考关键词:水库淤积 有效库容 泄洪安全 生态清淤中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:陕西省水利科技项目()作者简介:钟京发(年)男 工程师:流域梯级水库修建后 由于大坝对泥沙的拦截作用 流域泥沙分布会发生明显改变 尤其是坝前长时间泥沙淤积会带来库容损失和泥沙富集 一方面会严重影响水库蓄水、防洪、发电和供水等功能的正常发挥 另一方面 泥沙淤积会裹挟颗粒性污染物沉积在库底 会引起库区水文水质和水生态环境的变化 同时库区地下水位大幅上升会引起土地盐碱化破坏生态环境 修文水库经过多年的运行 库区淤积硬化固结相对严重 水库防洪调蓄功能明显衰退 随着坝前淤积河床进一步抬高 淤积末端继续上延 加之设备老旧自动化程度低 放空底孔存在放空进水口淤堵、闸门启闭困难等问题 根据党二十大生态文明建设精神 面对“十四五”期间水库除险加固和生态文明建设新要求 坚持从生态系统整体性出发 基于修文水库的泥沙淤积现状 做好水库清淤及病险排除工作 恢复水库的放空冲砂及下放生态水功能 保证电站正常稳定运行 电力赋能助力乡村振兴 水库概况修文水库位于贵州省修文县境内龙场镇木厂村 是长江流域乌江水系支流猫跳河上开发的第三个梯级电站 距贵阳市 距上游百花电站 坝址以上流域面积 设计水库总库容 亿 为日调节水库 水库于 年 月开工 年 月建成投运 电站以发电为主 总 装 机 容 量 水 库 正 常 蓄 水 位 为 汛 限 水 位 死 水 位 为 按重现期 年洪水标准设计、年洪水标准校核 工程属等中型 大坝为 级建筑物 枢纽由混凝土定圆心单曲率拱坝、坝后溢流式厂房、放空底孔等组成 年 月 年 月防 洪 加 固 后 拱 坝 坝 顶 非 溢 流 坝 段 高 程 最大坝高 坝长 顶宽 防浪墙顶高程 工程坝址多年平均流量为 /坝址下放生态流量为 /全年下放环境水量为 亿 水库淤积现状及成因分析 水库淤积历年清理状况 年 月 日 为配合总站放空水库检修发电钢管旁通阀等供水系统 李官、窄巷口、红林水库相继放空 修文水库水位也降至 发现水库库区存在泥沙淤积问题 年 月 日开始 李官至红林水库相继放空 修文水库采用水轮机顶转子过水和开启放空底孔阀门过水 以降低库水位 月 日 库水位至 时不再下降 年第 期水利技术监督工程实践月 日 现场检查发现拦污栅前有将近 高淤泥约挡住拦污栅/栅条上积渣较多 经检查 栅片、梁等无变形 栅体结构完整 月 日 月 日 对坝前库区进行清淤 保持水位在 之间 便于水流带走泥沙 共清除淤泥 栅前基本清淤至进水口底板 年库区放空情况 如图 所示图 年库区放空情况 年 月 日对修文水库淤积测量 根据测量结果 坝前进水口处/高度已被淤死 水库泥砂淤积严重 电站决定对修文水库进行清淤处理 整个清淤过程分两个阶段 即:第一阶段于 年 月 日进场 经 年 月 日双方共同测量 确认清除坝前淤泥实际方量为 第二阶段于 年 月 日进场 主要针对、进水口拦污栅卡塞情况 潜水员分不同班次进行水下打捞 先打捞 进水口 再转向 进水口至 月 日结束 实际水下工作历时 共打捞出渔船、渔网、生活垃圾等共计 解决了、进水口堵塞情况 清理到底板高程 根据贵州修文水电站大坝安全第三次、第四次定期检查审查意见 目前修文水库主要存在以下几个方面的问题:()库内淤积严重 淤积物主要为悬移质、树枝 少量推移质 淤积物长时间未清理 有硬化情况 淤积顶高程在 之间 淤积深度在 电站死水位 取水口底板高程 仅比坝前原地面高程高 比死水位低 水库淤积已严重影响到电站正常稳定发电 水库淤积现状平面及剖面 如图 所示图 水库淤积现状平剖面图()放空底孔为 埋管 出口设有工作闸阀 闸阀为人工手动操作 设备老旧加之上游淤积严重 闸阀启闭困难 工作闸前未设置检修设备 不具备正常检修条件()取水口拦污栅及闸门锈蚀严重 且上游面淤积物堆积 