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摘 要：针对泾河东庄水利枢纽拦沙库容淤损快、淤损后无法重复利用等问题，提出在坝前创造“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面实现拦沙库容再生利用的设计理念和排沙技术。采用理论分析、数学模型计算、实体模型试验等方法，对东庄水库设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、仅设置排沙泄洪深孔两种工程布置进行对比分析，结果表明，设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔形成的“正常+非常”双侵蚀基准面可延长水库拦沙库容使用年限3 a，减少库区淤积量3.92亿m3，一次运用可恢复拦沙库容近1.0亿m3，实现“死”库容“不死”，长期发挥水库拦沙减淤效益。研究成果促成了工程落地，开启了在100 kg/m3级以上含沙量河流上建设重大水工程的先河。
关键词：双泥沙侵蚀基准面;非常排沙底孔;水库排沙;河道淤积;东庄水利枢纽
中图分类号：TV62;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.007
引用格式：张金良.泾河东庄水利枢纽工程双泥沙侵蚀基准面排沙研究[J].人民黄河，2021，43（10）：35-39.
Abstract： Aiming at the issues such as rapid silting loss of sediment storage capacity of Dongzhuang Hydraulic Project and inability to be reused after silting， the design concept and sediment sluicing technology of double sediment erosion base level in front of the dam to realize the recycling of sediment storage capacity were put forward. By theoretical analysis， 1D water-sediment mathematical model of reservoir and river channel and physical model experiment， two kinds of engineering layout were compared. One was to set up a low-level outlet for flood discharging and sediment sluicing and an extraordinary sediment bottom sluice simultaneously and another was to set only a low-level outlet for sand discharge and flood sluicing. The results show that the double erosion base-level design can prolong the service life of the sediment control capacity of the reservoir， reduce the accumulated silting in the reservoir area and reduce the silting in the lower reaches of Weihe River. At the same time， an engineering application method of forming double sediment erosion base level was proposed. The dead storage capacity was reused， the first major water projects on rivers with sediment concentration above 100 kg/m3 was opened.
Key words： double sediment erosion base level; extraordinary sediment bottom sluice; sediment sluicing of reservoir; channel sedimentation; Dongzhuang Hydraulic Project
1 引 言
