水利工程论文-三峡水库建成后下荆江河型变化趋势的研究.doc

水利工程论文-三峡水库建成后下荆江河型变化趋势的研究摘要：三峡水库建成后，长江中下游河道将遭受长河段、长时期冲刷，河床河性会发生很大变化。那时各河段的河型是否仍能保持，特别是最为关心的下荆江蜿蜒性河型能否维持，这对防洪和航运是非常重要的。本文在研究丹江口水库下游汉江弯曲（蜿蜒）河段在长期冲刷后的河床变形和河型是否变化以及荆江裁弯后下荆江中的蜿蜒性变化能够维持的基础上，结合三峡水库修建后在长期冲刷过程中，下荆江水沙及河床变化特点，较深入地研究了影响河型变化的各方面的因素，最后认为将来需要的坡降富余，主要靠冲刷不平衡导致的落差减少来平衡，蜿蜒性河型能维持，但曲折率会有所减少；河道会展宽，但河相系数不会加大，没有向微弯顺直河型发展的趋势。关键词：河弯河型蜿蜒性河型变化河床演变1关于下荆江蜿蜒河型是否变化的已有研究在“七五”和“八五”期间对三峡建成下游河道长期冲刷后，下荆江河型是否变化，以及如何变化，共有三种看法。第一种认为1下荆江将来在冲刷后会继续蜿蜒，曲折率会加大。理由是，冲刷时深切和展宽虽同时发展，但是由于深切会减少三口分流比，加大下荆江流量，从而加大挟沙能力。在三峡水库下泄低含沙量水流条件下，深切较之侧蚀有助于减小三口流量，加大下荆江流量，从而较难制约冲刷的发展。因此，如果认为河流自动调整是以较快速度取得平衡，则在自动调整过程中侧蚀将有相当的发展，曲折系数不应该减小，而应该是加大，或者至少具有加大的趋势。按照这种概念和河型判别的经验关系，文献1中的论文还认为当曲折率大于1.5时即为蜿蜒型，小于1.25为游荡型，而在1.251.5之间为过渡型。而按此经验关系，求得下荆江目前的曲折率为2.16，将来长期冲刷后(约50年)为2.41。需要说明的是，此处曲折率不是由实际资料得到的，而是由河型判别指标按经验关系间接推出的。第二种看法2认为冲刷后，下荆江可能向微弯分汊河型发展。这种看法的理由为，在冲刷过程中，深蚀与侧蚀虽然同时进行，但是由于在凹岸冲刷的同时，水库下泄泥沙减少，凸岸淤积得不到相应发展，河道将展宽，水流逐渐分散，到一定程度，主流易摆动，难以形成单一弯道。甚至向微弯分汊河型发展，其次，从坡降调整看，将来是通过床沙粗化，河床拓宽，发展分汊以加大阻力来进行，不一定要增加河长。第三种看法3，4认为河型基本维持现状。具体说既不进一步蜿蜒(曲折率加大)；也不可能转为分汊河型。其理由是，一方面下荆江径流扩大，水流动力轴线曲率半径不会减小，曲折率难以加大；另一方面，三峡水库主要拦截d0.025mm的泥沙，且削峰机会很少，故高漫滩淤积的泥沙并不减少，凸岸还滩并不会很难，发展微弯分汊河型并不可能。至于将来冲刷过程中坡降的富余不是靠河长增加，主要是靠藕池口与城陵矶之间的落差减小，当然床沙变粗等加大阻力也有一定作用。由于河型在相当程度上决定了河势、河床演变,对防洪、航运等有相当影响，值得重视，应予专门研究。有一种看法认为下荆江将来有可能通过护岸，强行控制河势及河型，故河型变化的趋势研究与否似乎无关紧要。这种看法其实是不对的。只有顺应河型变化的大格局，整治工程量才会小，维持才容易。