对拦污栅造成一定压力 拦污栅无监测设施 不能及时掌握拦污栅运行安全状态 水库淤积成因分析修文水电站与上游红枫、百花水电站基本属同时代建成的电站 只有百花水电站与修文水电站区间的李官电站是后面 世纪 年代建成 红枫、百花水库电站建成后 对库区和周边工农业供水的重要性日渐增强 运行中从未进行过冲砂及放空水库 工农业用水也不允许放空水库 红枫、百花水电站库容较大 均是大型水库 库面广阔 调节性能较好 汛期强降雨时下泄洪水清澈 上游泥沙主要在红枫、百花水电站库区沉积 基本不会对下游造成影响但李官水库库容较小为日调节水库图 水库淤积现状剖面图工程实践水利技术监督 年第 期对泥沙的沉积有一定作用 但相对红枫、百花水库的沉积作用则明显减弱修文水库泥沙来源主要为百花水电站至修文水电站区间 汛期地下水位抬高、行洪冲涮和李官水电站建设期施工等因素是修文水库库区淤积的主要致因 坝前库区淤积对大坝和发电影响较大 主要是淤泥质、粉细沙质淤积为主 树枝等其他淤积相对量比极少 总体来看修文水库已运行 余年水库坝前造成一定的淤积是属正常情况 不存在库岸稳定等特殊原因造成淤积 主要为 余年悬移质为主的沉积 修文水库清淤的必要性 大坝安全定检整改要求贵州修文水电站大坝安全第三次定期检查审查意见和贵州修文水电站大坝安全第四次定期检查审查意见明确提出:根据坝前淤积情况及时进行放空底孔及发电进水口前的清淤工作目前放空底孔出口工作闸阀已不能正常使用 应研究放空底孔出口控制设备的改造方案 并尽快实施 泥沙淤积影响电站功能坝前水库水下淤积地形测量可知 修文水库坝前淤积顶高程在 之间 电站死水位 由于取水口底板高程为 取水口进口底板布置较低 底板仅比坝前原地面高程高 比死水位()低 淤积高程已占到取水口断面/附近 对电站安全运行造成严重影响 主要表现为:()由于坝前淤积达 对大坝泥砂压力增大 对坝体安全稳定有一定影响 因此 大坝安全鉴定时提出须对放空底孔进行处理 恢复其底孔冲沙功能 以降低泥沙压力 确保大坝运行安全()修文水库冲沙底孔洞径过小 布置也存在缺陷 经过多年运行分析 冲沙底孔排沙效果不佳 极易出现进口堵塞 排沙底孔闸阀无法正常开启 另外 冲沙时由于泥沙导致底孔打开后无法有效关闭 存在较大安全隐患()由于发电取水口布置较低 目前淤积高程已占到取水口断面/底部拦污栅承受较大泥沙压力 导致发电进水口过流断面严重不足 增加了拦污栅栅前和栅后压差 运行中可能造成拦污栅跨塌以及淤泥等进入流道造成钢管堵塞事故 同时泥沙会进入电站工业取水管道和阀门 一旦出现类似事故 电站主汛期将无法发电 发电损失巨大 同时跨塌拦污栅有可能在检修门槽卡阻 或者由于泥沙堵塞影响 导致进水口检修闸门存在无法下落到底的隐患()由于拦污栅已堵塞了/发电取水流量严重不足 发电负荷达不到设计负荷 尤其是主汛期无法满负荷发电 造成主汛期大量弃水造成的大量发电损失 维系良好生态环境随着修文水库坝前泥沙淤积的进一步加重 泥沙裹挟着颗粒态污染沉积到水库底部富集 会对水库水质和水生态环境带来影响 泥沙是库区重金属离子、有机污染物等迁移和沉淀吸附的重要载体这些污染富集物形成长、影响深 会造成库区水质恶化和水生态环境破坏 开展水库清淤 可以清除或降低污染物沉积量显著改善库区水质 对维系猫跳河流域良好生态环境意义重大 水库生态清淤治理措施 生态清淤方案比选通过对水库现状的分析 拟定 种方案进行比选 即:方案一:深水生态清淤 底孔改造方案方案二:低水位生态清淤 底孔改造 拦污栅防腐及监测方案 方案三:低水位生态清淤 底孔改造 拦污栅防腐及监测 拦砂坝方案()方案一:深水生态清淤 底孔改造水库现有上坝公路 条 宽约 转弯半径较小 大型设备无法进场 故不考虑大型设备如清淤船进场作业 拟定的深水清淤为高效生态清淤装备 主要由脉冲水射流破碎装置、新型气力泵、提升系统 水上平台、支撑系统以及水平输送系统等组成 控制水库水位在 高程以下 