三峽工程變動回水區(qū)泥沙淤積的試驗(yàn)研究

1、三峽工程變動回水區(qū)泥沙淤積的試驗(yàn)研究             摘要為研究三峽工程變動回水區(qū)的泥沙淤積.建造了長達(dá)800m的全沙試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型范圍包括長江和嘉陵江約200km的天然河段.進(jìn)行了清水、渾水驗(yàn)證以及蓄水位高程為175、180和156m的長系列模型試驗(yàn).明確了各蓄水位方案下變動回水區(qū)河段的沖淤規(guī)律、泥沙淤積對該區(qū)航道和沿江港口的影響.為三峽工程的技術(shù)驗(yàn)證提供了科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞變動回水區(qū) 全沙模型 泥沙淤積 沖淤平衡 1 引 言 長江三峽工程于1994年正式動工興建。

2、在此之前.對工程可行性進(jìn)行過全面深入的論證。在論證工作中.直接影響可行性的一個關(guān)鍵問題，是變動回水區(qū)的泥沙淤積及其對該區(qū)航運(yùn)的影響。由于這個原因，對變動回水區(qū)的泥沙淤積進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)和一、二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算工作。由于問題的復(fù)雜性和重要性.需要建立一個變動回水區(qū)的長泥沙模型.以期對整個變動回水區(qū)的泥沙淤積及其對航運(yùn)的影響作出全面深入的研究。變動回水區(qū)內(nèi)上、下游河段之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。下游河段的淤積將影響其上游河段的水位.從而影響上游河段的淤積量；而上游河段的淤積又將影響進(jìn)入其下游河段的泥沙數(shù)量，從而影響其下游河段的淤積量。當(dāng)進(jìn)行河道整治試驗(yàn)研究時.這種上、下游之間的相互影響將更為強(qiáng)烈。進(jìn)行變

3、動回水區(qū)全河段長模型試驗(yàn).就可較好地研究并解決這個問題。長模型的進(jìn)口可置于變動回水區(qū)之上，不受囤水影響.其來沙量與天然情況下相同。模型的出口可做到變動回水區(qū)以下.位于常年水位之中。在常年回水區(qū)中，由于水面比降小.對河床糙率不敏感，因而，可由數(shù)學(xué)模型提供準(zhǔn)確的模型出口水位。由于泥沙運(yùn)動的復(fù)雜性，在整個變動回水區(qū)長泥沙模型中準(zhǔn)確地復(fù)演泥沙運(yùn)動及沖淤變化是很困難的。我國于70年代圍繞著長江葛洲壩工程泥沙的研究，開展了大規(guī)模的泥沙模型試驗(yàn)工作，使泥沙模型得到了迅速發(fā)展和完善。并能在一個模型中，同時復(fù)演懸沙和底沙（包括卵石在內(nèi)）的運(yùn)動，從而掌握了進(jìn)行全沙模型的試驗(yàn)技術(shù)。然而，葛洲壩的泥沙模型（包括全沙模

4、蟹）僅限于復(fù)演較短的局部河段中的泥沙運(yùn)動和沖淤變化。故對于進(jìn)行整個變動回水區(qū)的長河段泥沙模型試驗(yàn)是否可行，必然有不少疑慮。進(jìn)行長河段泥沙模型在技術(shù)上的主要困難是對模型的相似條件要求非常嚴(yán)格。只有各種相似條件能相應(yīng)得到滿足時，才有可能達(dá)到全河段各個部位的沖淤相似。因此，需要進(jìn)一步提高泥沙模型試驗(yàn)和操作技術(shù)，以便更好地研究三峽工程變動回水區(qū)全河段的泥沙淤積情況及對該區(qū)航運(yùn)的影響。模型范圍上起江津附近的青草背（航行里程725km），下至涪陵附近的剪刀峽（航行里程550km），并包括嘉陵江18km（見圖1）。自1985年按受三峽工程變動回水區(qū)全河段泥沙模型試驗(yàn)任務(wù)以來，完成了近800m長的模型制做、水

5、流和泥沙沖淤驗(yàn)證、三峽大壩蓄水175m方案80年長系列淤積試驗(yàn)、水庫運(yùn)行100年后重慶洪水位抬高問題、蓄水180m方案80年長系列淤積試驗(yàn)以及175m水位方案中前期按156m水位運(yùn)行30年等試驗(yàn)工作，為長江三峽工程的技術(shù)論證工作提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。航行里程系指距離宜昌港的距離。 圖1 三峽工程變動回水區(qū)河勢1、青草背 2、大中壩 3、大貓峽 4、漁洞溪 5、茄子溪 6、九龍灘 7、豬兒磧 8、重慶9、寸灘10、銅鑼?shí){11、明月峽 12、上洛磧13、下洛磧 14、長壽 15、黃草峽16、金川磧 17、牛屎磧 18、剪刀峽Fig. 1 Varying backwater zone of Thre

