工程泥沙设计关键技术为黄河高质量发展保驾护航

　　工程泥沙设计是多泥沙河流水利枢纽设计的重要内容，贯穿枢纽设计全过程，是枢纽调度运行的基础，是开发目标实现的关键所在，是工程安全和效益发挥的保障。泥沙淤积上延会导致移民社会问题，库区泥沙淤损库容导致功能效益受损，浑水压力超标导致坝体受力破坏等等，工程泥沙设计如果处理不当，影响是全方位的。三门峡、小浪底为我国百公斤级以下高含沙量河流水利枢纽工程泥沙设计积累了丰富的经验。但是，在百公斤级以上超高、特高含沙量河流建设水利枢纽工程，工程泥沙设计仍面临淤积形态设计、库容修复再生、枢纽安全防护等问题。

　　黄河勘测规划设计研究院有限公司、天津大学、中国水利水电科学研究院、清华大学、华北水利水电大学等5家单位联合承担的“多沙河流水利枢纽工程泥沙设计关键技术及应用”项目，依托多沙河流重大工程设计、国家自然科学基金、专题研究等20多个项目，针对多沙河流水利枢纽工程泥沙设计面临的问题，进行理论创新、技术攻关及实践应用，形成了系统的多沙河流水利枢纽工程泥沙设计理论方法及关键技术体系，系统解决了高、超高、特高含沙量河流水利枢纽工程泥沙问题。

　　理论创新：发展了工程泥沙设计理论方法

　　为明晰其机理，更加科学地指导工程泥沙设计，项目探明了“水库—河道”联动机制、输沙能量转换机理，创建了水库拦沙能力计算新方法，为拦沙库容设计提供了基础理论；构建了库区泥沙冲淤临界形态计算公式，通过了三门峡等水库的实践检验，为库区泥沙淤积形态设计提供了理论基础。针对不同含沙量级河流工程泥沙设计面临的难题，创新了淤积形态、淤损库容修复、大坝安全防护等设计指标与设计方法，形成了工程泥沙设计标准（GB/T 51280-2018）。

　　技术突破：攻克百公斤级以上含沙量河流工程泥沙设计难题

　　研发了多沙河流水库淤积形态与库容分布耦合设计技术

　　研究团队调查了40余座水库，深入研究了库坝区泥沙冲淤规律，识别出库区干支流水沙交互存在沿程入汇、分层倒灌、蓄泄吐纳、侧向驱动四种基本模式，建立了库区干支流水沙交互四种基本模式及其与泥沙淤积形态响应关系。研发了库坝区水沙全交互耦合模拟模型，经过三门峡、小浪底、刘家峡、巴家嘴等水库实际检验，提高了计算精度。

　　多沙河流水库拦沙运用过程中，滩槽同步抬高，拦沙结束后形成“高滩深槽”的形态。正常运用期水库淤积具有“死滩活槽”的特点，槽库容有冲有淤，高滩深槽为淤积形态底线。传统水库淤积形态设计按“高滩深槽”配置库容，存在库容设置不足的风险。项目构建了“高滩深槽、高滩中槽、高滩高槽”完整的淤积形态设计技术，提出了“深槽调沙、中槽兴利、高槽调洪”的库容分布设计规则，实现了拦沙库容、调水调沙库容、兴利库容、防洪库容的分布与淤积形态耦合设计，突破了传统的设计方法，避免了库容设置不足的风险。

　　水库回水改变了库区自然环境和社会环境，需要迁移居民，淹没了农田、房屋、道路等设施，水库回水估计不足将会诱发社会问题。对水库回水计算采用的水库泥沙淤积基地边界不明确，可能导致移民回水超出设计范围。项目提出了基于高滩高槽推算移民水位的新方法，消除了以往设计方法推算移民水位可能偏低的设计风险，确立了水库淹没水位设计新规则。

　　创建了多沙河流水库拦沙库容再生利用技术

　　多沙河流建设水库主要通过拦沙实现对下游河道减淤，拦沙库容淤满后即失去拦沙减淤功能。为持续发挥水库拦沙减淤效益，项目提出在死水位以下创造坝前临时泥沙侵蚀基准面，实现部分拦沙库容再生利用的设计理念，实现“死”库容“不死”。

　　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，提出在正常泄流排沙孔以下增设非常排沙底孔，发明了孔洞空间布置、泄流规模等设计技术，为在死水位以下快速形成临时泥沙侵蚀基准面、实现拦沙库容再生利用创造了工程条件。

　　结合泾河东庄水库（年均含沙量140kg/m3）水沙特性，提出低位非常排沙孔洞采用“相机泄空，适时回蓄”的调度方式，并确定了启用的水沙条件、泄水流量、回蓄时机，新技术实现了水库拦沙库容恢复20%以上，并永续利用。三门峡水库曾陆续打开8个施工导流底孔，泥沙侵蚀基准面由300m降低至280m，拦沙库容恢复5.55亿m3，证实了降低侵蚀基准面可有效恢复拦沙库容，为拦沙库容再生利用提供了实践依据。小浪底水库调度采用新理念，2018年7月洪水调度恢复拦沙库容1.86亿m3，2019年7月洪水调度恢复拦沙库容2.56亿m3，为拦沙库容再生利用提供了运用实践基础。

