1、1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 4247亿立方米，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
2、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
3、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2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
4、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 87700 米，相
5、应库容 998 亿立方米，校核洪水位88310 米，总库容量 1112 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 3417 亿 KW
6、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 25 年。坝体分四期填筑，砼板分三期浇筑，于 2004 年 10 月至32005 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
7、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 3417 亿 KWH，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
8、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。41.2 基本资料56紫坪铺水库库区图7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。8二、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
9、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
10、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9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
11、。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
12、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
13、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10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
14、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
15、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：11=0.52500.51.33式中：K经验系数，K 与汛期平均来沙系数（ ）成反比，当=0.040.1 时，K=140；Qs 一汛期河段出口输沙率(t/s)，d 50一汛期河段悬移质泥沙中值粒径(mm)，n河段综合糙率
16、，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：滩 =501040.44Q 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)水库淤积长度淤 =0.485( 淤0 )1.1式中： 一水库淤积长度(m)； 坝前淤积厚度（m） ； 天然河道平均淤 淤 0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： 分 =淤式中； 分段长度(km)； 水库淤积长度(km)；K-分段系数：尾部段分 淤K=0.080.1，上段
17、 K=0.380.40，中段 K=0.26，坝前段 K=0.26。2.2.4 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12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，河槽水力要素按下列概化式计算：B=38.6Q 造 0.31h=0.081Q 造 0.44A=3.12Q 造 0.75V=0.32Q 造 0.25式中：Q 造 一造
18、床流量(m3/s)，B 一水面宽(m)，h 一平均水深(m)，A 一过水断面面积(m2)。(3)调蓄河槽调蓄河槽是用于水库调水调沙及滞蓄洪水的河槽，自造床流量塑造的河槽水面宽度处向上起岸坡，两岸边坡平均采取 1:5 (竖:横)，直至滩面。13三、研究计算3.1 水库淤积形态判别水库纵向淤积形态其外形是比较复杂的，但可概括为三种典型的类型即三角洲、锥体和带状淤积体。影响水库淤积形态的主要因素有：水库运用方式、水库地形特点、进库水沙条件（包括来水量、来沙量及来沙颗粒的粗细）、水库的泄流规模和泄流方式、库容的大小、库区支流的汇入。水库淤积的三种形式1977年至今，人们都围绕水库淤积因素和公认的三种淤
19、积体进行水库淤积形态的计算。由早期的经验判别式，逐步发展用数学计算公式进行预报，希望预报的精度得到提高。现对各个公式分述如下：（1）根据有关资料的分析研究，水库的淤积纵剖面形态与库区地形、库容、来水来沙条件以及水库运用方式等因素有关，原水利电力部十一工程局根据一些水库资料提出了淤积类型的判别公式。三角洲淤积 1 1式中：Q 为汛期平均流量，m/s；S 为汛期平均含沙量，kg/m ；V 为时段平均库容，10 8m； 为坝 前平均水深， ； 为库 水位 变 幅， 。（2）西北水科所、清华大学 1979 出版的水库泥沙书中给出（统计了1430 多个多沙河水库的实测资料）如下经验判别公式：第一种形式为
