CN111794177B - 一种降低潼关高程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了河流清淤技术领域的一种降低潼关高程的方法，旨在解决现有技术中降低潼关高程效果不显著，作用无法长久的技术问题。所述方法包括如下步骤：根据水动力差异将潼关至大坝之间河段划分为不少于两个功能区；采取与功能区相对应的清淤方式，对潼关至大坝之间河段进行分区清淤。

Description

一种降低潼关高程的方法

技术领域

本发明涉及一种降低潼关高程的方法，属于河流清淤技术领域。

背景技术

潼关高程指潼关断面1000立方米每秒流量的相应水位，是研究潼关河段河床变化的一个重要技术指标。从工程实践来看，不论是改变调度方式，还是泄洪工程扩建改造，短期内都会产生一定效果，使潼关高程有所降低，但在达到新的平衡后，潼关高程又逐步增长。这里，以三门峡水库为例，简要介绍一下潼关高程的变化规律。

作为黄河上第一个大型水利枢纽工程，三门峡水库是治黄工程体系最重要的组成部分，担负着黄河下游防洪、防凌的重任，保护着冀、豫、鲁、皖、苏5省25万平方公里范围内1.7亿人口的生命财产安全。自1957年4月13日正式投入使用至今，三门峡水利枢纽经历了多次功能改造，但潼关高程依然未能显著性降低，已然成为无坝水库。如图5所示，是本发明背景技术中三门峡水利枢上游1960～2018年潼关高程汛前汛后高程变化曲线图，从图中可以看出，三门峡水利枢上游的潼关高程经历了急剧上升-下降-基本稳定-逐步抬升4个阶段，具有如下：

1、三门峡水库初期蓄水，泥沙全部拦在库区，潼关高程猛涨；

2、滞洪排沙运用期，将刚刚淤积的泥沙部分排出，但因泄水孔位置较高，泥沙继续淤积，潼关高程继续增长；

3、1969～1973年经二次改建，下泄流量达9060m³/s，汛末低水位运行，潼关高程持续降低，下降至326.80m；

4、1974～2001年改为蓄清排浑运行方式，为提高发电效益，坝前控制水位抬高，潼关高程也逐步升高；在蓄清排浑运行期间，潼关高程主要表现为汛期冲刷，非汛期淤积，同时与汛期来水量关系密切；

5、2002年潼关高程达到极大值328.78m，自此改为汛期敞泄运行方式，库区产生溯源冲刷，但冲刷不到潼关，在2003年大水冲刷后，潼关高程相对稳定于汛前328.10m（非汛期淤积）～汛后327.60m（汛期冲刷）之间；

6、近4年以来，汛前汛后潼关高程差异不大，汛期冲刷不显著，2018年来水量为近40多年极大值，潼关高程未发生显著变化，汛后高程维持在328.10m。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种降低潼关高程的方法，以解决现有技术中降低潼关高程效果不显著，作用无法长久的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种降低潼关高程的方法，包括如下步骤：

根据水动力差异将潼关至大坝之间河段划分为不少于两个功能区；

采取与功能区相对应的清淤方式，对潼关至大坝之间河段进行分区清淤。

进一步地，所述功能区包括河流区、回水区、浅水区、深水区。

进一步地，与河流区相对应的清淤方式，包括：将板结于河床的泥沙搅起，随水流输送至回水区。

进一步地，与回水区相对应的清淤方式，包括：利用高压水流将沉积于河床的泥沙冲起，随水流输送至浅水区。

进一步地，与浅水区相对应的清淤方式，包括：将高含沙水流通过输沙管道排到大坝下游，在浅水区形成待淤坑。

进一步地，与深水区相对应的清淤方式，包括：调水冲刷泥沙。

进一步地，所述深水区为水库深水区；调水冲刷泥沙的方法，包括：

择机选择天然洪水，配合水库蓄水调度，形成大于预设流量的人造长历时洪水；

利用人造长历时洪水将淤积于水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送至大坝下游。

进一步地，在利用人造长历时洪水将淤积于水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送至大坝下游之前，还包括：对水库进行排干清淤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明方法针对潼关至大坝之间河段的水动力差异，划分为河流区、回水区、浅水区、深水区四个功能区，针对每个功能区的水动力特性和淤泥特点，采取不同的清淤策略，从而提高了清淤效率，可有效降低潼关高程。在河流区将板结于河床的泥沙搅起，使泥沙随水流输送；在回水区将沉积于河床的泥沙，利用射流推沙船喷射高压水流冲刷泥沙，使冲刷下来的泥沙随水流输送；在浅水区，利用泥沙输送设施将高含沙水流通过输沙管道排到大坝下游；在深水区，利用人造长历时洪水将淤积于水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送至大坝下游。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的清淤功能区划分示意图；