将生态清淤装备靠岸边拼接好 并用缆线栓牢 根据水位调节新型气力泵的位置启动空压机开始清淤(河底床如出现淤结或淤泥减少则启动水射流喷嘴破碎装置)泥浆混合物通过输送管到沉沙池通过沉沙池沉淀处置后拖运至渣场 深水生态清淤将水下的淤泥搅碎后抽出 部分泥浆可以被带走 但约有 的淤泥会进入水体中 待清淤完成后水体逐渐稳定仍会出现沉积 因此 深水生态清淤不够彻底 但能够将剩余的硬质淤泥搅碎 对水库日后的放水冲沙起到一定的作用 年第 期水利技术监督工程实践在放空兼冲沙管进口设置 套钢结构的吸闸门 为其后管道、阀门检修和原工作闸阀拆除提供条件 需水下施工 坝顶设启闭室 通过启闭机控制闸门开关 拆除放空兼冲沙管出口原工作闸阀在其位置新设流量计 在管道末端新建 套工作阀门 用于水库放空、冲沙 恢复水库放空冲沙功能 并设闸阀室()方案二:低水位生态清淤 底孔改造 拦污栅防腐及监测方案将低水位生态清淤装备(主要由脉冲水射流破碎装置、新型气力泵、提升系统 水上平台、支撑系统以及水平输送系统等组成)放至库内现场拼装好 依靠发电取水口放水将水库水位放至最低 利用生态清淤装备抽取坝前 范围内淤泥 通过管道输送至大坝下游天然沉砂池 途径溢流表孔设镇墩、排气阀 淤泥到天然沉砂池经沉淀后将水排出 利用自卸汽车运送至 外的渣场 剩余 范围内淤泥通过生态清淤设备绞碎后 设备配合冲砂底孔将淤泥排至下游河道底孔改造同方案一 取水口进口拦污栅和事故闸门长期处于水下 多年未进行防腐 水库低水位生态清淤为拦污栅和事故闸门除锈防腐提供了有利条件 同时在拦污栅前后新建水位压差检测装置()方案三:低水位生态清淤 底孔改造 拦污栅防腐及监测 拦沙坝方案方案三与方案二基本一致 增加的沙砂坝方案为:利用放空清淤水位降至最低 修建下库盆道路 在坝前约 处的围堰处设块石石笼挡墙底部进行基础灌浆 两岸锚固与山体内 块石石笼顶宽 高 按 向两面放坡 底部宽度 生态清淤方案选择为优选与工程实际相匹配的生态清淤方案 从施工工期、实施效果、安全风险、施工影响程度、电站效益影响程度和工程投资等方面进行综合对比 见表 从上表 可以看出 方案一安全风险小 施工干扰小 但淤积物清理不彻底 取水口金属结构未进行防腐处理 效果不佳 故排除方案一 方案二放空清淤虽安全风险较大 施工干扰大 但清淤处理效果好 后期运行安全有一定保障 方案三较方案二增加了拦沙坝 此方案虽能在一定程度内解决日后淤积对发电的影响 但风险较方案二大很多且投资约为方案二的 倍 经综合对比 设计优选方案二:放空低水位生态清淤 底孔改造 拦污栅、闸门防腐及水压监测方案 对修文水库进行全面清淤整治表 生态清淤方案比选结果项目工期实施效果安全风险施工影响程度电站效益影响程度工程投资方案一 个月取水口金属结构未进行防腐处理 未设置安全监测设施 且清淤不彻底 效果一般小枯期 施 工 深 水 作业 区间来水小 对施工影响小深水不放空 水量损失小 万元方案二 个月取水口金属结构进行了防腐处理 设置安全监测设施 且清淤较彻底 效果较好吸闸门安装的临时围堰有被来水及淤泥压垮的可能 风险较大枯期 施 工 水 库 放空 区间来水对水下施工有一定干扰放空 大量放水水量损失大 万元方案三 个月清淤彻底 上游修建拦砂坝可长远解决淤积对发电的影响除方案二风险外 拦砂坝施工工期长 难度大影响大 要大功率水泵进行抽排放空 大量放水水量损失大 万元 结语()修文水库坝前淤积属正常情况 主要受百花水库至修文水库区间汛期地下水位抬高、行洪冲刷和李官水电站建设期施工等因素的影响 不存在库岸稳定等特殊原因()在确保防洪安全的前提下 对修文水库库区实施低水位生态清淤 能有效清除库内硬化固结淤积物 恢复有效库容扩大蓄水和发电供水保障能力 同时能清除库内污染物改善水库水质和区域生态环境()后期应根据水库库底清理出淤积物的品质特性 采取有针对性的处理措施后实现淤积物的资源化利用 提升水库综合效益参考文献 刘增辉 倪福生 徐立群 等.