20、：=104当 K2.2，为三角洲淤积或带状淤积。式中：V时段平均库容， m；Ws时段平均入库沙量，m；Jo库区原始河床纵比降。该式所依据的资料范围较广，但未考虑水库运用这一重要因素，并且为区分三角洲淤积和带状淤积，这是不足之处。第二种形式为：K=V/W 当 K0.3，为三角洲淤积。式中：V库容，m。如对一场洪水来说，相当于这场洪水中的最大库容，如对一个较长时期而言，则用汛期平均库水位以下的库容；W入库水量，m。如对一场洪水而言，相当于这场洪水的洪量，如对一个较长时期而言，则用汛期平均水量。该式所考虑影响因素较少，并且不包括带状淤积，这是该式不足之处。（3）1977 年 9 月长江水利水电科学院
21、罗敏逊在“水库淤积三角洲及其计算方法”提出如下判别式：=1/3当 0.77K 1.75 ，为三角洲淤积；1.1 K3.94，为带状淤积；4.38 K 5.3，为锥体淤积。式中：Gs年来沙量，t ；V库容，m；rs泥沙干容重；h坝前水位变幅，m。该判别式虽给出了三个淤积体的判别数据范围。但 K 在 1.11.75 间三角洲淤积与带状淤积重叠，此区间淤积体到底属于那种类型没有说明，另外，K 在数轴上不连续也是该判别式不足之处。（4）黄委会水科院焦恩泽在“水客淤积形态的商榷”中提出（分析了 3 座水库实测资料）如下判别式：1=/ 2=/当 2.0， 0.04，为三角洲淤积； 1.2，为三角洲淤积；1
22、.2 0.3，为带状淤积； 0.3，为锥体淤积。 式中： 入库泥沙中值粒径，mm ； 水库特性指标，V总库50 /容，W多年平均来水量； 水库形状系数，A水库校核水位下相/2应的水面面积，L同一水位下相应的库区长度； J库区原始河床比降，m/km； 最大水位变幅，m；H 多年平均库水位与死水位之差，m。该式考虑的因素较多，且用无因次数表示其优点。但所依据的资料仅为山东省的部分水库，资料范围较窄，也没有考虑沙量的影响，这是该式不足之处。根据紫坪铺水库资料本设计采用第二种方法，=104正常蓄水位库容 V=11.12 亿 m3;时段平均入库沙量 WS=1.9 亿 m;库区平均河床纵比降 J0=6.3
23、。由此可得，K=0.09289 2.2, 故为锥体淤积。163.2 有效库容计算3.2.1 平衡比降的计算影响平衡比降的最基本的因素是水沙条件。1. 造床流量；影响平衡比降的最主要的因素是流量；2. 河道糙率是影响比降的重要因素之一；3. 河床组成；河床组成与河段比降存在密切的关系；4. 挟沙能力；河床调整，其中包括平衡比降的形成，就是要使水流的挟沙能力和来沙想相适应。所以，挟沙能力也是影响平衡比降的一个因素；5. 河槽形态；河槽形态对平衡比降的影响，主要表现在对水流结构及糙率的影响两方面；6. 侵蚀基准面的抬高；根据动平衡的概念，平衡比降是在一系列变化着的流量中形成的。为了表示这个变化着的流
24、量系列的造床作用，简单的做法是用一个流量来代表这一整个系列。目前用的较多的是把平摊流量作为造床流量。根据前面提到的公式计算：Q 造 =7.7Q 汛 0.85+90Q 汛 0.33或者 Q 造 =56.3Q 汛 0.61 式中：Q 造 一造床流量(m 3/s)；Q 汛 汛期平均流量(m 3/s)；根据紫坪铺基本资料可得 Q 汛 为 700m/s，选用 Q 造 =56.3Q 汛 0.61代入数据，得 Q 造 =3062 m/s2.平衡比降的计算目前估算平衡比降的方法主要有公式联解法和资料统计法，因为对平衡比降的理解不同，所依据的实测资料也不统一，所以各种方法所得出的平衡比降可以具有不同的含义。本计
25、算采用资料统计法，采用黄科所得出类似的公式：17=0.106（ ） 0.961.250式中 汛期平均床沙质含沙量（kg/m） ；Q造床流量（m/s） ；D50河床质的中值粒径（mm） 。根据紫坪铺基本资料可得 为 70.04 kg/m；D 50为 0.078mm，Q 造 =3062 m/s故 J=0.000132。3.2.2 有效库容计算测量和计算水库的泥沙淤积量是水库泥沙淤积研究的一项重要内容。根据泥沙淤积量的多少，大体上可以判别泥沙淤积的速度，进而确定水库的寿命。水库水下地形复杂，计算库区泥沙淤积时容易产生误差。水库淤积计算方法主要有以下几种：多年平均库容淤积损失率法、沙莫夫法、容积等效概
26、化断面间距法、经验拦沙率曲线法、淤积分布估算法。多年平均库容淤积损失率法，概念、公式简单易懂，数据容易获取。但因历年水沙条件及水库状况不同计算得出的历年淤积量与当年实际淤积量相比定有较大差异，所以应用此法计算较长时间的淤积量比相对较短时间的淤积量要较为准确。此外，由于库容逐年淤积减少，影响到水库的调节能力，使调节系数逐年改变，但沙莫夫法计算淤积量是假定水库的拦沙率接近 100%，即不考虑水库调节程度对拦沙率的影响。因此在计算多沙河流上水库的淤积量和淤积率时，应注意调节系数对水库拦沙率的影响。3.2.2.1 沙莫夫法公式沙莫夫法公式中涉及的因素较多，计算结果基本满足工程的要求。因其未考虑推移质的
27、沙量，故计算得出的淤积量一般小于真实值，或根据假定的淤积量计算得出的年限一般偏大，不够安全。在实际应用中，一般多采用改进后的公式：=1(1)1)/(1)将上式变形推导可得公式：18=1- 1(1)1/(1)则可得 T 年后的淤积量为：=0式中：T 为不同淤满度 下的淤积年限(a)； 为水库可淤积库容的淤满度（%）av 为水库其实淤损率 (%)av=W s/W0; W0 为水库的极限淤积库容（m） ， 为原始的水库拦沙率（%） ，W s 为平均年沙量（m） ；n 为水库拦沙率衰减指数。实测资料统计表明：水库无排沙条件或基本不排沙时 n 值为 00.45；水库排沙量较多时 n 值为 0.900.9
28、5；一般情况下，水库的 n 值为 0.600.75。本计算取值为 0.66；。 为拦沙率，拦沙效率的大小受许多水库本身及各种水文参数的影响，主要取决于水库容积、河流的来水来沙情况、泄水建筑物的部位和其泄流能力以及水库的调度运行方式。根据下图表，查询紫坪铺工程基本资料可得 为81%。19av 为水库其实淤损率 (%)av=W s/W0;查图表得 av 等于 12%，故得出 Ws 为 1.32 亿 m。根据公式，代入式，得出 Wt50=33.2467 亿 m，W t100=496.14 亿 m。3.2.2.2 经验拦沙率曲线法经验拦沙率曲线法淤积量公式为： =/根据紫坪铺基本资料数据，代入公式得出 Wt50为 53.46 亿 m；W t100为106.92 亿 m。