图2是本发明方法实施例中所述水动力清淤车的结构示意图；

图3是本发明方法实施例中所述射流推沙船的结构示意图；

图4是本发明方法实施例中所述射流吸头泥沙输送设施的结构示意图；

图5是本发明背景技术中三门峡水利枢1960～2018年潼关高程汛前汛后高程变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

黄河水患自古有之，治水首先治沙，拦、排、挖、调并举，抓住时机，综合治理。河道泥沙悬浮在水中，可随水流运动向下游输送。同时，由于不同河段水流动力存在显著差异，对河道泥沙作用能力也存在明显不同。基于上述原因，本发明技术思路是根据不同河段的水流特点对河段进行分区治理，每个河段采用对应的清淤方式方法，对于降低潼关高程起到事半功倍的效果。

基于上述技术思路，本发明具体实施方式提供了一种降低潼关高程的方法，这里结合三门峡大坝作为实施例对本发明方法作详细叙述，黄河潼关至三门峡河段平均河宽800m，水深1.5～3m，平均过水面积1400m²，按近5年潼关断面平均径流量250亿m³计，年平均流量为793m³/s，则断面平均流速为0.57m/s。本发明方法实施例的最终目的，是降低潼关高程，将潼关至三门峡水库淤积的泥沙排到三门峡大坝下游。

步骤一，将潼关至三门峡大坝115km水道分为河流区（高程320m以上）、回水区（高程320～318m）、浅水区（高程318～315m）、深水区（高程315m以下）四个区，该四个区由于水动力存在差异，可针对每个区的水力特性采取适当的清淤方式进行清淤，从而实现高效清淤的功能。本实施例中，该四个区可认定为不同的功能区。具体如图1所示，是本发明方法实施例中的清淤功能区划分示意图。

步骤二，对河流区、回水区、浅水区、深水区四个功能区分别采取对应的清淤方式，确保各区协调工作，提高排沙效率。

更具体地，对于河流区，由于河流区水流湍急，水流冲击力大，因而可采用水动力清淤车将板结于河床的泥沙搅起，随水流输送至回水区。如图2所示，是本发明方法实施例中所述水动力清淤车的结构示意图，水动力清淤车包括水上平台、设于水上平台下方的水下仿生叶轮、设于水上平台上方四个边角上的风机，所述水下仿生叶轮为柔性叶轮，水上平台下方两侧固定有钢板，水下仿生叶轮通过转轴安装于该两钢板之间，流动河水冲击水下仿生叶轮使之旋转，从而刮起河床泥沙。该水动力清淤车还可利用风力作为动力，具体传动过程为：风力驱动风机带动轴杆转动从而产生扭矩；轴杆上的伞形齿轮与水上平台下方的变速齿轮啮合，从而将扭矩传递至变速齿轮；变速齿轮与水上平台下方的减速齿轮啮合，再将扭矩传递至减速齿轮；水下仿生叶轮的转轴固定连接有驱动齿轮，该驱动齿轮与减速齿轮啮合，因而减速齿轮可进一步将扭矩传递至水下仿生叶轮，从而为水下仿生叶轮提供辅助动力。本实施例中，水动力清淤车由GPS导航和无人驾驶仓控制移动，水上平台顶部还设有太阳能板、内部设有蓄电池，太阳能板与蓄电池连接，由太阳能板产生电能为蓄电池充电，再由蓄电池为水动力清淤车上的其余设备供电，保持与岸上控制基站之间的通信连接，可24小时不间断地自动进行清淤工作。该水动力清淤车长20m，宽30米，高6m，吃水深度2～3m，水深小于4m时，车轮行走；水深超过4m时，水动力清淤车浮起，水动力清淤车停止工作。