6、e Gorges Project2 模型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證長江水量大，沙量也大。河道迂回多彎，河床寬窄相間.坡陡流急，岸邊石嘴、石梁眾多，地形和流態(tài)均十分復(fù)雜。據(jù)寸灘水文站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，泥沙年輸移量約4.6億t.泥沙粒徑分布很廣，從0.005mm以下直至200mm以上1。各種粒徑的泥沙.其運(yùn)動形式不同，淤積部位也不同。只有在一個模型中同時復(fù)演各種粒徑泥沙的輸移，才能更好地反映建庫后河道各部位泥沙淤積的實(shí)際情況，因此，采用全沙模型相似理論2設(shè)計(jì)泥沙運(yùn)動的相似比尺。在模型設(shè)計(jì)中，除水流處于阻力平方區(qū)和滿足重力相似、阻力相似，懸沙滿足沉降、揚(yáng)動和挾沙能力相似，底沙（包括卵石）滿足起動、沉降和輸移量相似外，還

7、著重研究了懸沙和底沙級配相似。計(jì)算表明，當(dāng)模型的平面比尺L選用250和垂直比尺H選用100時，并采用比s1.46t/m3的電木粉作為模型沙，各相似比尺要求能得到較好的滿足（見表1）。表1 模型比尺匯總表注：沖淤時間比尺t采用120；模型沙s1.46t/m3；懸沙500.026mm；底沙500.12mm；卵石503mm。Tab. 1 Summary of Similarity scales for model懸沙和底沙級配相似是全沙模型試驗(yàn)的關(guān)鍵。為保證原型沙和模型沙級配相似，在設(shè)計(jì)模型沙級配時，采用了文獻(xiàn)3中的統(tǒng)一沉降公式。將原型沙分為若干組，第i粒徑組的直徑為p，i，相應(yīng)沉降速度p，i，可由

8、下列公式計(jì)算其中，s泥沙比重；水的比重；g重力加速度；ei沉降雷諾數(shù)。由沉降相似要求可得到第i粒徑組原型沙相對應(yīng)的模型沙的沉速m，i，并由（1）、（2）和（3）式進(jìn)一步計(jì)算得到模型沙粒徑m，i 。因此，模型沙的粒徑比尺d與原型沙的粒徑有關(guān)。當(dāng)原型沙的粒徑范圍為0.0051.0mm時，粒徑比尺的范圍為1.062.15。其中，H水深；V流速；50床沙中值粒徑。在滿足重力相似和采用滿足相似要求的電木粉作為模型沙的條件下，由（4）式可得到n1.311.38，與阻力相似所要求的糙率比尺1.36基本一致，因此，動床的阻力相似是滿足的。在江津至剪刀峽近200km長江河道中，有大中壩、中堆、九龍灘、上洛磧、王

9、家灘、金川磧和牛屎磧等著名寬淺灘，支流嘉陵江上還有石門和金沙磧兩個寬淺段（參見圖1）。在這10個寬淺段上，在一個水文年內(nèi)，實(shí)測了39月的泥沙淤積量和910月的泥沙沖刷量。在模型中，模擬了實(shí)測水文年的來水來沙過程，并在模型相應(yīng)10個寬淺河段，實(shí)測了39月的泥沙淤積量和910月的沖刷量。試驗(yàn)結(jié)果表明，模型淤積量和沖刷量與原型基本一致，誤差一般在30以內(nèi)。原型河道寬淺汛期淤積、汛后沖刷，并在一個水文年內(nèi)基本平衡的沖刷規(guī)律在模型中得到了較好的模擬，模型設(shè)計(jì)能反映原型河道的河床演變過程。         3 三峽工程各蓄水水

