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泥沙工程-针对超高含沙量河流水库拦沙库容淤损后无法重复利用的问题-服装资讯

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黃河勘測規劃設計研究院有限公司、天津大學、中國水利水電科學研究院、清華大學、華北水利水電大學等5家單位聯合承擔的「多沙河流水利樞紐工程泥沙設計關鍵技術及應用」項目,依託多沙河流重大工程設計、國家自然科學基金、專題研究等20多個項目,針對多沙河流水利樞紐工程泥沙設計面臨的問題,進行理論創新、技術攻關及實踐應用,形成了系統的多沙河流水利樞紐工程泥沙設計理論方法及關鍵技術體系,系統解決了高、超高、特高含沙量河流水利樞紐工程泥沙問題。

多沙河流水庫大壩壩面受高含沙水流側向壓力,渾水容重遠大於清水,渾水側向壓力甚至可能超過水下淤沙的側向壓力。研究團隊深入分析了已建水庫壩前上萬組次的含沙量垂向分佈資料,研發了基於水沙兩相流理論建立的壩區三維泥沙數學模型;突破了高、超高、特高含沙量水流的試驗技術,構建了壩區物理模型。開展了不同來水來沙和運用組合條件下數學模型計算和物理模型試驗,探明了壩前含沙量剖面分佈規律;提出了基於不同工況的樞紐上游壩面渾水壓力計算方法,使大壩渾水壓力計算更趨科學合理。

面對挑戰,研究團隊開拓思路,積極創新,創建了特高含沙河流幹流大庫調控泥沙、調蓄水庫調節供水的並聯水庫水沙分置開發模式,實現了特高含沙量河流重大水工程的安全運行,開闢了特高含沙量河流重大水工程開發新途徑。針對並聯水庫興利庫容聯合配置問題,創建了供水保證率、引沙量、工程投資、經濟效益等評價體系,研發了並聯水庫「徑流調節庫容-泥沙調控庫容」聯合配置模型,建立了並聯水庫興利庫容聯合配置設計技術,科學確定了兩庫興利庫容規模,保證了供水安全。

研究團隊調查了40餘座水庫,深入研究了庫壩區泥沙沖淤規律,識別出庫區干支流水沙交互存在沿程入匯、分層倒灌、蓄泄吐納、側向驅動四種基本模式,建立了庫區干支流水沙交互四種基本模式及其與泥沙淤積形態響應關係。研發了庫壩區水沙全交互耦合模擬模型,經過三門峽、小浪底、劉家峽、巴家嘴等水庫實際檢驗,提高了計算精度。

研發了多沙河流水利樞紐工程安全防護技術

技術突破:攻克百公斤級以上含沙量河流工程泥沙設計難題

黃河是中華民族的母親河,孕育了中華文明。黃河流域構成了我國重要的生態屏障,是我國重要的經濟地帶,是打贏脫貧攻堅戰的重要區域,在我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位。破解多沙河流工程泥沙設計問題,建設重大水工程調控水沙,是支撐黃河流域生態保護和高質量發展的關鍵。

甘肅省慶陽市馬蓮河水利樞紐工程年均入庫含沙量280kg/m3,是在高含沙量河流上建設的高均質土壩。採用水沙分置和並聯水庫興利庫容聯合配置技術,工業供水保證率由56.6%提高到95%,農業保證率由0%提高到86%,新增供水量為41.55億m3。

多沙河流建設水庫主要通過攔沙實現對下遊河道減淤,攔沙庫容淤滿后即失去攔沙減淤功能。為持續發揮水庫攔沙減淤效益,項目提出在死水位以下創造壩前臨時泥沙侵蝕基準面,實現部分攔沙庫容再生利用的設計理念,實現「死」庫容「不死」。

結合涇河東庄水庫(年均含沙量140kg/m3)水沙特性,提出低位非常排沙孔洞採用「相機泄空,適時回蓄」的調度方式,並確定了啟用的水沙條件、泄水流量、回蓄時機,新技術實現了水庫攔沙庫容恢復20%以上,並永續利用。三門峽水庫曾陸續打開8個施工導流底孔,泥沙侵蝕基準面由300m降低至280m,攔沙庫容恢復5.55億m3,證實了降低侵蝕基準面可有效恢復攔沙庫容,為攔沙庫容再生利用提供了實踐依據。小浪底水庫調度採用新理念,2018年7月洪水調度恢復攔沙庫容1.86億m3,2019年7月洪水調度恢復攔沙庫容2.56億m3,為攔沙庫容再生利用提供了運用實踐基礎。

水庫回水改變了庫區自然環境和社會環境,需要遷移居民,淹沒了農田、房屋、道路等設施,水庫回水估計不足將會誘發社會問題。對水庫回水計算採用的水庫泥沙淤積基地邊界不明確,可能導致移民回水超出設計範圍。項目提出了基於高灘高槽推算移民水位的新方法,消除了以往設計方法推算移民水位可能偏低的設計風險,確立了水庫淹沒水位設計新規則。

工程泥沙設計是多泥沙河流水利樞紐設計的重要內容,貫穿樞紐設計全過程,是樞紐調度運行的基礎,是開發目標實現的關鍵所在,是工程安全和效益發揮的保障。泥沙淤積上延會導致移民社會問題,庫區泥沙淤損庫容導致功能效益受損,渾水壓力超標導致壩體受力破壞等等,工程泥沙設計如果處理不當,影響是全方位的。三門峽、小浪底為我國百公斤級以下高含沙量河流水利樞紐工程泥沙設計積累了豐富的經驗。但是,在百公斤級以上超高、特高含沙量河流建設水利樞紐工程,工程泥沙設計仍面臨淤積形態設計、庫容修復再生、樞紐安全防護等問題。