东庄水库修建于泾河下游峡谷段，坝址控制流域面积4.31万km2，占泾河流域面积的95%，占渭河华县站控制流域面积的40.5%，几乎控制了泾河的全部洪水泥沙。坝址断面实测年均悬移质输沙量2.37亿t，约占渭河输沙量的72%、黄河输沙量的20%。工程开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态等综合利用。防洪减淤是东庄水库的主要任务，东庄水库的入库沙量是无限的，但水库拦沙库容是有限的。通过优化水库调度方式，可以实现有效库容的长期保持，但无法实现水库拦沙库容的再生利用。
在我国多沙河流中，水库淤积问题一直比较严重[1]，目前我国已经在水库长期保持有效库容方面积累了很多成功的经验。陕西黑松林水库自1962年起将原来的“拦洪蓄水”改为“空库迎洪”，取得了显著效果;闹德海水库于1973年将单纯的滞洪运用改为汛后蓄水;三门峡水库、青铜峡水库、直峪水库、恒山水库等均改为“蓄清排浑”运用，基本控制了泥沙淤积，做到或接近达到水库长期使用，特别是三门峡水库加大泄洪流量而改建成功的經验，从实践方面证实了综合利用水库是可以长期使用的[2-4]。针对水库长期有效库容保持，许多学者从理论方面开展了大量的研究，韩其为[2]从理论层面给出了水库库容长期使用的原理和依据，并给出了保留库容的确定方法;涂启华等[5]提出水库淤积控制和有效库容长期保持的条件是“水库要修建在自然河道坡降大、具有侵蚀性的山区峡谷型河段上，在死水位、汛限水位的运用下要有足够大的泄流排沙能力”。多沙河流水库主要通过拦沙实现下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能。三门峡水库降水冲刷实践证明，水库在大流量出库条件下，降低水位排沙会引起溯源冲刷，能够提高水库排沙比，恢复水库库容[6-8]，降水冲刷是恢复和长期保持水库库容的关键[9-10]。水库水沙联合调度也是库容保持和淤损库容恢复的常见措施[11]。对于大多数水库，泥沙淤积是影响使用年限的主要因素[12]，为持续发挥水库拦沙减淤效益，需要恢复拦沙库容并实现拦沙库容的重复利用[13]，但是目前国内外关于拦沙库容重复利用的相关研究和设计技术几乎为空白。 多泥沙河流水库库区淤积形态塑造和有效库容保持依赖于库区泥沙的溯源冲刷和沿程冲刷[14]，在一定的来水来沙条件下，溯源冲刷的长度、强度大小取决于泥沙侵蚀基准面的高低;沿程沖刷效率高低亦取决于泥沙侵蚀基准面的低或高（河道比降因素）。当前，国内外多泥沙河流水库均采用单一的泥沙侵蚀基准面（多数为死水位），由于水库有效库容设计采用的是长系列水沙条件下的总体结果，因此对于水沙系列中单年份大幅波动或连续极端年份（如连续枯水多沙年等）的实际运用，可能会出现侵占有效库容现象，进而影响水库效益发挥。对于超高含沙量河流，这种现象更为突出。
笔者以泾河东庄水库为研究对象，结合多沙河流水库设计的实践经验，提出在死水位以下设置非常排沙底孔创造坝前临时侵蚀基准面实现拦沙库容再生利用的设计理念，即利用溯源冲刷和沿程冲刷发展机理，在正常泥沙侵蚀基准面之下，创建第二泥沙侵蚀基准面，在正常来水来沙情况下实现部分拦沙库容再生和重复利用，在极端情况下实现有效库容的保持，充分发挥水库综合效益，采用数学模型和实体模型试验对“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面设计效果进行研究。
2 研究对象、方法和数据
2.1 研究对象
研究对象为黄河二级支流泾河上的东庄水利枢纽工程。东庄水利枢纽工程坝址位于泾河干流最后一个峡谷段出口（张家山水文站）以上29 km，水库总库容32.68亿m3，拦沙库容20.53亿m3。泾河东庄水库来水含沙量高、来沙量大，多年平均输沙量为2.37亿t，平均含沙量为140 kg/m3，其中7月、8月平均含沙量分别达310、298 kg/m3，库区河道弯曲、曲折系数达3.0，水库泥沙问题极为复杂，库容保持任务十分艰巨，当属世界之最。水库主要通过拦沙实现下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能，在长期保持有效库容的基础上，实现拦沙库容的重复利用具有更加重要的意义。
为处理东庄水库泥沙问题，采用“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面的理念进行工程设计，如图1所示。形成双泥沙侵蚀基准面的途径即在东庄水库排沙泄洪深孔下方增设非常排沙底孔，其中排沙泄洪深孔进口底板高程为708 m，非常排沙底孔进口底板高程为693 m。开启进口高程为708 m的排沙泄洪深孔排沙运用，相应的泥沙侵蚀基准面为死水位756 m，形成的坝前泥沙侵蚀基准面为正常泥沙侵蚀基准面;短期开启进口高程693 m的非常排沙底孔排沙运用，形成的非常泥沙侵蚀基准面为最低运行水位715 m（较正常泥沙侵蚀基准面降低41 m）。通过设置非常排沙底孔，充分利用有限的入库洪水过程，快速降低库水位，在库区形成低于死水位的泥沙侵蚀基准面，通过剧烈的溯源冲刷，破坏库区形成的淤积平衡形态，是实现拦沙库容重复利用的有效措施。
