三峡工程变动回水区泥沙淤积的试验研究

1、三峡工程变动回水区泥沙淤积的试验研究             摘要为研究三峡工程变动回水区的泥沙淤积.建造了长达800m的全沙试验模型.模型范围包括长江和嘉陵江约200km的天然河段.进行了清水、浑水验证以及蓄水位高程为175、180和156m的长系列模型试验.明确了各蓄水位方案下变动回水区河段的冲淤规律、泥沙淤积对该区航道和沿江港口的影响.为三峡工程的技术验证提供了科学依据。 关键词变动回水区 全沙模型 泥沙淤积 冲淤平衡 1 引 言 长江三峡工程于1994年正式动工兴建。

2、在此之前.对工程可行性进行过全面深入的论证。在论证工作中.直接影响可行性的一个关键问题，是变动回水区的泥沙淤积及其对该区航运的影响。由于这个原因，对变动回水区的泥沙淤积进行了大量的模型试验和一、二维数学模型计算工作。由于问题的复杂性和重要性.需要建立一个变动回水区的长泥沙模型.以期对整个变动回水区的泥沙淤积及其对航运的影响作出全面深入的研究。变动回水区内上、下游河段之间有着内在的联系。下游河段的淤积将影响其上游河段的水位.从而影响上游河段的淤积量；而上游河段的淤积又将影响进入其下游河段的泥沙数量，从而影响其下游河段的淤积量。当进行河道整治试验研究时.这种上、下游之间的相互影响将更为强烈。进行变

3、动回水区全河段长模型试验.就可较好地研究并解决这个问题。长模型的进口可置于变动回水区之上，不受囤水影响.其来沙量与天然情况下相同。模型的出口可做到变动回水区以下.位于常年水位之中。在常年回水区中，由于水面比降小.对河床糙率不敏感，因而，可由数学模型提供准确的模型出口水位。由于泥沙运动的复杂性，在整个变动回水区长泥沙模型中准确地复演泥沙运动及冲淤变化是很困难的。我国于70年代围绕着长江葛洲坝工程泥沙的研究，开展了大规模的泥沙模型试验工作，使泥沙模型得到了迅速发展和完善。并能在一个模型中，同时复演悬沙和底沙（包括卵石在内）的运动，从而掌握了进行全沙模型的试验技术。然而，葛洲坝的泥沙模型（包括全沙模

4、蟹）仅限于复演较短的局部河段中的泥沙运动和冲淤变化。故对于进行整个变动回水区的长河段泥沙模型试验是否可行，必然有不少疑虑。进行长河段泥沙模型在技术上的主要困难是对模型的相似条件要求非常严格。只有各种相似条件能相应得到满足时，才有可能达到全河段各个部位的冲淤相似。因此，需要进一步提高泥沙模型试验和操作技术，以便更好地研究三峡工程变动回水区全河段的泥沙淤积情况及对该区航运的影响。模型范围上起江津附近的青草背（航行里程725km），下至涪陵附近的剪刀峡（航行里程550km），并包括嘉陵江18km（见图1）。自1985年按受三峡工程变动回水区全河段泥沙模型试验任务以来，完成了近800m长的模型制做、水

5、流和泥沙冲淤验证、三峡大坝蓄水175m方案80年长系列淤积试验、水库运行100年后重庆洪水位抬高问题、蓄水180m方案80年长系列淤积试验以及175m水位方案中前期按156m水位运行30年等试验工作，为长江三峡工程的技术论证工作提供了可靠的科学依据。航行里程系指距离宜昌港的距离。 图1 三峡工程变动回水区河势1、青草背 2、大中坝 3、大猫峡 4、渔洞溪 5、茄子溪 6、九龙滩 7、猪儿碛 8、重庆9、寸滩10、铜锣峡11、明月峡 12、上洛碛13、下洛碛 14、长寿 15、黄草峡16、金川碛 17、牛屎碛 18、剪刀峡Fig. 1 Varying backwater zone of Thre

6、e Gorges Project2 模型设计和验证长江水量大，沙量也大。河道迂回多弯，河床宽窄相间.坡陡流急，岸边石嘴、石梁众多，地形和流态均十分复杂。据寸滩水文站实测资料统计，泥沙年输移量约4.6亿t.泥沙粒径分布很广，从0.005mm以下直至200mm以上1。各种粒径的泥沙.其运动形式不同，淤积部位也不同。只有在一个模型中同时复演各种粒径泥沙的输移，才能更好地反映建库后河道各部位泥沙淤积的实际情况，因此，采用全沙模型相似理论2设计泥沙运动的相似比尺。在模型设计中，除水流处于阻力平方区和满足重力相似、阻力相似，悬沙满足沉降、扬动和挟沙能力相似，底沙（包括卵石）满足起动、沉降和输移量相似外，还