　　创建了特高含沙河流水库水沙分置开发技术

　　目前河流上修建水利枢纽工程多为单库开发模式。在年均含沙量200kg/m3以上的特高含沙河流上开发具有供水功能的水库，水库汛期若蓄水满足供水要求，极易造成库区严重淤积，水库有效库容难以保持；水库要保持有效库容，汛期必须有一定敞泄运用的机会，供水任务就难以保证。单库开发模式无法满足供水保证率要求。如何开发利用特高含沙河流水资源，对水利工程师们提出了巨大的挑战。

　　面对挑战，研究团队开拓思路，积极创新，创建了特高含沙河流干流大库调控泥沙、调蓄水库调节供水的并联水库水沙分置开发模式，实现了特高含沙量河流重大水工程的安全运行，开辟了特高含沙量河流重大水工程开发新途径。针对并联水库兴利库容联合配置问题，创建了供水保证率、引沙量、工程投资、经济效益等评价体系，研发了并联水库“径流调节库容-泥沙调控库容”联合配置模型，建立了并联水库兴利库容联合配置设计技术，科学确定了两库兴利库容规模，保证了供水安全。

　　研发了多沙河流水利枢纽工程安全防护技术

　　多沙河流水库大坝坝面受高含沙水流侧向压力，浑水容重远大于清水，浑水侧向压力甚至可能超过水下淤沙的侧向压力。研究团队深入分析了已建水库坝前上万组次的含沙量垂向分布资料，研发了基于水沙两相流理论建立的坝区三维泥沙数学模型；突破了高、超高、特高含沙量水流的试验技术，构建了坝区物理模型。开展了不同来水来沙和运用组合条件下数学模型计算和物理模型试验，探明了坝前含沙量剖面分布规律；提出了基于不同工况的枢纽上游坝面浑水压力计算方法，使大坝浑水压力计算更趋科学合理。

　　目前泄水流道设计时抗水力劈裂和抗磨蚀很难兼顾。针对这一问题，项目发明了内衬为抗磨蚀混凝土的泄水排沙孔洞新结构，并通过在常规混凝土中加入自主研发的YREC超疏水外加剂、硅粉、玄武岩纤维等，研发了超疏水高强纤维抗磨蚀混凝土新材料，解决了抗磨蚀与抗水力劈裂相统一的问题，减少开裂面32%。

　　推广应用：促进工程泥沙设计技术进步

　　项目攻克了多沙河流工程泥沙设计问题，形成了系统的工程泥沙设计理论方法及关键技术体系。如今，项目成果经三门峡、小浪底等工程实践检验，已成功应用于黄河古贤、泾河东庄、甘肃省马莲河、巴家嘴-五台山联合供水等重大工程设计。

　　古贤水利枢纽工程是黄河水沙调控体系的七大控制性骨干工程之一，控制了黄河60%的泥沙和80%的粗泥沙，年均入库含沙量28kg/m3，坝高215m，总库容129.4亿m3。项目提出的淤积形态和库容分布耦合设计技术、移民设计新规则等，成功应用于古贤水利枢纽，实现23.4亿m3拦沙库容重复利用，增加下游减淤量12.9亿m3。

　　泾河东庄水利枢纽是黄河水沙调控体系重要支流水库，渭河流域的防洪减淤控制性骨干工程，是在超高含沙量河流上建设的高双曲拱坝，年均入库含沙量140kg/m3，坝高230m，总库容32.76亿m3。采用项目提出的泥沙淤积形态、库容再生利用、枢纽安全防护技术，使20%拦沙库容重复利用，增加渭河与黄河下游减淤量2.37亿m3。

　　甘肃省庆阳市马莲河水利枢纽工程年均入库含沙量280kg/m3，是在高含沙量河流上建设的高均质土坝。采用水沙分置和并联水库兴利库容联合配置技术，工业供水保证率由56.6%提高到95%，农业保证率由0%提高到86%，新增供水量为41.55亿m3。

　　巴家嘴水库是甘肃省庆阳市的大型水源工程，水库年均入库含沙量为220kg/m3。采用水沙分置开发技术，新建了五台山调蓄水库并联合巴家嘴水库供水的改造方案，破解了汛期供水和泄洪排沙的矛盾，保障了庆阳市居民供水安全。巴家嘴-五台山联合供水工程于2015年7月开工建设，当前已建成运用。城镇生活用水保证率由55%提高到95%，农业由无法供水提高到50%，新增供水量为24.75亿m3。

　　项目研究成果还应用于高校教学和国际泥沙交流培训等，推动了水力学及河流动力学、水利水电工程学科发展，促进了工程泥沙设计技术进步，开启了在百公斤级以上含沙量河流上建设重大水工程的先河，为黄河流域生态保护和高质量发展这一重大战略实施提供了技术支撑。

　　注：文中数据来源：黄河勘测规划设计研究院有限公司、天津大学、中国水利水电科学研究院、清华大学、华北水利水电大学等