10、位方案的泥沙淤積三峽工程的重點(diǎn)論證方案為一級開發(fā)、一次建成、分期蓄水和連續(xù)移民的建設(shè)方案。在長模型中重點(diǎn)論證的有3種庫水位運(yùn)行方案（見表2）。各方案能否成立的關(guān)鍵，在于三峽水庫按3種水位方案長期運(yùn)行時變動回水區(qū)河段的泥沙淤積情況。表2長模型論證方案基本參數(shù)注：（1）方案為方案初期運(yùn)行方案，僅運(yùn)行10年，其后按方案運(yùn)行，但在試驗(yàn)中運(yùn)行了30年。 （2）尾門水位由長江科學(xué)院一維數(shù)模計(jì)算提供。Tab.2 Control parameters for at different selections 三峽水庫蓄水后，變動回水區(qū)河道水位沿程抬高，流速普遍減小，河道的輸沙能力隨之降低。變動回水區(qū)河道的寬淺河

11、段（往往是淺灘所在地）在蓄水前汛期是淤積的，汛后沖刷走沙，但蓄水后水庫蓄水縮短了汛后沖刷時間，汛期淤積的泥沙在汛末不能全部沖走，變動回水區(qū)河段發(fā)生累積性淤積。泥沙淤積的數(shù)量與三峽水庫水位運(yùn)行方案和運(yùn)行時間有關(guān)。各方案在變動回水區(qū)河段內(nèi)泥沙淤積數(shù)量見表3?？梢姡龒{水岸按175m方案運(yùn)行80年，變動回本區(qū)河段共淤積7.68億m3；按180m方案運(yùn)行80年共淤積9.76億m3，增加2.08億m3的淤積量。三峽水庫按156m低水位運(yùn)行時，30年共淤積4.36億m3。各水位方案變動回水區(qū)河段的淤形態(tài)基率一致，差別在于淤積數(shù)量不同。各蓄水水位方案的變動回水區(qū)河段的泥沙沖淤規(guī)律（1）三峽水庫不論按何種水位

12、運(yùn)行，變動回水區(qū)均發(fā)生累積性淤積，淤積速率隨水庫運(yùn)用年限的增長而減緩，并在淤積過程中河道向單一、規(guī)順、微彎和高灘深槽發(fā)展，并最終達(dá)到新的平衡。從圖2的重慶河段在三峽水庫按175m水位方案運(yùn)行80年后的主要淤積部位圖可見，主槽淤積較少，而邊灘及回水沱或副汊則淤積較多。（2）變動回水區(qū)淤積數(shù)量的分布與河床平面形態(tài)密切相關(guān)，寬淺河段（包括分汊河段）淤積較多，而窄深峽谷段淤積少。如三峽水庫按175m水位運(yùn)行80年，銅鑼?shí){、明月峽和黃草峽每公里的淤積量僅為鄰近寬淺段的830，其原因是汛期的累積性淤積主要發(fā)生在寬淺河段上。表3 各水位運(yùn)行方案變動回水區(qū)淤積匯總注：（1）方案和方案長江段為紅花磧至黃草峽，方

13、案為銅鑼?shí){至牛屎磧；（2）嘉陵江段為入?yún)R口至滋器口；（3）重慶河段為李家沱至銅鑼?shí){。Tab.3 Summary of deposition quantities on varying backwater zone at different elevation selections圖2 重慶河段淤積形態(tài)（175m方案，80年）Fig.2 Sketch deposition pattern on Chongqing reach（HRE 175m，80 years）（3）淤沙粒徑沿程分布的總趨勢是上游河段粒徑粗.越向下游粒徑越細(xì)。最粗的卵石主要淤積在變動區(qū)的上端。因此，變動回水區(qū)河段的水力分選作用明

14、顯。變動回水區(qū)上端淤積相對較少，而下端淤積較多，主槽淤積較少，而邊灘淤積較多。以175m水位方案為例，在7.68億m3的總淤積量中，30淤積在主槽中，70淤在邊灘。（4）隨著泥沙的累積性淤積，變動回水區(qū)原卵石河床逐漸為泥沙覆蓋，河床糙率隨之降低，水面比降也隨之減小。以175m水位方案為例，建庫前寸灘流量30400m3/s時，重慶至長壽河段的水面平均比降為2.0×10-4，水庫運(yùn)用30年、50年和80年后，其水面計(jì)算比降分別為建庫前的69.0、61.5和61.0；水庫運(yùn)用80年后，重慶以上河段的河床糙率系數(shù)相當(dāng)于建庫前的85，重慶以下河段為75。（5）細(xì)泥沙在變動回水區(qū)河段中的造床作用