东庄水利枢纽坝址原始河床高程为587 m，当淤积面高程低于排沙底孔进口高程时，水库不具备排沙条件。当坝前淤积面高程介于非常排沙底孔进口底板高程693 m和排沙泄洪深孔进口底板高程708 m之间时，水库具备通过非常排沙底孔排沙的条件，可通过合理调节水沙，减缓水库和下游河道淤积，同时满足供水需求，充分发挥水库综合利用效益。根据渭河下游河道洪水冲淤特性，当张家山发生流量大于600 m3/s、含沙量大于300 kg/m3的非漫滩高含沙洪水时，渭河下游冲刷较为明显，主槽过洪能力增大。东庄水库拦沙期遇入库流量大于600 m3/s的来水时，开启非常排沙底孔泄流排沙。
2.2 研究方法
2.2.1 水库和河道一维水沙数学模型
采用水库和河道一维水沙数学模型对同时设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、仅设置排沙泄洪深孔两种工程布置的库区冲淤情况进行研究。模型原理及基本控制方程见文献[9]。采用有限体积法对前述数学模型的控制方程进行离散，用基于交错网格的SIMPLE算法处理流量与水位的耦合关系，离散方程求解时在进口给定流量和含沙量过程，出口给定河口平均水位，挟沙力公式采用适用于高含沙水流计算的张红武公式[15]。该模型已通过三门峡水库、小浪底水库等多个多沙河流水库实测资料检验[9]，能够准确反映研究区域水沙输移和泥沙冲淤特性。
2.2.2 实体模型试验
东庄水库坝区正态实体模型的范围为坝址上游约4.2 km河段，模型主要比尺见表1。相应的模型长度约42 m，高度为1.65 m。模型水库采用200 m3的地下水库、200 m3的地表水库以及2个100 m3的浑水搅拌池，保证在正常蓄水位下进行模型试验。采用有机玻璃作为材料，其糙率系数约为0.008，与发电洞、排沙孔要求的糙率系数基本一致，能满足管道的阻力相似、流速流态相似。模型沙选配主要考虑泥沙沉降相似、泥沙起动相似以及河床变形相似，采用高井电厂粉煤灰作为模型沙，模型沙容重为2.12 t/m3，而干容重与粒径粗细有关，为0.70～0.77 t/m3，模型中的悬沙颗粒细、干容重较轻，取0.70 t/m3。
2.3 研究数据
2.3.1 长系列水沙条件
考虑东庄水库拦沙30 a和正常运用50 a，数学模型计算水沙系列长度为80 a。以泾河张家山站为入库设计代表站，设计入库年均水量、沙量分别为12.21亿m3、1.68亿t，年均含沙量为137.59 kg/m3，其中汛期7—10月水量、沙量分别为7.99亿m3、1.56亿t，分别占年水、沙量的65.44%和92.86%，汛期平均含沙量为195.24 kg/m3，见表2。
2.3.2 典型洪水
选取1992年8月8—17日典型洪水，入库水量为4.31亿m3，沙量为1.83亿t，逐日水沙过程见表3。进入坝区的水沙量经库区一维水沙数学模型计算得到。第3天水库入库流量为780 m3/s，提前1 d开启非常排沙底孔敞泄排沙，根据非常排沙底孔泄流能力，第2天坝前水位降低至715 m。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水位开始回升。 3 结果与分析
采用水库和河道一维水沙数学模型计算分析长系列水沙条件下非常排沙底孔运用对延长水库拦沙运用年限、减缓库区和渭河下游河道淤积的作用。采用数学模型计算、实体模型试验论证水库正常运用期典型洪水非常排沙底孔运用对拦沙库容的恢复效果。
3.1 对拦沙年限与水库淤积的影响
东庄水库泄洪排沙深孔进口高程为708 m，比原始河床587 m高出121 m，只有当坝前淤积面高程达到一定高度后，才具备排沙出库的条件。非常排沙底孔进口高程为693 m，比泄洪排沙深孔低15 m，水库可更早排沙。设置非常排沙底孔，水库运用第5年具备排沙条件，水库库区淤积速度慢，拦沙库容淤满年限为30 a;不设置非常排沙底孔，水库运用第8年具备排沙条件，拦沙库容淤满年限为27 a。设置非常排沙底孔，可提前3 a排沙，延长水库拦沙库容使用年限3 a。数学模型计算的水库累计淤积量变化过程见图2。
不设置非常排沙底孔，水库在正常运用50 a内库区最大淤积量为23.51亿m3，槽库容淤积2.98亿m3，占设计调水调沙库容3.27亿m3的91.13%，调水调沙库容被占用较多;库区最小淤积量为20.97亿m3，有近70%的年份淤积量在22.0亿m3以上，槽库容淤积量占用了调水调沙库容3.27亿m3的50%以上，近20%的年份淤积量在23.0亿m3以上，槽库容淤积量占用了调水调沙库容3.27亿m3的75%以上。水库运用过程中多年保持库区冲淤平衡，但拦沙库容没有得到恢复，且大部分时间占用了水库的调水调沙库容，计算期末库区累计淤积量为23.26亿m3。
设置非常排沙底孔，正常运用50 a内库区最大淤积量为21.60亿m3，槽库容淤积1.07亿m3，仅占设计调水调沙库容3.27亿m3的32.72%;库区最小淤积量为18.36亿m3，水库运用过程中累计淤积量小于拦沙库容20.53亿m3的年份为30 a，50 a内可累计恢复拦沙库容4.45亿m3，计算期末库区累计淤积量为19.34亿m3，比不设置非常排沙底孔减少淤积3.92亿m3。
