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1、 水利工程中存在的泥沙灾害及对策 汇报人 王皓宇 2020 4 4 1 CONTENT 一 研究背景 二 水库泥沙淤积的计算 三 泥沙的危害 四 清淤措施的管理与评价 五 泥沙危害的防治措施 2020 4 4 2 一 研究背景 我国有很多流域 如长江流域 黄河流域 淮河流域等 在这些流域中都或多或少的存在着泥沙问题 在天然河流上修建水库后 将会给该地区一系列的影响 库区水位的抬高 使过水断面扩大 水力坡降变缓 水流速度减小 这些将导致水流挟沙能力的降低 从而改变原河道的泥沙运动规律 导致大量泥沙在库区逐渐沉淀淤积 也就是说 修建水库成为河流泥沙淤积的主要原因 黄河流域是世界上含沙量最大的河流
2、因此泥沙带来的问题相对于其他河流更为显著 因为泥沙的淤积 黄河的河床不断的抬高 因此黄河被形象的称为 悬河 在多沙的河流中 要考虑泥沙的沉积对水库库容的影响 也要考虑到泥沙对水轮机的磨损 还要考虑到泥沙对建筑物的危害作用 2020 4 4 3 一 研究背景 图1 1 图1 2 2020 4 4 4 研究背景 水库泥沙淤积状况全世界年均库容损失约450亿m3 占水库剩余库容的0 5 1 我国水库年淤损率为世界之最 高出世界平均值的2 3倍 如表1 1所示 2020 4 4 5 研究背景 我国是水土流失最严重的国家之一 大量的泥沙进入河道 使以兴利为目标的许多水库淤积严重 表1 2列出了我国部分水
3、库的淤积情况 2020 4 4 6 研究背景 我国水库淤积至少呈现以下两个特点 1 水库淤积现象普遍 无论是北方还是南方 无论是多沙的黄河流域还是含沙量较少的长江 珠江等流域 都不同程度地存在水库淤积问题 据长江水利委员会水文局1994年7月的长江上游地区水库统计资料 截至20世纪80年代末 嘉陵江流域内已建成各类水库4542座 总库容56 10亿m3 年淤积率约为0 86 根据1990 1992年黄河流域的水库泥沙淤积调查 至1989年全流域共有小 一 型以上水库601座 总库容522 5亿m3 淤损库容109 0亿m3 占总库容的21 2 中小型水库淤积问题突出 国内550余座有淤积资料的
4、水库统计表明 中小水库的泥沙淤积速率一般较大型水库高出50 237 北方严重水土流失区的中小型水库淤积速率尤甚 如 陕西省杏河水库两年建成 而仅一年就被淤满 马家湾水库总库容750万m3 兴利库容300万m3 已淤积43万m3 白家坪水库库容240万m3 已淤积230万m3 延安王瑶水库淤积也十分严重 总库容2 03亿m3 淤积已占总库容的44 5 高志科 2001 2020 4 4 7 二 水库泥沙淤积的计算 根据黄耀华 黄煜龄对天然河道长河段一维非稳定流的数模研究可知 泥沙运动的规律类似于水体 不仅服从连续条件 而且也服从运动方程的要求 三峡大学彭辉教授结合他们的想法 并依据非均匀质不平衡
5、输沙原理建立水库泥沙淤积的一维数学模型 计算中 按全沙模式和划分时段 河段 逐时段 逐河段进行 2020 4 4 8 水库泥沙淤积的计算 一维水流泥沙冲淤方程组应满足以下方程 水流连续方程 河床变形方程 泥沙连续方程 2020 4 4 9 水库泥沙淤积的计算 水流挟沙公式 式中 为水位 为流量 为水能坡降 口为流速 为过水面积 为重力加速度 为水中含沙量 为泥沙干重度 为冲淤面积 为系数 为系数 为指数 为河宽 为时间 为水流挟沙力 为泥沙静水沉速 为悬沙级配 为计算河段总长 为断面等间距 一般来说 8 2020 4 4 10 水库泥沙淤积的计算 将上述方程进行理想化处理 做出如下假设 将整个