事实上，如果将来河型是继续蜿蜒，在河势规划中必须留有河长增加的余地，否则只有如密西西比河格林维尔段那样5，依靠强固的护岸工程,才能维持连续裁去三个弯道后的外形，但河底深槽浅滩数目仍然未变，以消耗多余的能量（河长缩短59%）。反之，如果将来河型是拓宽而成顺直分汊，则不急于护岸，甚至要留有一定堤距让其拓宽，再进行治理。本文将根据丹江口水库下游弯曲(蜿蜒)河型变化趋势，和下荆江人工裁弯后河型是否变化等资料，通过理论分析，进行讨论。2丹江口水库下游汉江冲刷过程中，弯曲和蜿蜒河段河型变化研究2.1汉江中下游弯曲河段变形6汉江下游皇庄至泽口河段，一般认为是过渡段。即在上段分汊河型和下段蜿蜒河型之间的过渡段。该段既有分汊、顺直微弯，又有弯曲段。其中弯曲段由于控制少(或仅一岸有控制)或河宽较大，大都属于自由河弯。在修建水库后，这些河弯的变形主要是撇弯，个别也产生复凹(即恢复原来的主流贴凹岸流路)。据1978年测图，该段主要的河弯有14个，而在1980年调查时，其中8个发生了不同程度的撇弯和切滩。撇弯常常是以凸岸心滩（边滩）转化成凹岸心滩，以及弯顶下移而实现。当然，此时凸岸边滩(甚至凸岸)则发生冲刷崩塌，并且多是凸岸的支汊变为主汊。当有两个江心洲时，有时可能是中汊扩大。从动力轴线弯曲半径改变看，撇弯可分为整体撇弯与局部撇弯(图1)。局部撇弯只是顶冲点下移，动力轴线的弯曲半径有所减小；整体撇弯是水流取直，原弯道基本上被撇掉，动力轴线的弯曲半径增加。目前在皇庄以下的自由河弯中，局部撇弯是主要的，与撇弯相反，有时凹岸边滩被冲走，水流动力轴线重新贴凹岸而复凹。2.1.1撇弯切滩的实例6图1Thetypeofmainflowlinemoving(1)聂家场弯道变化情况从图2中看出，蓄水前1958年和刚蓄水的1966年均为较为规则的河弯，河槽宽较窄，其中无弯道心滩和边滩。1977年凸岸崩退，出现靠凹岸心滩，并且在弯道进口主槽中有一系列小心滩，此时，曲率半径有所减小。1980年调查时，进口段小心滩和原凹岸心滩扩大为边滩，凸岸继续崩退，主流仍然靠凸岸，维持了撇弯。1996年调查时，基本维持了1980年的格局。图2聂家场弯道河势变化略图ChangesofmaincurrentsinNiejiachangbend(2)流港弯道变化情况从图3可看出，建库前1959年弯道河槽特别开阔，凹岸心滩很大，主槽虽很窄，但仍贴凹岸。1969年河宽与凹岸心滩均缩小，而且发生了撇弯。1977年凹岸心滩扩大，继续维持撇弯。约1977年至1979年三年枯水，1980年调查时，凹岸心滩继续扩大，缩窄凸岸水道，发生复凹，曲率半径减小。(3)狮子滩弯道图4为狮子滩弯道演变情况。1968年为一大的心滩，横亘整个弯道,主流走凹岸,凸岸仅一小套。1978年原弯道心滩上段冲蚀，凹岸主槽进口淤积很多小心滩，堵塞流路，致使发生撇弯。1980年调查时，心滩扩大，但主流仍贴凸岸而撇弯。1996年调查时，该河弯仍维持撇弯，只是凸岸主槽已适当展宽和规顺。图3流港弯道河势变化略图ChangesofmaincurrentsinLiugangbend图4狮子滩弯道河势变化略图ChangesofmaincurrentsinShizitanbend(4)姚家集弯道从图5看出，1959年弯道进口窄，主流贴凹岸。