可见，非常排沙底孔运用增强了水库的排沙能力，库区累计淤积量小于不设置非常排沙底孔方案，可快速恢复槽库容，实现拦沙库容的恢复和重复利用。
3.2 对渭河下游河道的减淤作用
渭河下游河道累计淤积量变化过程见图3。根据计算结果，无东庄水库条件下渭河下游河道将持续淤积，累計淤积量为16.61亿t。东庄水库投入运行后，不设非常排沙底孔和设置非常排沙底孔渭河下游河道累计淤积量分别为10.47亿t和9.78亿t，与同期无东庄水库相比，累计减淤量分别为6.14亿t和6.83亿t，平均减少淤积厚度1.59 m和1.72 m，相当于无东庄水库条件下47.4 a和51.2 a不淤积。设置非常排沙底孔比不设非常排沙底孔渭河下游河道多减淤0.69亿t，其中正常运用期50 a内，比不设非常排沙底孔多减淤0.48亿t。
3.3 典型洪水时对恢复拦沙库容的作用
东庄水库进入正常运用期后，主汛期一般情况下在汛限水位和死水位之间调水调沙运用。来洪水时防洪运用，冲淤平衡形态将会出现两种极端状态：一种为在水库降低水位至死水位排沙时达到冲淤平衡后形成的对应于坝前死水位的深槽状态;另一种为在水库调水调沙运用和防洪运用过程中冲淤平衡河槽逐渐淤高形成的对应于汛限水位的高槽状态。基于两种河槽淤积形态，分别分析1992年典型洪水数学模型计算和实体模型试验的水库冲刷效果。
3.3.1 数学模型计算结果
高滩深槽边界，第2天非常排沙底孔开启后坝前水位降低，库坝区冲刷以溯源冲刷的形式向上游发展，第3天末溯源冲刷至坝前30.0 km，库坝区累计冲刷2 709万t。随着水库持续敞泄排沙，溯源冲刷逐渐向上游发展，同时库区沿程发生冲刷。第4天末溯源冲刷至坝前45.0 km，坝前淤积面高程为694.15 m，坝前40 km冲刷降低2.39 m，库坝区累计冲刷泥沙5 454万t。第7天末溯源冲刷至坝前60.0 km，库坝区累计冲刷泥沙8 115万t。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水库水位逐渐回升。总体而言，非常排沙底孔运用实现了库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低了坝前泥沙淤积面，有效地恢复水库拦沙库容6 242万m3，其中溯源冲刷作用大于沿程冲刷，库区下段冲刷量大于上段。图4为高滩深槽条件下发生1992年典型洪水时河床纵剖面变化情况。
高滩高槽边界，第2天非常排沙底孔开启后坝前水位降低，第3天末库坝区累计冲刷泥沙3 764万t，第4天末库坝区累计冲刷泥沙6 878万t，第7天末库坝区累计冲刷泥沙10 588万t。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水库水位逐渐回升。非常排沙底孔运用实现了库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低了坝前泥沙淤积面，有效地恢复水库拦沙库容8 144万m3。图5为高滩高槽条件下发生1992年典型洪水时河床纵剖面变化情况。
3.3.2 实体模型试验结果
试验初始地形条件为高滩高槽和高滩深槽边界，坝前泥沙淤积面高程为725 m。试验结果见图6，两种河床边界条件下，开启非常排沙底孔坝区冲刷效果显著，坝前1.3 km范围内河床下降了30～50 m。
4 结 论
（1）东庄水库主要通过拦沙实现渭河下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能。针对东庄水库拦沙库容淤损快、有效库容难以保持等问题，提出在死水位以下创造坝前临时侵蚀基准面实现拦沙库容重复利用的设计理念，发明了低水位非常排沙孔和双高程进口排沙孔布置设计技术，形成“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面，实现有效库容长期保持和拦沙库容重复利用。
（2）采用库区和河道一维水沙数学模型、坝区实体模型试验等方法对同时设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、仅设置排沙泄洪深孔两种工程布置的库区冲淤情况进行研究。结果表明，设置非常排沙底孔，可延长水库拦沙库容使用年限3 a，库区累计淤积量减少3.92亿m3，一次运用可恢复拦沙库容近1.0亿m3，实现“死”库容“不死”。非常排沙底孔运用可实现库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低坝前泥沙淤积面，有效恢复水库拦沙库容，坝区冲刷效果显著。 参考文献：
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[14] 张金良，鲁俊，韦诗涛，等.小浪底水库调水调沙后续动力不足原因和对策[J].人民黄河，2021，43（1）：5-9.