6、时段划分成若干小时段 假设每个时段除冲淤面积外其他因素均不改变 将河段划分成若干小河段 假设每个小河段内流量不变 忽略项的影响 不考虑流速变化 假设淤积泥沙在水库中均匀平铺 则通过上述方程即可求得水库的淤积量与时间的函数关系 因此 当求得的水库淤积量到达或者接近水库的死库容时 就要进行采取清淤措施 此外 上述方程是基于理论分析推导出来的 较为复杂 且目前由于水库泥沙资料不全 计算方法仍不够完善 所以很难得到精确的结果 实际运用中 为简化计算 常采用简化法和沙莫夫法分别进行悬移质和推移质泥沙的淤积量的估计 这2种方法偏于经验估计 所以可以根据各个水库的具体情况来确定经验参数 从而求得各个阶段的泥
7、沙淤积量 并对是否进行泥沙清淤进行决策 2020 4 4 11 三 泥沙的危害 河流中的泥沙按其运动方式可以分为悬移质 推移质和河床质三类 悬移质 受水流作用而悬浮于水中并随水流移动的泥沙 推移质 受水拖曳作用沿河床滚动 滑动 跳跃或层移的泥沙 河床质 组成河床活动层并处于相对静止而停留在河床上的泥沙 2020 4 4 12 泥沙的危害 3 1对水库库容的影响在天然的河流上修建水库之后 随着库区水位的抬高 过水断面的扩大 水力坡度的变缓 水流速度的减小 夹杂在河水中的悬移质就会慢慢的在库区中沉淀淤积 水流含沙量越大 在水库中的淤积程度也就会越高 如黄河三门峡水库 多年平均含沙量37 8kg m
8、3 在1960 1970年 水库总淤积泥沙达55 5亿t 使水库的库容损失高达43 水库淤积侵占了水库的调节库容 使水库的综合效益降低 另外 水库的回水末端的淤积上 将增加水库周围的淹没损失 威胁上游重要城镇 工况和交通设施的安全 2020 4 4 13 泥沙的危害 3 2对水轮机的危害在多泥沙的河流中 泥沙的存在为泥沙水流气蚀的产生或提前发生创造了条件 在水电站中 泥沙使水轮机流道内的流场和压力场发生了畸形 并且对水轮机过流部件的表面产生反复的冲击和切削使水轮机的局部产生巨大的磨损 流速 含沙量 时间与材料磨蚀强度关系式 2 6 3 5 0 954 1 1139 0 95 1 0式中 为含沙
9、液体相对于试件的流速 为含沙量 3 为磨蚀时间 从上面的两个式子中可以看出 水轮机的破坏与沙粒的粒径有关 粒径越大 材料损失的质量越大 相反粒径越小 材料损失的质量越小 水流中的含沙量也与材料的磨蚀强度有关 含沙量越小 材料的磨蚀强度越小 2020 4 4 14 泥沙的危害 3 3对坝体的影响1 随着泥沙在坝体前的淤积 泥沙的压力增大了坝体的压应力 尤其在坝踵处最为明显 另外 上游坝坡度增加的幅度较下游坝坡大 随着坝高的增加 上游坝坡压应力增加的幅度减小 但当坝高超过一定高度时 泥沙压力对下游坝坡的影响加剧 2 泥沙压力使坝体的应力变得不均匀 破坏了应力状态 因此在多沙河流的坝体设计的过程中
10、应考虑到泥沙压力对坝体受力的影响 2020 4 4 15 四 清淤措施的管理与评价 随着科学技术的进步和工程实践经验的积累 水库泥沙淤积防治措施在不断地发展 当前常用的措施包括 水土保持 蓄清排浑 异重流排沙 机械挖沙 挖泥船挖沙 干挖 水力虹吸抽沙 等 不同淤积防治措施取得的效果 对环境的影响 对社会的影响 产生的经济效益都存在差异 为了确定水库合理的泥沙淤积防治措施 不仅需要考虑技术可行性 还要分析经济性及对社会和环境的影响 因此 迫切地需要开展水库泥沙淤积管理评价工作 开展水库泥沙淤积管理 具有非常重要的工程意义 包括 1 保持水库库容 实现水库功能的可持续利用 2 减轻大坝荷载 改善大
11、坝安全状况 3 降低库尾高程 提高防洪效益 4 疏浚库尾河段的航道 提高航运效益 5 减轻库区淹没 缓解移民问题 6 减少有机物在泥沙上的吸附 改善库区水质 2020 4 4 16 清淤措施管理与评价 传统的水库规划 设计和运行都基于一个基本假设 即水库存在有限的 设计寿命 DesignLife 考虑泥沙淤积 这个 设计寿命 通常只有100年左右 Morris等 1997 库容淤损后 该理念很少考虑通过修复手段维持水库功能 随着移民问题和环境问题的日益突出和备受关注 水库建设受到越来越多的限制 通过新建水库来维持总库容量是一条不可持续的道路 传统的管理理念将不能满足未来可持续发展的要求 需要对