15、不可忽略。淤沙的粒徑分析表明，各種顆粒的泥沙都參與了變動回水區(qū)的累積性淤積。以175m水位方案為例，在7.65億m3的全部淤沙中，小于0.05mm的細(xì)沙為2.46億m3，占總量的32.0。在180m水位運(yùn)行80年的試驗(yàn)中，細(xì)泥沙占更大的比例，在9.76億m3的總淤積量中小于0.05mm的細(xì)沙為5.37億m3，占55。這說明，三峽水庫運(yùn)行水位越高，越不能忽視細(xì)泥沙的造床作用。4 各水位方案對變動回水區(qū)河段航運(yùn)的影響三峽水庫建成后，萬噸級船隊(duì)能否到達(dá)重慶九龍坡碼頭，也是三峽工程蓄水水位方案需要論證的問題之一。試驗(yàn)表明，三峽水庫按175m水位方案運(yùn)用80年后，在水庫消落期3.5m水深的最小航寬不小于

16、150m，航道曲率半徑一般均大于1000m，水流流速也較建庫前大幅度降低，一般均小于2.5m/s。特別是窄深河段，如銅鑼?shí){、明月峽和黃草峽，建庫前的急流狀況大大緩解，寸灘流量30400m3/s時，流速均小于2.5m/s。九龍坡碼頭位于變動回水區(qū)中段，九龍坡以下河道形成了一條比較穩(wěn)定的深水航道，基本上滿足萬噸船隊(duì)對航道尺寸的要求。試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，個別淺灘段（如洛磧）在個別枯水年的水位消落后期，3.5m水深航道寬度最小僅80m，需疏浚擴(kuò)寬。某些淺灘段如九龍坡、金沙磧、金川磧的主航道在水庫運(yùn)用過程中發(fā)生倒槽，新航槽中的一些礁石需事先清除，以策航行安全。按180m水位方案運(yùn)行80年后，九龍坡以下航道

17、3.5m水深的最小航寬均在300m以上，航道曲率半徑均大于1100m，水流流速一般均小于2.5m/s，其航道條件較175m水位方案優(yōu)越，完全滿足萬噸船隊(duì)到達(dá)重慶九龍坡碼頭的要求。175m方案和180m方案都存在較嚴(yán)重的碼頭邊灘淤積問題，除佛耳巖港和長壽港外，幾乎所有重慶港碼頭、廠礦專用碼頭以及地方碼頭的前沿均出現(xiàn)大片邊灘，將嚴(yán)重影響碼頭作業(yè)。例如在175m水位方案中，九龍坡碼頭前沿出現(xiàn)了寬約50100m邊灘（灘面高程約170175m），原九龍坡碼頭作業(yè)區(qū)被淤廢需要新建。由于嘉陵江入?yún)R口的主流左擺，重慶朝天門港區(qū)嘉陵江沿岸14碼頭出現(xiàn)大片三角形邊灘（最大寬度達(dá)300m，高程約170m），原碼頭作

18、業(yè)區(qū)基本被淤廢亦需重建。5 175m水位方案的重慶洪水位三峽水庫長期運(yùn)用后，重慶市洪水位抬高值是由一維數(shù)學(xué)模型提供的?？紤]到數(shù)值中變動回水區(qū)河段糙率不易確定，加之，河道淤積數(shù)量及淤積部位對洪水位影響較大，數(shù)模成果宜在長模型中進(jìn)行驗(yàn)證。長模型在復(fù)演重慶1981年大洪水時（寸灘流量85700m3/s），水位最大誤差為0.22m，模型沙又嚴(yán)格遵守了各項(xiàng)相似比尺要求，特別是級配相似。河床淤積后，動床阻力也能滿足相似要求，因此，用長模型預(yù)報(bào)三峽水庫長期運(yùn)用后重慶市洪水位，具有較高的精度。由于變動回水區(qū)的下端位于長壽，模型尾門放在長壽并按一維數(shù)模的計(jì)算水位控制，并在175m方案80年淤積地形基礎(chǔ)上進(jìn)行水庫運(yùn)用100年的淤積試驗(yàn)。在100年淤積地形上分別觀測了洪水頻率為1、5和20（洪水流量分別為88700、75300和61400m3/s）的沿江水位，相應(yīng)頻率的重慶洪水位分別為200.85m、197.65m和194.04m。相應(yīng)頻率建庫前重慶洪水位分別為194.30、190.18和185.90m，即分別抬高6.55、7.47和8.14m。考慮到長模型試驗(yàn)的精度，洪水位的誤差為±0.5m。數(shù)學(xué)模型計(jì)算的重慶1頻率洪水位為199.09m，比長