[15] 张红武，张清.黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992，14（11）：7-9，61.
【责任编辑 张 帅】
关键词：双泥沙侵蚀基准面;非常排沙底孔;水库排沙;河道淤积;东庄水利枢纽
中图分类号：TV62;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.007
引用格式：张金良.泾河东庄水利枢纽工程双泥沙侵蚀基准面排沙研究[J].人民黄河，2021，43（10）：35-39.
Abstract： Aiming at the issues such as rapid silting loss of sediment storage capacity of Dongzhuang Hydraulic Project and inability to be reused after silting， the design concept and sediment sluicing technology of double sediment erosion base level in front of the dam to realize the recycling of sediment storage capacity were put forward. By theoretical analysis， 1D water-sediment mathematical model of reservoir and river channel and physical model experiment， two kinds of engineering layout were compared. One was to set up a low-level outlet for flood discharging and sediment sluicing and an extraordinary sediment bottom sluice simultaneously and another was to set only a low-level outlet for sand discharge and flood sluicing. The results show that the double erosion base-level design can prolong the service life of the sediment control capacity of the reservoir， reduce the accumulated silting in the reservoir area and reduce the silting in the lower reaches of Weihe River. At the same time， an engineering application method of forming double sediment erosion base level was proposed. The dead storage capacity was reused， the first major water projects on rivers with sediment concentration above 100 kg/m3 was opened.
Key words： double sediment erosion base level; extraordinary sediment bottom sluice; sediment sluicing of reservoir; channel sedimentation; Dongzhuang Hydraulic Project
1 引 言
东庄水库修建于泾河下游峡谷段，坝址控制流域面积4.31万km2，占泾河流域面积的95%，占渭河华县站控制流域面积的40.5%，几乎控制了泾河的全部洪水泥沙。坝址断面实测年均悬移质输沙量2.37亿t，约占渭河输沙量的72%、黄河输沙量的20%。工程开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态等综合利用。防洪减淤是东庄水库的主要任务，东庄水库的入库沙量是无限的，但水库拦沙库容是有限的。通过优化水库调度方式，可以实现有效库容的长期保持，但无法实现水库拦沙库容的再生利用。