1969年弯道上段凸岸大幅度展宽，但凹岸进口边滩向江中相应伸出，从而使进口河宽增加不多，此时仍紧贴凹岸。1977年凹岸进口被一些小的心滩堵塞，凸岸大幅度崩塌，从而发生撇弯，主流贴凸岸，曲率半径减小。1980年调查时，凹岸心滩扩大，凸岸也有两心滩，主流入弯点仍靠凸岸，但走中汊而过渡到凹岸，仍维持撇弯现状。此弯道的特点是弯道下段河槽窄，无展宽现象。(5)兴隆镇弯道图6显示，该弯道在1969年有一大的心滩,主流紧贴凹岸。1978年心滩上段淤高转为凹岸边滩；下段冲蚀，发生撇弯，但主流居中，曲率半径减小。1980年调查时，弯道顶点附近有一贴凹岸心滩，中间又有一小滩，继续撇弯，主流靠凸岸，凸岸有明显崩塌，曲率半径加大。2.1.2丹江口水库修建后下游汉江撇弯的原因及机理图5姚家集弯道河势变化略图ChangesofmaincurrentsinYaojiajibend从上述例子看出,修建水库后，撇弯多的原因，主要有三点。第一，造床流量减小，弯道河槽平衡过水面积有一定富余，从而使弯道内出现心滩淤积。据研究，丹江口蓄水后，该段（利河口）造床流量减少25.5%注1,它将导致河宽减少13.7%，为泥沙淤积在弯道成滩提供了空间。这正是在1978年测图的14个弯道中，几乎没有不存在边滩和心滩的原因。第二，由于水库基本拦蓄了汉江上游全部的细沙，加之冲刷使床沙变粗，致使悬移质比例减少，推移质比例加大。例如，1975年皇庄至仙桃，d0.1mm的泥沙淤下890万t；尽管此时河床平衡，但床面厚约0.11m的d0。1mm的粗颗粒，床沙通过这种交换发生明显粗化，从而使中小洪水推移质数量增加。推移质运行较慢，在运行过程中，不断与床沙交换，中、枯水水流归槽后常以局部三角洲形式向前推进，而堵塞凹岸流路，将水流逼向凸岸。例如，上述五个例子中，撇弯时均出现了凹岸进口心滩淤积。第三，由于蓄水后，常年多为中水流量(8001500m3/s),河槽动力轴线主要受这一级流量控制，而且冲淤部位颇为稳定。如建库前,河弯主要受洪水控制，则建库后，动力轴线的曲率半径有减小趋势，可能发生局部撇弯。图5姚家集弯道，原河宽窄，曲率半径大，显然受洪水控制，蓄水后发生了数次局部撇弯。再如,兴隆镇弯道(图6)、聂家场弯道(图2)也如此。反之，如建库前为枯水贴弯，洪水走直，则建库后，动力轴线曲率半径有加大趋势，可能发生整体撇弯。如流港(图3)，建库前弯道明显受枯水控制，建库后由于动力轴线曲率半径加大，1969年、1977年测图上均发生整体撇弯，但是经19771979枯水年，曲率半径减小，又产生了复凹。再如，狮子滩(图4)也有类似情况。上述三个原因中，造床流量减小使河弯淤出心洲(边滩)是基本的。较粗颗粒泥沙堆积部位的影响，和动力轴线曲率半径的变化，则是稍次的因素。特别是后者，不是十分灵敏。但是这三种因素结合起来，就使丹江口建库后汉江河弯发生了较普遍的撇弯现象。附带说明，在天然条件下，由于洪枯水流量变幅大，有的弯道是受枯水控制，洪水期或大洪水年发生整体撇弯；枯水期或枯水年发生了复凹也是有的，但这种现象多为年内周期变化，枯水期仍贴凹岸。就枯水期而言，变化不大。只有经过大的洪水年才有较明显的变化，所以在建库前，撇弯的现象并不是很多。