12、水库设计与运行方式进行改进 把受制于泥沙淤积的水库转变成可持续利用的基础设施 Wang等 2005 鉴于传统水库泥沙淤积管理中存在的问题 世界银行提出了水库可持续管理的 生命周期 LifeCycle 理念 Palmieri等 2003 作为水库 设计寿命 管理理念的补充 以实现水库库容的长期保持及代际公平 2020 4 4 17 清淤措施管理与评价 1 设计寿命 管理理念 设计寿命 管理理念是指在工程的寿命期内 完成工程的规划 设计 建设 运行和维护 实现工程既定的各项任务 是一个有限的线性寿命管理过程 工程的寿命一旦确定 50年 75年或是100年 工程的规划 设计 建设 运行和维护就限于这
13、个时段内进行 设计寿命 管理理念的主要特征可概括为图4 1 该图由三部分组成 工程规划时的环境和社会因素 工程的设计 施工 运行维护及降等报废 工程对外部环境和社会的影响 核心内容为工程的设计 施工 运行维护及降等报废 各部分之间用箭头链接 表示各事件的先后顺序 空心箭头表示外部因素的输入 这种管理理念已经广泛应用于水库设计与运行管理具有如下特点 2020 4 4 18 清淤措施管理与评价 具有如下特点 1 工程的寿命是确定的 工程的管理是寿命有限的线性过程 2 水库建设 运行与维护的约束基本上是在规划或设计时考虑的外部因素 3 随着工程的老化 水库的不断淤积 工程逐步丧失各项功能 4 工程寿
14、命末期 报废或降等产生的环境和社会影响由后代承担 在这种管理理念下 工程的经济评估 环境影响评估以及社会影响评估都局限在工程的寿命期内 在 设计寿命 管理理念下 为了实现水库的各项功能 需要根据建设目的和约束因素 确定水库设计与运行管理的几个关键要素 包括 水库寿命 枢纽布置 运行调度方式 同时 由于运行与维护的需要 需要对水库进行安全管理 水库运行期间 若外部条件发生变化 尤其是来水来沙条件变化 一些水库的库容会不断减少 甚至被淤满 水库的库容变化过程可用图4 2表示 2020 4 4 19 清淤措施管理与评价 图4 1 设计寿命 管理理念 图4 2 设计寿命 管理理念下 水库库容变化概图
15、2020 4 4 20 清淤措施管理与评价 2 生命周期管理理念2003年 世界银行提出的水库可持续管理的 生命周期 理念 是与 设计寿命 理念不同的管理理念 整个理念包含的元素与 设计寿命 管理方法中的基本一致 但以循环的形式进行组织 实施泥沙淤积管理从而保持水库库容是循环得以实现的关键之一 其特征可概括为图4 3 由于水库不断地进行泥沙淤积管理 库容能长期维持 工程能够长久发挥作用 若工程老化需要拆除 工程的拆除管理也包含在工程的管理目标中 该理念的根本目标是通过积极的管理和维护 实现水库主要功能的长久维持 当工程老化不可避免时 允许大坝报废 同时每年定期拿出工程的部分收益建立报废基金 如
16、此 从大坝获益的任何一代人都能为大坝报废做出应有的贡献 代际公平得以维持 该理念的核心思想是可持续性 其关键手段是水库泥沙淤积管理和工程效益 成本计算 一般而言 在这种管理理念下 水库部分库容可长期保持 库容变化过程如图4 4所示 2020 4 4 21 清淤措施管理与评价 图4 3生命周期管理理念 图4 4生命周期管理理念下 水库库容变化概图 2020 4 4 22 清淤措施管理与评价 两种管理理念的比较尽管两种管理理念涉及的基本元素大体相同 但管理结果却大相径庭 在 设计寿命 管理理念下 伴随着大坝的报废或降等 水库对环境 社会产生的很多影响无法得到解决 包括 下游河道演变 河口演变 生态环境破坏 水文条件改变 泥沙淤积问题 土地利用方式改变 局部人口结构改变 供水供电能力削弱 洪水危害程度增大 有毒物质下泄等等 甚至还会造成残存工程对社会与环境的影响无法消除 自然资源不能充分利用 社会需求不能充分满足等严重后果 而在生命周期管理理念下 由于持续地根据外部因素的变化调整工程的设计 规划和运行方式 工程的效益能够长久维持 并且还可利用收益建立相应的报废基金 设计寿命 管理理念中存在的