在我国多沙河流中，水库淤积问题一直比较严重[1]，目前我国已经在水库长期保持有效库容方面积累了很多成功的经验。陕西黑松林水库自1962年起将原来的“拦洪蓄水”改为“空库迎洪”，取得了显著效果;闹德海水库于1973年将单纯的滞洪运用改为汛后蓄水;三门峡水库、青铜峡水库、直峪水库、恒山水库等均改为“蓄清排浑”运用，基本控制了泥沙淤积，做到或接近达到水库长期使用，特别是三门峡水库加大泄洪流量而改建成功的經验，从实践方面证实了综合利用水库是可以长期使用的[2-4]。针对水库长期有效库容保持，许多学者从理论方面开展了大量的研究，韩其为[2]从理论层面给出了水库库容长期使用的原理和依据，并给出了保留库容的确定方法;涂启华等[5]提出水库淤积控制和有效库容长期保持的条件是“水库要修建在自然河道坡降大、具有侵蚀性的山区峡谷型河段上，在死水位、汛限水位的运用下要有足够大的泄流排沙能力”。多沙河流水库主要通过拦沙实现下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能。三门峡水库降水冲刷实践证明，水库在大流量出库条件下，降低水位排沙会引起溯源冲刷，能够提高水库排沙比，恢复水库库容[6-8]，降水冲刷是恢复和长期保持水库库容的关键[9-10]。水库水沙联合调度也是库容保持和淤损库容恢复的常见措施[11]。对于大多数水库，泥沙淤积是影响使用年限的主要因素[12]，为持续发挥水库拦沙减淤效益，需要恢复拦沙库容并实现拦沙库容的重复利用[13]，但是目前国内外关于拦沙库容重复利用的相关研究和设计技术几乎为空白。 多泥沙河流水库库区淤积形态塑造和有效库容保持依赖于库区泥沙的溯源冲刷和沿程冲刷[14]，在一定的来水来沙条件下，溯源冲刷的长度、强度大小取决于泥沙侵蚀基准面的高低;沿程沖刷效率高低亦取决于泥沙侵蚀基准面的低或高（河道比降因素）。当前，国内外多泥沙河流水库均采用单一的泥沙侵蚀基准面（多数为死水位），由于水库有效库容设计采用的是长系列水沙条件下的总体结果，因此对于水沙系列中单年份大幅波动或连续极端年份（如连续枯水多沙年等）的实际运用，可能会出现侵占有效库容现象，进而影响水库效益发挥。对于超高含沙量河流，这种现象更为突出。
笔者以泾河东庄水库为研究对象，结合多沙河流水库设计的实践经验，提出在死水位以下设置非常排沙底孔创造坝前临时侵蚀基准面实现拦沙库容再生利用的设计理念，即利用溯源冲刷和沿程冲刷发展机理，在正常泥沙侵蚀基准面之下，创建第二泥沙侵蚀基准面，在正常来水来沙情况下实现部分拦沙库容再生和重复利用，在极端情况下实现有效库容的保持，充分发挥水库综合效益，采用数学模型和实体模型试验对“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面设计效果进行研究。
2 研究对象、方法和数据
2.1 研究对象
研究对象为黄河二级支流泾河上的东庄水利枢纽工程。东庄水利枢纽工程坝址位于泾河干流最后一个峡谷段出口（张家山水文站）以上29 km，水库总库容32.68亿m3，拦沙库容20.53亿m3。泾河东庄水库来水含沙量高、来沙量大，多年平均输沙量为2.37亿t，平均含沙量为140 kg/m3，其中7月、8月平均含沙量分别达310、298 kg/m3，库区河道弯曲、曲折系数达3.0，水库泥沙问题极为复杂，库容保持任务十分艰巨，当属世界之最。水库主要通过拦沙实现下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能，在长期保持有效库容的基础上，实现拦沙库容的重复利用具有更加重要的意义。
为处理东庄水库泥沙问题，采用“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面的理念进行工程设计，如图1所示。形成双泥沙侵蚀基准面的途径即在东庄水库排沙泄洪深孔下方增设非常排沙底孔，其中排沙泄洪深孔进口底板高程为708 m，非常排沙底孔进口底板高程为693 m。开启进口高程为708 m的排沙泄洪深孔排沙运用，相应的泥沙侵蚀基准面为死水位756 m，形成的坝前泥沙侵蚀基准面为正常泥沙侵蚀基准面;短期开启进口高程693 m的非常排沙底孔排沙运用，形成的非常泥沙侵蚀基准面为最低运行水位715 m（较正常泥沙侵蚀基准面降低41 m）。通过设置非常排沙底孔，充分利用有限的入库洪水过程，快速降低库水位，在库区形成低于死水位的泥沙侵蚀基准面，通过剧烈的溯源冲刷，破坏库区形成的淤积平衡形态，是实现拦沙库容重复利用的有效措施。