7、着重研究了悬沙和底沙级配相似。计算表明，当模型的平面比尺L选用250和垂直比尺H选用100时，并采用比s1.46t/m3的电木粉作为模型沙，各相似比尺要求能得到较好的满足（见表1）。表1 模型比尺汇总表注：冲淤时间比尺t采用120；模型沙s1.46t/m3；悬沙500.026mm；底沙500.12mm；卵石503mm。Tab. 1 Summary of Similarity scales for model悬沙和底沙级配相似是全沙模型试验的关键。为保证原型沙和模型沙级配相似，在设计模型沙级配时，采用了文献3中的统一沉降公式。将原型沙分为若干组，第i粒径组的直径为p，i，相应沉降速度p，i，可由

8、下列公式计算其中，s泥沙比重；水的比重；g重力加速度；ei沉降雷诺数。由沉降相似要求可得到第i粒径组原型沙相对应的模型沙的沉速m，i，并由（1）、（2）和（3）式进一步计算得到模型沙粒径m，i 。因此，模型沙的粒径比尺d与原型沙的粒径有关。当原型沙的粒径范围为0.0051.0mm时，粒径比尺的范围为1.062.15。其中，H水深；V流速；50床沙中值粒径。在满足重力相似和采用满足相似要求的电木粉作为模型沙的条件下，由（4）式可得到n1.311.38，与阻力相似所要求的糙率比尺1.36基本一致，因此，动床的阻力相似是满足的。在江津至剪刀峡近200km长江河道中，有大中坝、中堆、九龙滩、上洛碛、王

9、家滩、金川碛和牛屎碛等着名宽浅滩，支流嘉陵江上还有石门和金沙碛两个宽浅段（参见图1）。在这10个宽浅段上，在一个水文年内，实测了39月的泥沙淤积量和910月的泥沙冲刷量。在模型中，模拟了实测水文年的来水来沙过程，并在模型相应10个宽浅河段，实测了39月的泥沙淤积量和910月的冲刷量。试验结果表明，模型淤积量和冲刷量与原型基本一致，误差一般在30以内。原型河道宽浅汛期淤积、汛后冲刷，并在一个水文年内基本平衡的冲刷规律在模型中得到了较好的模拟，模型设计能反映原型河道的河床演变过程。         3 三峡工程各蓄水水

10、位方案的泥沙淤积三峡工程的重点论证方案为一级开发、一次建成、分期蓄水和连续移民的建设方案。在长模型中重点论证的有3种库水位运行方案（见表2）。各方案能否成立的关键，在于三峡水库按3种水位方案长期运行时变动回水区河段的泥沙淤积情况。表2长模型论证方案基本参数注：（1）方案为方案初期运行方案，仅运行10年，其后按方案运行，但在试验中运行了30年。 （2）尾门水位由长江科学院一维数模计算提供。Tab.2 Control parameters for at different selections 三峡水库蓄水后，变动回水区河道水位沿程抬高，流速普遍减小，河道的输沙能力随之降低。变动回水区河道的宽浅河

11、段（往往是浅滩所在地）在蓄水前汛期是淤积的，汛后冲刷走沙，但蓄水后水库蓄水缩短了汛后冲刷时间，汛期淤积的泥沙在汛末不能全部冲走，变动回水区河段发生累积性淤积。泥沙淤积的数量与三峡水库水位运行方案和运行时间有关。各方案在变动回水区河段内泥沙淤积数量见表3。可见，三峡水岸按175m方案运行80年，变动回本区河段共淤积7.68亿m3；按180m方案运行80年共淤积9.76亿m3，增加2.08亿m3的淤积量。三峡水库按156m低水位运行时，30年共淤积4.36亿m3。各水位方案变动回水区河段的淤形态基率一致，差别在于淤积数量不同。各蓄水水位方案的变动回水区河段的泥沙冲淤规律（1）三峡水库不论按何种水位

12、运行，变动回水区均发生累积性淤积，淤积速率随水库运用年限的增长而减缓，并在淤积过程中河道向单一、规顺、微弯和高滩深槽发展，并最终达到新的平衡。从图2的重庆河段在三峡水库按175m水位方案运行80年后的主要淤积部位图可见，主槽淤积较少，而边滩及回水沱或副汊则淤积较多。（2）变动回水区淤积数量的分布与河床平面形态密切相关，宽浅河段（包括分汊河段）淤积较多，而窄深峡谷段淤积少。如三峡水库按175m水位运行80年，铜锣峡、明月峡和黄草峡每公里的淤积量仅为邻近宽浅段的830，其原因是汛期的累积性淤积主要发生在宽浅河段上。表3 各水位运行方案变动回水区淤积汇总注：（1）方案和方案长江段为红花碛至黄草峡，方

