三峡水库挖粗沙减淤方式研究
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摘要
本文针对水库长期存在的泥沙淤积问题,提出“固定河段挖粗沙”水库减淤方式。实测资料表明河道型水库泥沙淤积具有沿程分选的特性,粗沙集中淤积在变动回水区,并且对水库后期淤积影响很大。基于此提出水库挖粗沙减淤的方式,即在变动回水区适当位置选择一定范围设立固定的挖沙河段,利用挖泥船等机械设备集中并挖除大部分粗沙,达到减少淤积量、降低最终库区淤积面和回水面的目的。水库挖粗沙设置主要包括挖沙段地理位置、挖沙尺寸、粗沙粒径范围和挖沙方式的确定。
对水库挖粗沙的减淤机理进行探讨。实测与理论分析表明,河道型水库各组泥沙分选淤积,库尾粗沙沉积率远大于细沙,因此库区回水末端设置挖沙段的粗沙拦截比例和挖粗沙效率都较高。粗沙的大量拦截能够使进入常年回水段的泥沙明显变细,平均沉速大大降低,从而减缓库区冲淤平衡坡降,并通过河道水动力条件改变与河床演变的相互作用,将减淤作用延伸至库区各段,实现整个水库减淤。调查目前国内外疏浚清淤工程和疏浚设备,分析当前的疏浚成本和建筑河沙市场情况,认为对水库进行较大规模挖粗沙的减淤方式在技术和经济上均已具备相当可行性。
利用水库泥沙数学模型,对三峡水库的挖粗沙减淤方式进行研究。分别针对三峡设计水沙系列(60s)和近期少沙系列(90s)进行大量挖粗沙方案计算,代表方案的计算结果显示,以粒径D>0.1mm为粗沙,连续挖粗沙方式的百年累计挖沙量分别为32-38亿m~3(60s)和18.4-26.1亿m~3(90s),粗沙拦截比例达50%-70%,使水库总淤积量分别控制在140亿m~3(60s)和110亿m~3左右(90s),挖沙减淤效率高于95%,水库冲淤平衡坡降减缓25%左右,重庆河段淤积量大大减少,抑制淤积上延和回水抬升。因此,挖粗沙方式可基本控制三峡水库后期淤积持续增长的趋势,有利于保护水库有效防洪库容和库尾航道安全,对三峡工程实现长期、可持续利用具有重大意义。
水库挖粗沙减淤的方式,对三峡水库的泥沙治理具有较大参考意义,同时作为传统水库泥沙淤积控制方式的拓宽,可推广至一般的大型河道水库减淤,为水库淤积问题提供一种积极可靠的解决途径。
A scheme of dredging coarse sediment (CS) for reservoir desiltation from a fixed dredging basin (FB) in the fluctuating backwater of river shaping reservoir is studied herein this paper. The prototype data indicate an obvious fact that grain size sorting along the reservoir from upstream to the deep pools, and sediment deposited in the fluctuation backwater reaches (FBW) is few in quantity but it consistes mostly of coarse sand, which will become the main frame of future deposition delta. This scheme focused on removing CS from specific locations where mostly only CS deposited in the shallow reaches of the FBW by the dredger, to reduce the deposition of reservoir, and lessen the ultimate talweg and backwater.
The efficiency of reducing reservoir deposition is high by the method of dredging CS. According to the theoretic analysis, the setting FB in the FBW can be functioned as a sand collector for removing CS constantly and it will be able to intercept most CS into the deep pools, on the basis that deposited ratio of CS is more than the fine sand because of the positive relativity between deposited ratio and settling velocity. In addition, the sedimentation equilibrium gradient slow down as the sand transporting to downstream is fined because of the interception of CS. After dredging, the whole reservoir is in desiltation under the interaction between the changes of dynamic condition and fluvial evolution. The author reviewed the increasing capacity of dredging that promoted by fast development and commercial needs of dredgers and large scale dredging projects, and the market of river-sand along the Yangtze in particular in recent decades. It implies that reservoir dredging is not as expensive and low efficient as it was previously believed and large scale dredging for reservoir desiltation seems to be worthy of consideration.
Applying a well-applied model of unsteady flow and sediment transport, the author studied many cases with respect to different flow and sediment conditions for TGP. Computation reveals that the scale of CS dredged is 32-38×10~8m~3 and 18-26×10~8m~3 for 60s and 90s condition respectively, and 100years accumulated deposition after dredging is to be decreased to 140×10~8m~3 and 110×10~8m~3. The efficiency of desiltation by dredging is as high as 95%, and interception ratio of CS is 50%-70% which result in the 25% decreasing of slope. The great reducing of deposition of Chongqing reach can restrain the deposit extension and backwater elevation. It seems to the author that this scheme for TGP is a sustainable way for that can keep the reservoir lastly in low level of deposition and protect its flood control capacity and tail waterway safety, which is important of TGP.