更具体地，对于回水区，由于水库回水区水动力很弱，水深在2～5m内变化，很难通过水流作用输送泥沙，大量泥沙沉积于河床底部。对此，可采用射流推沙船将上游输送沉积此区的泥沙转移到浅水区，其中粗颗粒泥沙在浅水区沉淀，细颗粒泥沙继续扩散至近坝段。如图3所示，是本发明方法实施例中所述射流推沙船的结构示意图，该射流推沙船内部设有柴油机、水泵，底部靠后设有螺旋桨、方向舵，柴油机与螺旋桨和水泵传动连接；射流推沙船通过钢管连接有推泥板，推泥板通过转轴与钢管铰接，推泥板后端还通过液压缸与钢管传动连接，通过液压缸动作可调节推泥板的倾斜角度，推泥板前端设有喷嘴，水泵通过软管与喷嘴连通。柴油机驱动螺旋桨为射流推沙船前进提供动力，柴油机驱动水泵，通过软管泵出高压水流经喷嘴向外喷射。本实施例中，该船主要应用在回水区，此处水流流速骤然减慢，泥沙快速沉淀，堆积成三角形状态。与传统的挖泥船相比，该射流推沙船有如下优势：

（1）清淤方式是通过喷嘴输出高压水流冲刷沉积的细粒泥沙，使泥沙悬浮于水中，在天然水流的作用下输送泥沙。因此无需对泥沙实施挖掘、装运或者使用管道输送，由此减少了额外的工程开支，并且铺设管道也会对其它船舶的航行造成影响；

（2）该船型主尺度较小、操作灵活、操作简单，配备的施工人员和施工设备都相对比较少，从而降低了清淤成本；

（3）由于只需要将水注入到泥土层中，而不需要将泥土吸起和排出，耗费的能量较小。并且，在整个清淤过程中，只有水进人泵中，而没有其它颗粒进入，因此对于泵的磨损也较小。

更具体地，对于浅水区，可采用泥沙输送设施将高含沙水流通过输沙管道排到大坝下游，在浅水区生成待淤坑，使含沙浑水中的泥沙易沉淀与此。如图4所示，是本发明方法实施例中所述射流吸头泥沙输送设施的结构示意图，泥沙输送设施包括浅水区到水库大坝下游的混凝土输沙管道、浅水区管口接入软管，软管上安装有泥沙射流吸头；混凝土输沙管道的长度稍短于大坝排沙孔到回水区的距离，根据管道长度、管道阻力、水头和输沙量的要求，优选管径尺寸；泥沙射流吸头可跟随软管在河底移动，持续将高含沙水流从库底吸起，再通过输沙管道排到大坝下游。所述吸头由钢丝吊起，卷扬机控制吸头与泥面的接触距离，卷扬机设于漂浮于水面上的浮体，浮体顶部铺设有太阳能板，浮体内置有与太阳能板电性连接的蓄电池，用于储存太阳能板所产生的电能，并向卷扬机供电，通过卷扬机绕接钢丝绳来调节泥沙射流吸头的纵向位置。泥沙射流吸头为一喇叭口90°弯头，圆周上安装多台直流高压水泵。浅水区河道两岸安装有卷拉装置，卷拉装置通过拉缆与浮体连接，用于改变泥沙射流吸头的横向位置，所述拉缆为φ6mm钢丝绳，卷拉装置以0.05m/s的速度左右移动泥沙射流吸头。移动浮体上还安装有GPS定位装置、超声波水深测量仪、吸头控制器，吸头控制器将定位信息和水深无线发送到岸基控制器，当水深小于移动浮体吃水深度时，表明浮体位置基本到达河边时，岸基控制器控制河岸卷拉装置反向运动。吸头如此反复运动，将整个断面上的淤泥排尽。

更具体地，对于深水区，其淤积量与潼关高程关系不显著，需要择机选择天然洪水，配合水库蓄水调度，形成流量大于预设流量的人造长历时洪水，将淤积在水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送到大坝下游。在利用洪水冲淤之前，可对水库进行排干清淤，以降低三门峡水库水位，增强冲刷效果。本实施例中，所述预设流量可设定为3000m³/s。

整个过程中，从潼关到三门峡大坝下游，各区清淤工作同步进行，默契配合，缺一不可，自上而下形成泥沙输送通道，才能高效地将泥沙输送到坝下，用8～10年的时间即可排出积存在库区的泥沙，有望将潼关高程从328.0m降低到325.0m，将当前河底高程线降低到目标河底高程线，增大河底坡度，有利于减少渭河的洪水灾害。具体如下：

