中小型水库工程泥沙冲淤计算年限探讨

昆明市水利水电勘测设计研究院  何俊昌

摘要：目前各地设计人员及评审专家对中小型水库工程泥沙冲淤计算年限取值不统一，泥沙冲淤年限的取值对水库的各特征水位及库容均存在影响，关系到水库的规模问题。通过各种资料、规范的对比，在今后的设计过程中，中小型水库工程的泥沙冲淤计算年限还是应当结合工程的合理使用年限及耐久性设计要求进行考虑取值。

关键词： 中小型水库  泥沙  冲淤计算年限  冲淤相对平衡年限 

1 引言

水库具有防洪、发电、灌溉、供水等功能，作为重要的水利基础设施，水库在社会经济发展中发挥着重要的作用。水库的泥沙淤积，会产生一系列的问题，导致水库库容损失，降低、甚至完全失去其调节水量的性能，降低水库功能效益，加重维护成本和病险发生几率，淤积的过程就是水库死亡的过程。中小型水库由于库容相对较小，淤积发展迅速，问题就更为严重。

在以往的新建中小型水库工程设计过程中，依据常规惯例中型水库泥沙淤积年限一般按50年取值，小（1）型水库泥沙淤积年限按30年取值，小（2）型水库泥沙淤积年限按20年取值，以上泥沙淤积年限取值无明确规范规定，主要参考一些水利书籍进行确定。为了适应水利水电工程设计的需要，明确水利水电工程及其水工建筑物的合理使用年限，规范耐久性设计，2014年中华人民共和国水利部批准《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654—2014）为水利行业标准，该标准适用于新建的水利水电工程的合理使用年限确定和耐久性设计，按照《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654—2014）中“表3.0.2水利水电工程合理使用年限”则中型水库、小（1）型、小（2）型水库合理使用年限均为50年，按此规定如果中、小型水库的冲淤平衡年限大于50年，则中、小型水库的泥沙淤积至少得按50年考虑。本文将结合《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》出台后中小型水库设计中的泥沙冲淤计算年限进行探讨。

2.现有小型水库工程实际运用中的泥沙淤积问题

对水库淤积的有关问题进行研究是摆在泥沙、水利工作者面前的非常重要的课题，多年来我国在水库淤积方面开展了大量的工作取得了一系列的研究成果并成功地提出了能在多沙河流上长期保持水库有效库容的“蓄清排浑”运行模式，这些举世瞩目的成就得到了国际同行的公认。大型水库的泥沙淤积问题及特点在众多的研究中已作了较详细的论述。而山区中小型水库由于其重要性相对要低及实测资料的缺乏，一直以来泥沙淤积问题在设计过程中均采用简化处理，而山区中小型水库泥沙淤积特点与大型水库相比具有显著的差异，这主要表现在来水来沙、淤积变化等方面。

从来水方面看，中小型水库大多修建于山区河流的支流上，由于选址时需考虑水库的自身防洪问题，普遍径流面积不大，水库来水量有限，流域径流主要靠降雨补充，来水量受季风气候的影响汛枯差异较大，水量主要集中于汛期，绝大多数中小水库蓄水主要靠汛期来水。水库泥沙主要也来自于汛期，由于中小水库分布较广，各水库流域下垫面差异较大，来沙量差异也大，但总体来看泥沙与来水量有较大的联系，一般大洪水对应大沙量，泥沙的年内年际变化与水量基本一致。

山区中小型水库泥沙淤积特点与水库的调度运行有直接的联系，水库的调度运行方式由工程任务、来水条件、用水组成决定，目前中小型水库主要的工程任务为农田灌溉、生活供水、工业供水及防洪（由于水库规模小，调洪能力有限，中小型水库有防洪作用，但真正承担下游防洪任务的较少，主要考虑的是自身工程的防洪安全）。由于山区中小型水库普遍径流面积不大，来水量有限，水库运行模式主要为汛期蓄水、枯期供水，水库的防洪调度出于安全考虑，一般不设结合库容，泄水建筑物大多为开敞式的溢洪道，受水库调度运行模式的控制，中小型水库一般无“蓄清排浑”的条件，汛期来沙量外排较少，泥沙主要淤积于库内。我国中小型水库大多建于五、六十年代，从1999年开始实施了大规模的病险水库除险加固，结合近年完成的中小型水库除险加固工程来看，绝大多数水库的淤积高程已超过输水隧洞的进口高程，在除险加固中均需改造或重建输水隧洞取水口，淤积问题十分突出。