項目研究成果還應用於高校教學和國際泥沙交流培訓等,推動了水力學及河流動力學、水利水電工程學科發展,促進了工程泥沙設計技術進步,開啟了在百公斤級以上含沙量河流上建設重大水工程的先河,為黃河流域生態保護和高質量發展這一重大戰略實施提供了技術支撐。

涇河東庄水利樞紐是黃河水沙調控體系重要支流水庫,渭河流域的防洪減淤控制性骨幹工程,是在超高含沙量河流上建設的高雙曲拱壩,年均入庫含沙量140kg/m3,壩高230m,總庫容32.76億m3。採用項目提出的泥沙淤積形態、庫容再生利用、樞紐安全防護技術,使20%攔沙庫容重複利用,增加渭河與黃河下游減淤量2.37億m3。

為明晰其機理,更加科學地指導工程泥沙設計,項目探明了「水庫—河道」聯動機制、輸沙能量轉換機理,創建了水庫攔沙能力計算新方法,為攔沙庫容設計提供了基礎理論;構建了庫區泥沙沖淤臨界形態計算公式,通過了三門峽等水庫的實踐檢驗,為庫區泥沙淤積形態設計提供了理論基礎。針對不同含沙量級河流工程泥沙設計面臨的難題,創新了淤積形態、淤損庫容修復、大壩安全防護等設計指標與設計方法,形成了工程泥沙設計標準(GB/T51280-2018)。

項目攻克了多沙河流工程泥沙設計問題,形成了系統的工程泥沙設計理論方法及關鍵技術體系。如今,項目成果經三門峽、小浪底等工程實踐檢驗,已成功應用於黃河古賢、涇河東庄、甘肅省馬蓮河、巴家嘴-五台山聯合供水等重大工程設計。

巴家嘴水庫是甘肅省慶陽市的大型水源工程,水庫年均入庫含沙量為220kg/m3。採用水沙分置開發技術,新建了五台山調蓄水庫並聯合巴家嘴水庫供水的改造方案,破解了汛期供水和泄洪排沙的矛盾,保障了慶陽市居民供水安全。巴家嘴-五台山聯合供水工程於2015年7月開工建設,當前已建成運用。城鎮生活用水保證率由55%提高到95%,農業由無法供水提高到50%,新增供水量為24.75億m3。

古賢水利樞紐工程是黃河水沙調控體系的七大控制性骨幹工程之一,控制了黃河60%的泥沙和80%的粗泥沙,年均入庫含沙量28kg/m3,壩高215m,總庫容129.4億m3。項目提出的淤積形態和庫容分佈耦合設計技術、移民設計新規則等,成功應用於古賢水利樞紐,實現23.4億m3攔沙庫容重複利用,增加下游減淤量12.9億m3。

創建了多沙河流水庫攔沙庫容再生利用技術

針對超高含沙量河流水庫攔沙庫容淤損后無法重複利用的問題,提出在正常泄流排沙孔以下增設非常排沙底孔,發明了孔洞空間布置、泄流規模等設計技術,為在死水位以下快速形成臨時泥沙侵蝕基準面、實現攔沙庫容再生利用創造了工程條件。

多沙河流水庫攔沙運用過程中,灘槽同步抬高,攔沙結束后形成「高灘深槽」的形態。正常運用期水庫淤積具有「死灘活槽」的特點,槽庫容有沖有淤,高灘深槽為淤積形態底線。傳統水庫淤積形態設計按「高灘深槽」配置庫容,存在庫容設置不足的風險。項目構建了「高灘深槽、高灘中槽、高灘高槽」完整的淤積形態設計技術,提出了「深槽調沙、中槽興利、高槽調洪」的庫容分佈設計規則,實現了攔沙庫容、調水調沙庫容、興利庫容、防洪庫容的分佈與淤積形態耦合設計,突破了傳統的設計方法,避免了庫容設置不足的風險。

目前泄水流道設計時抗水力劈裂和抗磨蝕很難兼顧。針對這一問題,項目發明了內襯為抗磨蝕混凝土的泄水排沙孔洞新結構,並通過在常規混凝土中加入自主研發的YREC超疏水外加劑、硅粉、玄武岩纖維等,研發了超疏水高強纖維抗磨蝕混凝土新材料,解決了抗磨蝕與抗水力劈裂相統一的問題,減少開裂面32%。

研發了多沙河流水庫淤積形態與庫容分佈耦合設計技術

(本文作者:李傑陳翠霞;文中數據來源:黃河勘測規劃設計研究院有限公司、天津大學、中國水利水電科學研究院、清華大學、華北水利水電大學等)

推廣應用:促進工程泥沙設計技術進步

創建了特高含沙河流水庫水沙分置開發技術

目前河流上修建水利樞紐工程多為單庫開發模式。在年均含沙量200kg/m3以上的特高含沙河流上開發具有供水功能的水庫,水庫汛期若蓄水滿足供水要求,極易造成庫區嚴重淤積,水庫有效庫容難以保持;水庫要保持有效庫容,汛期必須有一定敞泄運用的機會,供水任務就難以保證。單庫開發模式無法滿足供水保證率要求。如何開發利用特高含沙河流水資源,對水利工程師們提出了巨大的挑戰。

理論創新:發展了工程泥沙設計理論方法

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