河流泥沙工程-余老师作业-陈燕平

泥沙数学模型计算

陈燕平2013282060132 1 数学模型简介

本次泥沙淤积分析计算采用武汉水利电力大学研制开发的susbed-2准二维恒定非均匀流输沙模型。该模型是建立在河流泥沙动力学理论、非均匀悬移质不平衡输沙以及水库淤积与河道冲淤变形研究成果的基础上，解答较为全面，在我省的高桥电站、云龙水库、糯租电站、麻栗坝水库以及漫湾、大朝山等工程设计中被广泛采用，取得了良好的效果。该模型为《水电水利泥沙工程设计规范》推荐使用的模型之一。

2 上游工程对水电站来水来沙影响分析

2.1水利工程影响

南盘江流域为我省人口稠密地区，经济相对发达，上游河段有较多的闸坝，人类活动对径流的影响自古即存在。在上世纪50年代末及60年代初，就修建了较多的中、小型水库。由于这些水库的灌区都在流域内，本身流域面积也较小，对下游江边街一带干流段径流影响不大。上游具有调节性能的水库为柴石滩水库。根据柴石滩水库初设报告，水库正常库容3.4亿m3，兴利库容2.55亿m3，死库容0.85亿m3；水库多年平均输沙量为75.2万t，库沙比599，每年95%约71.4万t的泥沙淤积在库内，约占江边街站的10.5%。大桥电站来沙应粗略考虑柴石滩水库的拦蓄作用。同时，柴石滩水库建成至今，由于灌区渠道未配套，一直未发挥农田供水任务。大桥电站径流计算时，应考虑满足规划水平年上游用户蓄水要求，扣除相应耗水。

2.2水电工程影响

上游规划或已建梯级电站均为日调节电站。由于低水头、大流量发电，

平衡年限较短，因此对梯级电站的水量调节及拦沙作用不予考虑。

3 基本资料及参数

（1）断面资料

大桥电站库区共布置了44个断面，系由2010年实测而得。断面平均间距1167m，其中断面最大间距为2281m，最小间距为397m。

（2）水沙系列资料

根据江边街实测资料得出规划水平年水沙系列过程。规划水平年柴石滩灌区配套完成，径流过程为扣除上游用水后的“柴石滩下泄+区间径流”过程，来沙量相应考虑水库的拦蓄作用。

经分析，规划水平年坝址悬移质多年平均输沙量605.4万t，推移质多年平均输沙量30.3万t，多年平均来水量53.7亿m³。

（3）坝前水位

为保证大桥电站安全运行，考虑水库库区段高速公路的防洪安全及电站的发电效益，经多组试算，电站运行调度方式为：

①当入库流量大于300m3/s时，库水位降至死水位995m排沙运行；小于300m3/s 时，正常蓄水位1000m运行。

②当入库流量大于600m3/s时，开启全部冲沙孔及表孔放空库容，停止发电。

（4）粒径分组

根据悬移质和推移质的组成情况，将非均匀沙分为15组，其端点粒径为d1=0.001，d2=0.0025，d3=0.005，d4=0.01，d5=0.02，d6=0.05，d7=0.1，d8=0.25，d9=0.5,d10=2 ,d11=5,d12=10 ,d13=20 ,d14=40 ,d15=100mm。前9组按悬移质计算，后6组按推移质计算。

（5）糙率

电站库区河段两岸植被较差，存在着滑坡、崩塌，且河床弯曲不规则，参照附近工程经验，综合分析糙率值采用0.032~0.045。

（6）有关参数

泥沙计算采用张瑞瑾水流挟沙力公式，系数k及指数m采用上游糯租电

站实验成果数值，分别为0.1和1.05。悬移质恢复饱和系数当冲刷时α=1.0，淤积时α=0.25。

4 计算成果

4.1冲淤平衡年限

大桥水电站库沙比仅为11，当水库运行至第16年时，平均排沙比达到91.5%，可视为水库基本达到冲淤平衡状态。

4.2泥沙淤积量

大桥水电站建成后，下坝址累积淤积量及时段间排沙比变化情况见表4-1。从表中可看出，随着水库运行年限的增加，淤积量逐渐增加，排沙比也逐渐加大。

表4-1 大桥水电站淤积量成果表

水库运行5年后，累积淤积量为2732.9万m3，2~5年时段间平均排沙比67.6%；当水库运行到16年时，时段间平均排沙比达到91.5%，此时，水库的累积淤积量为3684.4万m3。

4.3淤积形态

水库运行不同年份纵向淤积变化情况见图4-1。由图可见，大桥电站的泥沙淤积形态为锥体淤积。这是由于大桥电站库容对于来水量而言较小，坝前水位变幅度较大，水流输沙力强，大多数泥沙能运行至坝前淤积的缘故。此外，采用《泥沙设计手册》推荐的清华大学水利系公式α=V/W进行验证，其中V为汛期平均水位以下库容，W为汛期平均来水量；。当α＜0.3时为锥体

淤积。计算出α远小于0.3，从经验的角度也说明电站的淤积形态为锥体淤积。

图4-1 大桥电站运行不同年份淤积形态图

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4.4库容损失分析

大桥电站运行不同年份库容变化情况见表4-1。

水库运行16年后基本达到冲淤平衡，当水库达到冲淤平衡状态时，库区泥沙总淤积量3684.4万m3，正常库容损失64.8%；泥沙绝大部分淤积在死水位以下，死库容损失83.0%。

表4-1 大桥水电站库容变化情况表

4.5上坝址泥沙成果

大桥水电站上坝址距下坝址 4.5km，径流面积24992km2，与下坝址相差不到1%，水沙条件与下坝址可视为相同。上坝址正常蓄水位1000m，库沙比仅为7，泥沙主要计算成果如下：

（1）水库运行13年后，库区累计淤积3058.9万m³，排沙比90.7%，基本到达冲淤平衡状态。

（2）库区泥沙淤积形态为锥体淤积

（3）水库达到冲淤平衡后，死库容内泥沙淤积了1960.5万m³，库容损

失率90.3%。

5结论及建议

（1）大桥水电站库沙比小，上下坝址库沙比分别为7和11；水库泥沙淤积平衡年限相对较短，上下坝址冲淤平衡年限约为13年和16年。

（2）大桥电站泥沙淤积形态为锥体淤积。

（3）水库运行调度方式，对水库排沙较为有利，下坝址冲淤平衡后，水库的正常库容、死库容、有效库容分别损失了64.8%、83.0%、28.9%。

（4）建议可研阶段进行物理模型试验，进一步研究水库运行调度方式对坝前淤积形态的影响及变动回水区泥沙淤积变化情况。