3.各类资料、规范关于泥沙冲淤年限的界定

在以往的新建中小型水库工程设计过程中，依据常规惯例中型水库泥沙淤积年限一般按50年取值，小（1）型水库泥沙淤积年限按30年取值，小（2）型水库泥沙淤积年限按20年取值，以上泥沙淤积年限无明确规范规定，主要参考一些水利书籍进行确定。1975年辽宁省水利勘测设计院编制出版的《中小型水库设计》一书中关于死水位的确定章节明确提出：“在确定死水位和相应死库容时要考虑泥沙冲淤，死库容应有足够容纳一定年限内的泥沙容积。这对于多沙河流尤为重要，它决定水库正常运用的寿命。中小型水库泥沙淤积年限一般为15—30年，如无排沙设备或排沙能力很小时，则可看作来沙全部淤于库内。”

《泥沙设计手册》，泥沙设计要求和淤积计算年限的采用章节中提出：“在进行设计时牵涉到泥沙淤积水平的内容很多，由于各自有其特定的要求及重要性也不同，因此各种计算标准不应强求一致。泥沙淤积计算年限可参照下列情况予以选定。①土地淹没浸没标准:必须考虑近期远期结合、充分利用土地的原则，按中华人民共和国电力行业标准《水电工程水库淹没处理规划设计规范》（DL/T5064-1996）规定，一般可按工程投入运行后10～30年的淤积情况考虑。②防洪、兴利库容淤积计算年限:本项指标关系到工程安全、泄洪设施及发电兴利等问题，可根据《水电工程水利计算规范》（DL/T5105～1999）规定，淤积计算年限为30～50年的水平。③闸、坝前泥沙淤积高程:坝前泥沙淤积高程是水工建筑物设计中考虑泥沙荷载的主要参数之一。在进行闸门启闭力设计、闸门调度及控制闸门前淤堵等运行设计时亦需要掌握闸门前泥沙淤积高程的分布情况。其淤积计算年限可按《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199-94）规定，水利水电工程主要挡水建筑物设计基准期为50～100年。同时，重力坝、拱坝等设计规范规定，计算坝体荷载时，坝前泥沙淤积高程计算年限为50-100年。”

为了适应水利水电工程设计的需要，明确水利水电工程及其水工建筑物的合理使用年限，规范耐久性设计，2014年中华人民共和国水利部批准《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654—2014）为水利行业标准，该标准适用于新建的水利水电工程的合理使用年限确定和耐久性设计，按照《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654—2014）中“表3.0.2水利水电工程合理使用年限”则中型、小（1）型、小（2）型水库合理使用年限均为50年。在《水利工程水利计算规范》（SL 104—2015）中水库泥沙冲淤计算年限的确定条款为：“①当水库冲淤相对平衡年限长于主要挡水建筑物设计基准期时，计算年限为建筑物的设计基准期。②当水库冲淤相对平衡年限短于主要挡水建筑物设计基准期时，计算年限为相对平衡年限。”；《水电工程泥沙设计规范》(NB/T 35049-2015)中水库泥沙冲淤计算年限的确定条款为：“①当水库冲淤相对平衡年限长于壅水建筑物结构的设计基准期时，计算到不少于基准期。②当水库冲淤相对平衡年限短于壅水建筑物结构的设计基准期时，计算到不少于相对平衡年限。”。结合上述各规范的条款可得结论为：如果中型、小（1）型、小（2）型水库的冲淤相对平衡年限短于50年，则按不少于相对平衡年限来考虑冲淤计算年限；如果中型、小（1）型、小（2）型水库的冲淤相对平衡年限长于50年，则水库泥沙冲淤计算年限至少为50年。

4.泥沙冲淤年限对于水库工程设计的影响

泥沙淤积水平是进行水库泥沙设计时的设计标准，是指在进行水库泥沙设计工作时，针对泥沙淤积对各方面的影响所定的淤积计算年限。根据这个年限所相应的水库淤积状况，计算水库的兴利效益、枢纽的防洪能力、水库区的淹没、移民范围以及对其他方面的影响。水库泥沙淤积所造成的主要问题有：使防洪库容和兴利库容减小影响水库效益的发挥，淤积向上游发展造成上游地区的淹没和浸没带来移民、生态环境问题，坝前泥沙淤积会在一定程度上影响枢纽的安全运行，水库下泄清水对下游河道冲刷和变形的影响，附着在泥沙上的污染物对水库水质的影响等。水库的淤积危害着防洪、灌溉、给水、水产等各方面的利益。