This scheme is also worthwhile as a reference for desiltation of others like the TGP of a river shaped reservoir.
对水库挖粗沙的减淤机理进行探讨。实测与理论分析表明,河道型水库各组泥沙分选淤积,库尾粗沙沉积率远大于细沙,因此库区回水末端设置挖沙段的粗沙拦截比例和挖粗沙效率都较高。粗沙的大量拦截能够使进入常年回水段的泥沙明显变细,平均沉速大大降低,从而减缓库区冲淤平衡坡降,并通过河道水动力条件改变与河床演变的相互作用,将减淤作用延伸至库区各段,实现整个水库减淤。调查目前国内外疏浚清淤工程和疏浚设备,分析当前的疏浚成本和建筑河沙市场情况,认为对水库进行较大规模挖粗沙的减淤方式在技术和经济上均已具备相当可行性。
利用水库泥沙数学模型,对三峡水库的挖粗沙减淤方式进行研究。分别针对三峡设计水沙系列(60s)和近期少沙系列(90s)进行大量挖粗沙方案计算,代表方案的计算结果显示,以粒径D>0.1mm为粗沙,连续挖粗沙方式的百年累计挖沙量分别为32-38亿m~3(60s)和18.4-26.1亿m~3(90s),粗沙拦截比例达50%-70%,使水库总淤积量分别控制在140亿m~3(60s)和110亿m~3左右(90s),挖沙减淤效率高于95%,水库冲淤平衡坡降减缓25%左右,重庆河段淤积量大大减少,抑制淤积上延和回水抬升。因此,挖粗沙方式可基本控制三峡水库后期淤积持续增长的趋势,有利于保护水库有效防洪库容和库尾航道安全,对三峡工程实现长期、可持续利用具有重大意义。
水库挖粗沙减淤的方式,对三峡水库的泥沙治理具有较大参考意义,同时作为传统水库泥沙淤积控制方式的拓宽,可推广至一般的大型河道水库减淤,为水库淤积问题提供一种积极可靠的解决途径。
A scheme of dredging coarse sediment (CS) for reservoir desiltation from a fixed dredging basin (FB) in the fluctuating backwater of river shaping reservoir is studied herein this paper. The prototype data indicate an obvious fact that grain size sorting along the reservoir from upstream to the deep pools, and sediment deposited in the fluctuation backwater reaches (FBW) is few in quantity but it consistes mostly of coarse sand, which will become the main frame of future deposition delta. This scheme focused on removing CS from specific locations where mostly only CS deposited in the shallow reaches of the FBW by the dredger, to reduce the deposition of reservoir, and lessen the ultimate talweg and backwater.
The efficiency of reducing reservoir deposition is high by the method of dredging CS. According to the theoretic analysis, the setting FB in the FBW can be functioned as a sand collector for removing CS constantly and it will be able to intercept most CS into the deep pools, on the basis that deposited ratio of CS is more than the fine sand because of the positive relativity between deposited ratio and settling velocity. In addition, the sedimentation equilibrium gradient slow down as the sand transporting to downstream is fined because of the interception of CS. After dredging, the whole reservoir is in desiltation under the interaction between the changes of dynamic condition and fluvial evolution. The author reviewed the increasing capacity of dredging that promoted by fast development and commercial needs of dredgers and large scale dredging projects, and the market of river-sand along the Yangtze in particular in recent decades. It implies that reservoir dredging is not as expensive and low efficient as it was previously believed and large scale dredging for reservoir desiltation seems to be worthy of consideration.
Applying a well-applied model of unsteady flow and sediment transport, the author studied many cases with respect to different flow and sediment conditions for TGP. Computation reveals that the scale of CS dredged is 32-38×10~8m~3 and 18-26×10~8m~3 for 60s and 90s condition respectively, and 100years accumulated deposition after dredging is to be decreased to 140×10~8m~3 and 110×10~8m~3. The efficiency of desiltation by dredging is as high as 95%, and interception ratio of CS is 50%-70% which result in the 25% decreasing of slope. The great reducing of deposition of Chongqing reach can restrain the deposit extension and backwater elevation. It seems to the author that this scheme for TGP is a sustainable way for that can keep the reservoir lastly in low level of deposition and protect its flood control capacity and tail waterway safety, which is important of TGP.
This scheme is also worthwhile as a reference for desiltation of others like the TGP of a river shaped reservoir.
引文
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