东庄水利枢纽坝址原始河床高程为587 m，当淤积面高程低于排沙底孔进口高程时，水库不具备排沙条件。当坝前淤积面高程介于非常排沙底孔进口底板高程693 m和排沙泄洪深孔进口底板高程708 m之间时，水库具备通过非常排沙底孔排沙的条件，可通过合理调节水沙，减缓水库和下游河道淤积，同时满足供水需求，充分发挥水库综合利用效益。根据渭河下游河道洪水冲淤特性，当张家山发生流量大于600 m3/s、含沙量大于300 kg/m3的非漫滩高含沙洪水时，渭河下游冲刷较为明显，主槽过洪能力增大。东庄水库拦沙期遇入库流量大于600 m3/s的来水时，开启非常排沙底孔泄流排沙。
2.2 研究方法
2.2.1 水库和河道一维水沙数学模型
采用水库和河道一维水沙数学模型对同时设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、仅设置排沙泄洪深孔两种工程布置的库区冲淤情况进行研究。模型原理及基本控制方程见文献[9]。采用有限体积法对前述数学模型的控制方程进行离散，用基于交错网格的SIMPLE算法处理流量与水位的耦合关系，离散方程求解时在进口给定流量和含沙量过程，出口给定河口平均水位，挟沙力公式采用适用于高含沙水流计算的张红武公式[15]。该模型已通过三门峡水库、小浪底水库等多个多沙河流水库实测资料检验[9]，能够准确反映研究区域水沙输移和泥沙冲淤特性。
2.2.2 实体模型试验
东庄水库坝区正态实体模型的范围为坝址上游约4.2 km河段，模型主要比尺见表1。相应的模型长度约42 m，高度为1.65 m。模型水库采用200 m3的地下水库、200 m3的地表水库以及2个100 m3的浑水搅拌池，保证在正常蓄水位下进行模型试验。采用有机玻璃作为材料，其糙率系数约为0.008，与发电洞、排沙孔要求的糙率系数基本一致，能满足管道的阻力相似、流速流态相似。模型沙选配主要考虑泥沙沉降相似、泥沙起动相似以及河床变形相似，采用高井电厂粉煤灰作为模型沙，模型沙容重为2.12 t/m3，而干容重与粒径粗细有关，为0.70～0.77 t/m3，模型中的悬沙颗粒细、干容重较轻，取0.70 t/m3。
2.3 研究数据
2.3.1 长系列水沙条件
考虑东庄水库拦沙30 a和正常运用50 a，数学模型计算水沙系列长度为80 a。以泾河张家山站为入库设计代表站，设计入库年均水量、沙量分别为12.21亿m3、1.68亿t，年均含沙量为137.59 kg/m3，其中汛期7—10月水量、沙量分别为7.99亿m3、1.56亿t，分别占年水、沙量的65.44%和92.86%，汛期平均含沙量为195.24 kg/m3，见表2。
2.3.2 典型洪水
选取1992年8月8—17日典型洪水，入库水量为4.31亿m3，沙量为1.83亿t，逐日水沙过程见表3。进入坝区的水沙量经库区一维水沙数学模型计算得到。第3天水库入库流量为780 m3/s，提前1 d开启非常排沙底孔敞泄排沙，根据非常排沙底孔泄流能力，第2天坝前水位降低至715 m。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水位开始回升。 3 结果与分析
采用水库和河道一维水沙数学模型计算分析长系列水沙条件下非常排沙底孔运用对延长水库拦沙运用年限、减缓库区和渭河下游河道淤积的作用。采用数学模型计算、实体模型试验论证水库正常运用期典型洪水非常排沙底孔运用对拦沙库容的恢复效果。
3.1 对拦沙年限与水库淤积的影响
东庄水库泄洪排沙深孔进口高程为708 m，比原始河床587 m高出121 m，只有当坝前淤积面高程达到一定高度后，才具备排沙出库的条件。非常排沙底孔进口高程为693 m，比泄洪排沙深孔低15 m，水库可更早排沙。设置非常排沙底孔，水库运用第5年具备排沙条件，水库库区淤积速度慢，拦沙库容淤满年限为30 a;不设置非常排沙底孔，水库运用第8年具备排沙条件，拦沙库容淤满年限为27 a。设置非常排沙底孔，可提前3 a排沙，延长水库拦沙库容使用年限3 a。数学模型计算的水库累计淤积量变化过程见图2。
不设置非常排沙底孔，水库在正常运用50 a内库区最大淤积量为23.51亿m3，槽库容淤积2.98亿m3，占设计调水调沙库容3.27亿m3的91.13%，调水调沙库容被占用较多;库区最小淤积量为20.97亿m3，有近70%的年份淤积量在22.0亿m3以上，槽库容淤积量占用了调水调沙库容3.27亿m3的50%以上，近20%的年份淤积量在23.0亿m3以上，槽库容淤积量占用了调水调沙库容3.27亿m3的75%以上。水库运用过程中多年保持库区冲淤平衡，但拦沙库容没有得到恢复，且大部分时间占用了水库的调水调沙库容，计算期末库区累计淤积量为23.26亿m3。
设置非常排沙底孔，正常运用50 a内库区最大淤积量为21.60亿m3，槽库容淤积1.07亿m3，仅占设计调水调沙库容3.27亿m3的32.72%;库区最小淤积量为18.36亿m3，水库运用过程中累计淤积量小于拦沙库容20.53亿m3的年份为30 a，50 a内可累计恢复拦沙库容4.45亿m3，计算期末库区累计淤积量为19.34亿m3，比不设置非常排沙底孔减少淤积3.92亿m3。