水库清淤技术研究综述.人民黄河 ():.工程实践水利技术监督 年第 期 由灿 邬登成.铜川市水库清淤扩容技术可行性研究浅析.中国水能及电气化():.王雷刚 赵小宁 王浪.零河水库清淤工程清淤方案浅析.陕西水利():.崔兴宇 毕望舒.满台城水库清淤疏浚工程设计.东北水利水电 ():.曹强.巴家嘴水库泥沙淤积现状分析及清淤措施.西北水电():.李兆 潘巧玲.厄瓜多尔 水电站项目调蓄水库清淤系统方案设计.云南水力发电 ():.韩景 朱宜平 吴彩娥 等.上海长江水源地大型水库清淤疏浚工程规划方案研究.水利技术监督():.刘建飞 任红侠.深水条件下生态清淤技术应用研究.人民黄河 ():.(上接第 页)使用水文资料整理规范中的定向精度指标对单值化成果精度进行研究和分析 用公式()计算实测点流量和推算流量间的系统误差和随机不确定度 ()式中 流量实测点的数量 第 个实测点的流量值/第 个实测点的单值化校正流量值/置信度大于的随机不确定度根据式()对误差进行统计 得到 年 月 年 月的 次测量的系统误差为 随机不确定度为 对测量点的偏差统计 测量点的计算值和实测数值的相对误差小于 的达到以上 采用水位落差法进行测算 测量点的系统误差为 随机不确定度为 两种测算方法相比较 双要素校正法的单值化成果精度略高于水位落差法 在 年 月 年 月的 次测量中 水位流量单值化精度误差大于的有 次 根据流量级划分规定 这两次为低枯水 且数值较小 如果将这两次测量去除 水位流量单值化随机不确定度的数值能够降到以下通过对 次实测数据的分析 基于双要素校正法对黄村防汛站的水位流量单值化推流计算 将水位流量变化的河道水力因素纳入考虑范围 能够用于水位流量单值化应用 存在少数测量计算精度需要提升的问题 黄村防汛站采用的是桥测和船测相结合的形式 流量测量用时较少 洪水涨落对测量精度影响不大 精度影响的主要问题是水位落差的确定 综合落差权重是以黄村防汛站与城西湖退水闸(闸上游)的水位落差为主 根据近 年来历史数据统计 在低枯水时期 其综合水位落差只有 左右 造成推流误差的增大 此外黄村防汛站受到城西湖退水闸闸门启闭影响 带来很大的外部干扰 影响着综合水位落差 以上问题对基于双要素校正法对黄村防汛站水位流量关系单值化分析的精度提升带来一定影响 结语在水位流量关系单值化分析的各种方法中 双因素校正法的使用场景是受洪水涨落的影响较大的防汛站 而水位落差法的使用场景是受回水流量影响较大的防汛站 水位一流量关系单值化分析结果较好 满足现行水文整编规范要求 使用后 能够大幅度减少流量测次 降低测验成本 减少劳动强度 提高相应流量报汛精度 但是当测验河段局部时段出现断面冲淤变化大、洪水陡涨陡落、回水頂托严重等特殊水情时 该单值化方案使用效果欠佳 需要恢复连时序法开展流量测验和整编 今后要加强单值化流量值的计算与分析 解决该方案对于特殊水情拟合度不高的问题参考文献 桂笑 胡婷 江鹏.虎山水文站水位流量单值化分析.江西水利科技():.黄烈敏 徐清涛 胡家彬.监利水文站水位流量关系单值化方法初探.水利水电快报.():.万凤鸣 龙立华.落差指数法在长江中游螺山站水位流量关系研究中的应用.科技创新导报():.张亭 吴尧.汉口水文站水位流量单值化方案及其应用.人民长江():./.水文资料整编规范.水文巡测规范.王振洋 王宝成 樊丽娜 等.三峡水库 葛洲坝水库调度影响下宜昌站流量单值化方案优化.水利水电快报 ():.王日升.落差指数法在水位流量关系中的应用.河北水利科技():.吴世勇 刘晓琴 彭艳明.沙市二郎矶站水位流量关系单值化分析研究.人民长江():.陈建湘 王涛 汪卫东.螺山站水位流量关系单值化研究与创新.水文 ():.刘倩.水文现代化建设若干问题及对策探析.水利规划与设计():.梁存峰.万年饱水文站高水期水位流量关系曲线单值化分析.山西水土保持科技 ():.