在中小型水库设计中，泥沙设计最主要的目的是为了确定水库淤沙高程及水库死水位，泥沙淤积高程是水库输水隧洞进口高程设计的主要参考依据，泥沙淤积高程的确定一方面受淤积形态的影响，另一方面泥沙淤积总量直接关系到泥沙淤积高程。而冲淤年限的取值直接影响泥沙淤积总量，直接关系到水库的规模问题，对水库的各特征水位及库容均存在影响。设计过程中在小（1）型、小（2）型水库的冲淤相对平衡年限长于50年的情况下，如果泥沙冲淤年限取值还按照原来的30年、20年考虑则势必会造成在水库的合理使用期内泥沙实际淤积高程高于设计的淤积高程，将会造成输水隧洞进水口淤积，使输水隧洞闸门无法启闭，影响水库的取水、放水，甚至影响水库的安全运行。此外淤积库容挤占水库的兴利库容，降低水库的供水调节能力，直接影响水库效益发挥。但另外一方面如果水库冲淤年限取值过长，则会造成水库在实际运用中泥沙淤沙高程、输水隧洞进口高悬的情况，这样将造成库容的浪费，从经济比较角度来说，则使资金积压，不利于国民经济的发展。

5.结语

在本文写作之前，由于自身知识、资料的缺乏，借助互联网等工具，在水利工程设计类论坛，QQ群、微信群中对于中小型水库工程泥沙淤积年限的问题发起过讨论和调查，从结果来看目前各地设计人员及评审专家对该年限取值不统一，有按常规惯例中型水库泥沙淤积年限按50年取值，小（1）型水库按30年取值，小（2）型水库限按20年取值的，也有执行《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》中、小型水库的冲淤平衡年限大于50年，则中、小型水库的泥沙淤积年限按50年取值的。

此外在本文写作之前曾电话、邮件多方咨询过《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654—2014）主要起草人柏宝忠同志，得到其详细耐心的指导，并有邮件回复对规范的解读，其在回复中倾向于如果中型、小（1）型、小（2）型水库的冲淤相对平衡年限短于50年，则按不少于相对平衡年限来考虑冲淤计算年限；如果中型、小（1）型、小（2）型水库的冲淤相对平衡年限长于50年，则水库泥沙冲淤计算年限至少计算到不少于基准期。

通过查询各方面资料并结合近些年完成的中小型水库设计，目前在中小型水库设计中实测泥沙资料十分缺乏，大多采用估算，结合基本完成的中小型水库除险加固设计中的泥沙淤积问题突出，大多需要对输水隧洞进口提高改造，通过各种资料、规范的对比，在今后的设计过程中，中小型水库工程的泥沙冲淤计算年限还是应当结合工程的合理使用年限及耐久性设计要求进行考虑取值。

参考文献：

⑴《水利动能设计手册》泥沙分册，简称《泥沙设计手册》，黄河水利委员会勘测规划设计研究院负责，西北勘测设计研究院配合修编，中国水利水电出版社2006.

⑵中小型水库设计  辽宁省水利勘测设计院编 1975.

⑶朱鉴远 水利水电工程泥沙设计   中国水利水电出版社 2010.

⑷钱宁 万兆惠 泥沙运动力学 科学出版社 1991.

⑸水库泥沙 陕西省水利科学研究所河渠研究室  清华大学水利工程系泥沙研究室  水利电力出版社1979.

⑹胡春宏 我国泥沙研究进展与发展趋势  泥沙研究 第6期 2014.12

⑺周杰  吴时强  韩昌海  吴修锋 山区小水库泥沙淤积特性分析  水力学与水利信息学进展  2007

⑻水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范（SL654—2014）  中华人民共和国水利部 发布

⑼水利工程水利计算规范（SL104—2015）  中华人民共和国水利部 发布

⑽水电工程泥沙设计规范（NB/T 35049—2015）  国家能源局 发布