（1）河流区需配备足够的水动力清淤水车，保证回水区断面水体含沙量大于50kg/m³，按多年平均水量250亿m³计，将有12.5亿t泥沙到达回水区；

（2）回水区需配备足够的射流推沙船，保证回水区没有泥沙堆积，开辟宽400m深3m的输沙通道，向浅水区延伸，不断向浅水区补充泥沙，保证浅水区待淤坑的水深在4-8m内变化；

（3）浅水区待淤坑的泥沙由射流吸头搅浑吸起通过混凝土输沙管道源源不断向下游排沙，根据浅水区水深变化和输沙管道内含沙量大小，确定射流吸头的开泵数量，如果含沙量小，且浅水区水深也小，则增加开启射流泵数量，增大吸头泥浆浓度。建设5×5m方涵，泥浆浓度400kg/m³，年输出泥沙约5亿t；

（4）为了把深水区泥沙排出，根据上游河道洪水和水库蓄水情况，每年汛期进行1～2次调水冲沙，大流量冲刷库区泥沙通过大坝排沙孔输送到坝下。每次按3000m³/s流量排沙5天，按平均含沙量200kg/m³计, 每次调水冲沙可排出泥沙2.59亿t。

近年流域入黄泥沙量减小，河道水流含沙量偏小，将久淤河床的泥沙搅起悬浮于水中随流带向下游，是降低潼关高程的最好机会。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种降低潼关高程的方法，其特征是，包括如下步骤：

根据水动力差异将潼关至大坝之间河段划分为不少于两个功能区；

采取与功能区相对应的清淤方式，对潼关至大坝之间河段进行分区清淤；

所述功能区包括河流区、回水区、浅水区、深水区；

与河流区相对应的清淤方式，包括：将板结于河床的泥沙搅起，随水流输送至回水区；将板结于河床的泥沙搅起采用的是水动力清淤车，所述水动力清淤车包括水上平台、设于水上平台下方的水下仿生叶轮、设于水上平台上方四个边角上的风机，所述水下仿生叶轮为柔性叶轮，水上平台下方两侧固定有钢板，水下仿生叶轮通过转轴安装于该两钢板之间，流动河水冲击水下仿生叶轮使之旋转，从而刮起河床泥沙；

与回水区相对应的清淤方式，包括：利用高压水流将沉积于河床的泥沙冲起，随水流输送至浅水区；所述高压水流将沉积于河床的泥沙冲起，包括：射流推沙船内部设有柴油机、水泵，底部靠后设有螺旋桨、方向舵，柴油机与螺旋桨和水泵传动连接；射流推沙船通过钢管连接有推泥板，推泥板通过转轴与钢管铰接，推泥板后端还通过液压缸与钢管传动连接，通过液压缸动作可调节推泥板的倾斜角度，推泥板前端设有喷嘴，水泵通过软管与喷嘴连通，柴油机驱动螺旋桨为射流推沙船前进提供动力，柴油机驱动水泵，通过软管泵出高压水流经喷嘴向外喷射；

与浅水区相对应的清淤方式，包括：将高含沙水流通过输沙管道排到大坝下游，在浅水区生成待淤坑；所述将高含沙水流通过输沙管道排到大坝下游，包括：泥沙输送设施包括浅水区到水库大坝下游的混凝土输沙管道、浅水区管口接入软管，软管上安装有泥沙射流吸头；混凝土输沙管道的长度短于大坝排沙孔到回水区的距离，泥沙射流吸头跟随软管在河底移动，持续将高含沙水流从库底吸起，再通过输沙管道排到大坝下游；

与深水区相对应的清淤方式，包括：调水冲刷泥沙。

2.根据权利要求1所述的降低潼关高程的方法，其特征是，所述深水区为水库深水区；调水冲刷泥沙的方法，包括：

择机选择天然洪水，配合水库蓄水调度，形成大于预设流量的人造长历时洪水；

利用人造长历时洪水将淤积于水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送至大坝下游。

3.根据权利要求2所述的降低潼关高程的方法，其特征是，在利用人造长历时洪水将淤积于水库深水区的泥沙通过大坝排沙孔输送至大坝下游之前，还包括：对水库进行排干清淤。

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