13、案为铜锣峡至牛屎碛；（2）嘉陵江段为入汇口至滋器口；（3）重庆河段为李家沱至铜锣峡。Tab.3 Summary of deposition quantities on varying backwater zone at different elevation selections图2 重庆河段淤积形态（175m方案，80年）Fig.2 Sketch deposition pattern on Chongqing reach（HRE 175m，80 years）（3）淤沙粒径沿程分布的总趋势是上游河段粒径粗.越向下游粒径越细。最粗的卵石主要淤积在变动区的上端。因此，变动回水区河段的水力分选作用明

14、显。变动回水区上端淤积相对较少，而下端淤积较多，主槽淤积较少，而边滩淤积较多。以175m水位方案为例，在7.68亿m3的总淤积量中，30淤积在主槽中，70淤在边滩。（4）随着泥沙的累积性淤积，变动回水区原卵石河床逐渐为泥沙覆盖，河床糙率随之降低，水面比降也随之减小。以175m水位方案为例，建库前寸滩流量30400m3/s时，重庆至长寿河段的水面平均比降为2.0×10-4，水库运用30年、50年和80年后，其水面计算比降分别为建库前的69.0、61.5和61.0；水库运用80年后，重庆以上河段的河床糙率系数相当于建库前的85，重庆以下河段为75。（5）细泥沙在变动回水区河段中的造床作用

15、不可忽略。淤沙的粒径分析表明，各种颗粒的泥沙都参与了变动回水区的累积性淤积。以175m水位方案为例，在7.65亿m3的全部淤沙中，小于0.05mm的细沙为2.46亿m3，占总量的32.0。在180m水位运行80年的试验中，细泥沙占更大的比例，在9.76亿m3的总淤积量中小于0.05mm的细沙为5.37亿m3，占55。这说明，三峡水库运行水位越高，越不能忽视细泥沙的造床作用。4 各水位方案对变动回水区河段航运的影响三峡水库建成后，万吨级船队能否到达重庆九龙坡码头，也是三峡工程蓄水水位方案需要论证的问题之一。试验表明，三峡水库按175m水位方案运用80年后，在水库消落期3.5m水深的最小航宽不小于

16、150m，航道曲率半径一般均大于1000m，水流流速也较建库前大幅度降低，一般均小于2.5m/s。特别是窄深河段，如铜锣峡、明月峡和黄草峡，建库前的急流状况大大缓解，寸滩流量30400m3/s时，流速均小于2.5m/s。九龙坡码头位于变动回水区中段，九龙坡以下河道形成了一条比较稳定的深水航道，基本上满足万吨船队对航道尺寸的要求。试验过程中也发现，个别浅滩段（如洛碛）在个别枯水年的水位消落后期，3.5m水深航道宽度最小仅80m，需疏浚扩宽。某些浅滩段如九龙坡、金沙碛、金川碛的主航道在水库运用过程中发生倒槽，新航槽中的一些礁石需事先清除，以策航行安全。按180m水位方案运行80年后，九龙坡以下航道

17、3.5m水深的最小航宽均在300m以上，航道曲率半径均大于1100m，水流流速一般均小于2.5m/s，其航道条件较175m水位方案优越，完全满足万吨船队到达重庆九龙坡码头的要求。175m方案和180m方案都存在较严重的码头边滩淤积问题，除佛耳岩港和长寿港外，几乎所有重庆港码头、厂矿专用码头以及地方码头的前沿均出现大片边滩，将严重影响码头作业。例如在175m水位方案中，九龙坡码头前沿出现了宽约50100m边滩（滩面高程约170175m），原九龙坡码头作业区被淤废需要新建。由于嘉陵江入汇口的主流左摆，重庆朝天门港区嘉陵江沿岸14码头出现大片三角形边滩（最大宽度达300m，高程约170m），原码头作

18、业区基本被淤废亦需重建。5 175m水位方案的重庆洪水位三峡水库长期运用后，重庆市洪水位抬高值是由一维数学模型提供的。考虑到数值中变动回水区河段糙率不易确定，加之，河道淤积数量及淤积部位对洪水位影响较大，数模成果宜在长模型中进行验证。长模型在复演重庆1981年大洪水时（寸滩流量85700m3/s），水位最大误差为0.22m，模型沙又严格遵守了各项相似比尺要求，特别是级配相似。河床淤积后，动床阻力也能满足相似要求，因此，用长模型预报三峡水库长期运用后重庆市洪水位，具有较高的精度。由于变动回水区的下端位于长寿，模型尾门放在长寿并按一维数模的计算水位控制，并在175m方案80年淤积地形基础上进行水库运用100年的淤积试验。在100年淤积地形上分别观测了洪水频率为1、5和20（洪水流量分别为88700、75300和61400m3/s）的沿江水位，相应频率的重庆洪水位分别为200.85m、197.65m和194.04m。相应频率建库前重庆洪水位分别为194.30、190.18和185.90m，即分别抬高6.55、7.47和8.14m。考虑到长模型试验的精度，洪水位的误差为±0.5m。数学模型计算的重庆1频率洪水位为199.09m，比长