可见，非常排沙底孔运用增强了水库的排沙能力，库区累计淤积量小于不设置非常排沙底孔方案，可快速恢复槽库容，实现拦沙库容的恢复和重复利用。
3.2 对渭河下游河道的减淤作用
渭河下游河道累计淤积量变化过程见图3。根据计算结果，无东庄水库条件下渭河下游河道将持续淤积，累計淤积量为16.61亿t。东庄水库投入运行后，不设非常排沙底孔和设置非常排沙底孔渭河下游河道累计淤积量分别为10.47亿t和9.78亿t，与同期无东庄水库相比，累计减淤量分别为6.14亿t和6.83亿t，平均减少淤积厚度1.59 m和1.72 m，相当于无东庄水库条件下47.4 a和51.2 a不淤积。设置非常排沙底孔比不设非常排沙底孔渭河下游河道多减淤0.69亿t，其中正常运用期50 a内，比不设非常排沙底孔多减淤0.48亿t。
3.3 典型洪水时对恢复拦沙库容的作用
东庄水库进入正常运用期后，主汛期一般情况下在汛限水位和死水位之间调水调沙运用。来洪水时防洪运用，冲淤平衡形态将会出现两种极端状态：一种为在水库降低水位至死水位排沙时达到冲淤平衡后形成的对应于坝前死水位的深槽状态;另一种为在水库调水调沙运用和防洪运用过程中冲淤平衡河槽逐渐淤高形成的对应于汛限水位的高槽状态。基于两种河槽淤积形态，分别分析1992年典型洪水数学模型计算和实体模型试验的水库冲刷效果。
3.3.1 数学模型计算结果
高滩深槽边界，第2天非常排沙底孔开启后坝前水位降低，库坝区冲刷以溯源冲刷的形式向上游发展，第3天末溯源冲刷至坝前30.0 km，库坝区累计冲刷2 709万t。随着水库持续敞泄排沙，溯源冲刷逐渐向上游发展，同时库区沿程发生冲刷。第4天末溯源冲刷至坝前45.0 km，坝前淤积面高程为694.15 m，坝前40 km冲刷降低2.39 m，库坝区累计冲刷泥沙5 454万t。第7天末溯源冲刷至坝前60.0 km，库坝区累计冲刷泥沙8 115万t。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水库水位逐渐回升。总体而言，非常排沙底孔运用实现了库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低了坝前泥沙淤积面，有效地恢复水库拦沙库容6 242万m3，其中溯源冲刷作用大于沿程冲刷，库区下段冲刷量大于上段。图4为高滩深槽条件下发生1992年典型洪水时河床纵剖面变化情况。
高滩高槽边界，第2天非常排沙底孔开启后坝前水位降低，第3天末库坝区累计冲刷泥沙3 764万t，第4天末库坝区累计冲刷泥沙6 878万t，第7天末库坝区累计冲刷泥沙10 588万t。第8天随着入库流量的减小，非常排沙底孔关闭，水库水位逐渐回升。非常排沙底孔运用实现了库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低了坝前泥沙淤积面，有效地恢复水库拦沙库容8 144万m3。图5为高滩高槽条件下发生1992年典型洪水时河床纵剖面变化情况。
3.3.2 实体模型试验结果
试验初始地形条件为高滩高槽和高滩深槽边界，坝前泥沙淤积面高程为725 m。试验结果见图6，两种河床边界条件下，开启非常排沙底孔坝区冲刷效果显著，坝前1.3 km范围内河床下降了30～50 m。
4 结 论
（1）东庄水库主要通过拦沙实现渭河下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能。针对东庄水库拦沙库容淤损快、有效库容难以保持等问题，提出在死水位以下创造坝前临时侵蚀基准面实现拦沙库容重复利用的设计理念，发明了低水位非常排沙孔和双高程进口排沙孔布置设计技术，形成“正常+非常”双泥沙侵蚀基准面，实现有效库容长期保持和拦沙库容重复利用。
（2）采用库区和河道一维水沙数学模型、坝区实体模型试验等方法对同时设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、仅设置排沙泄洪深孔两种工程布置的库区冲淤情况进行研究。结果表明，设置非常排沙底孔，可延长水库拦沙库容使用年限3 a，库区累计淤积量减少3.92亿m3，一次运用可恢复拦沙库容近1.0亿m3，实现“死”库容“不死”。非常排沙底孔运用可实现库坝区沿程冲刷和溯源冲刷，较大幅度地降低坝前泥沙淤积面，有效恢复水库拦沙库容，坝区冲刷效果显著。 参考文献：
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【责任编辑 张 帅】