图6兴隆镇弯道河势变化略图ChangesofmaincurrentsinXinlongzhenbend从上述丹江口水库修建后，汉江自由河弯变化，以切滩撇弯为主的事实，是否对其弯曲河型会有什么影响？继续发展是否会导致河型有所改变？从上面的分析来看，目前还不能得出这样的结论。原因有三。第一，由于造床流量减小，平衡过水面积减小，弯道内可能出现心滩、边滩。但是由于河道展宽，撇弯切滩受到河岸等限制，所以不易变成顺直(微弯)分汊河型。第二，水库修建后，中水流量历时增长，曲率半径较之枯水期控制的河弯有所加大，故多产生整体撇弯、切滩；但是较之建库前洪水期，曲率半径是偏小的，所以不易改变洪水期控制的河弯和一般弯道的大格局；而且中水长期较稳定的流动易于河弯的维持。第三，中水流量延长，会使变差系数减小，输沙能力和河床变形能力降低，看来，不利于发展成较宽浅分汊河型；但是与此同时，由于细沙数量和大流量减少，凸岸还滩颇难，不可能像天然条件下那样取得凹岸冲刷和凸岸淤积达到平衡，而能成为较典型的弯道断面形态。显然，这两者对河型的影响有一定的抵销作用。综合上述三点，弯道河型可能基本维持现状。当然，在维持一些河弯的格局下，也会有一些变化；具体是，部分河弯曲率半径稍大，深槽和浅滩水深有所拉平，弯道环流作用可能略有减弱。其中，深槽和浅滩水深变化可见文献6。该文献根据沙洋至泽口河段1968年与1978年深泓点高程看出两点趋势：一是经冲刷后的1978年纵剖面图最深点高程(深槽高程)增加；二是浅滩高程与深槽高差减小邓浅滩高程增加更多。总之，沿程河底起伏减小，说明了断面沿程均匀性加大，似表明弯道形成的深槽与浅滩高差大的现象有所减弱，也就是弯道作用有所减弱。2.2泽口以下蜿蜒型河道变化2.2.1蜿蜒河道变化情况汉江下游泽口至武汉为蜿蜒河道。其实称为蜿蜒河道主要是弯道较多，曲折率为1.897，但是河道蜿蜒蠕动却因两岸堤防紧锁，受到较严格限制。丹江口水库修建后，该段河道变形为：河槽普遍发生冲刷，有一定冲深，也有展宽趋势。据文献8，泽口至汉川全长162km，自1960年至1984年共冲刷3265万m3，按300m宽度，则平均冲深0.67m。而据文献9统计1960年至1983年部分断面，泽口至仙桃河底平均高程冲深1.81m，仙桃至河口平均冲深1.30m。相应的深泓高程冲深分别为2.66m和2.43m10。同样据文献10对部分断面统计，泽口至仙桃断面展宽占75.5%，仙桃至河口展宽占95%。但是从一些数据看，冲刷前后河相系数并未加大。由于冲刷和展宽，使该河段洲滩有所冲蚀，河岸崩岸有所加剧。但目前未看出该段蜿蜒河型有明显变化趋势。2.2.2蜿蜒河道变形情况分析建库前形成这一段蜿蜒性河型的原因，除节点少及两岸沉积物有二元结构外，看来最主要是受河口长江水位的影响。为了适应长江水位变化，新沟最大水位变幅15.07m，仙桃最大水位变幅为13.43m7，此值几乎为分汊段黄家港最大水位变幅6.20m和碾盘山最大水位变幅6.81m的二倍10。由于水位变幅大，加之不断受到顶托与自由流动交错影响，加大了冲淤，最后必定形成窄深断面，同时按照横向流速与单宽流量成正比的关系，则窄深河段必定单宽流量大，从而加大了环流作用而成蜿蜒河型。并且由于冲淤交替，大水顶托明显，两岸滩上淤积泥