三峽工程變動回水區泥沙淤積論文

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摘要摘要：為探究三峽工程變動回水區的泥沙淤積.建造了長達800m的全沙試驗模型.模型范圍包括長江和嘉陵江約200km的天然河段.進行了清水、渾水驗證以及蓄水位高程為175、180和156m的長系列模型試驗.明確了各蓄水位方案下變動回水區河段的沖淤規律、泥沙淤積對該區航道和沿江港口的影響.為三峽工程的技術驗證提供了科學依據。

摘要：變動回水區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。在此之前.對工程可行性進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鍵新問題，是變動回水區的泥沙淤積及其對該區航運的影響。由于這個原因，對變動回水區的泥沙淤積進行了大量的模型試驗和一、二維數學模型計算工作。由于新問題的復雜性和重要性.需要建立一個變動回水區的長泥沙模型.以期對整個變動回水區的泥沙淤積及其對航運的影響作出全面深入的探究。變動回水區內上、下游河段之間有著內在的聯系。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入其下游河段的泥沙數量，從而影響其下游河段的淤積量。當進行河道整治試驗探究時.這種上、下游之間的相互影響將更為強烈。進行變動回水區全河段長模型試驗.就可較好地探究并解決這個新問題。長模型的進口可置于變動回水區之上，不受囤水影響.其來沙量和天然情況下相同。模型的出口可做到變動回水區以下.位于常年水位之中。在常年回水區中，由于水面比降小.對河床糙率不敏感，因而，可由數學模型提供準確的模型出口水位。

由于泥沙運動的復雜性，在整個變動回水區長泥沙模型中準確地復演泥沙運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探究，開展了大規模的泥沙模型試驗工作，使泥沙模型得到了迅速發展和完善。并能在一個模型中，同時復演懸沙和底沙（包括卵石在內）的運動，從而把握了進行全沙模型的試驗技術。然而，葛洲壩的泥沙模型（包括全沙模蟹）僅限于復演較短的局部河段中的泥沙運動和沖淤變化。故對于進行整個變動回水區的長河段泥沙模型試驗是否可行，必然有不少疑慮。進行長河段泥沙模型在技術上的主要困難是對模型的相似條件要求非常嚴格。只有各種相似條件能相應得到滿足時，才有可能達到全河段各個部位的沖淤相似。因此，需要進一步提高泥沙模型試驗和操作技術，以便更好地探究三峽工程變動回水區全河段的泥沙淤積情況及對該區航運的影響。

模型范圍上起江津四周的青草背（航行里程①725km），下至涪陵四周的剪刀峽（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全河段泥沙模型試驗任務以來，完成了近800m長的模型制做、水流和泥沙沖淤驗證、三峽大壩蓄水175m方案80年長系列淤積試驗、水庫運行100年后重慶洪水位抬高新問題、蓄水180m方案80年長系列淤積試驗以及175m水位方案中前期按156m水位運行30年等試驗工作，為長江三峽工程的技術論證工作提供了可靠的科學依據。

①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、銅鑼峽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.1VaryingbackwaterzoneofThreeGorgesProject

2模型設計和驗證

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，地形和流態均十分復雜。據寸灘水文站實測資料統計，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.其運動形式不同，淤積部位也不同。只有在一個模型中同時復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際情況，因此，采用全沙模型相似理論［2］設計泥沙運動的相似比尺。在模型設計中，除水流處于阻力平方區和滿足重力相似、阻力相似，懸沙滿足沉降、揚動和挾沙能力相似，底沙（包括卵石）滿足起動、沉降和輸移量相似外，還著重探究了懸沙和底沙級配相似。

計算表明，當模型的平面比尺λL選用250和垂直比尺λH選用100時，并采用比γs＝1.46t/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。

懸沙和底沙級配相似是全沙模型試驗的關鍵。為保證原型沙和模型沙級配相似，在設計模型沙級配時，采用了文獻［3］中的統一沉降公式。將原型沙分為若干組，第i粒徑組的直徑為dp，i，相應沉降速度ωp，i，可由下列公式計算

其中，γs—泥沙比重；γ—水的比重；g—重力加速度；Rei—沉降雷諾數。由沉降相似要求可得到第i粒徑組原型沙相對應的模型沙的沉速ωm，i，并由（1）、（2）和（3）式進一步計算得到模型沙粒徑dm，i。因此，模型沙的粒徑比尺λd和原型沙的粒徑有關。當原型沙的粒徑范圍為0.005～1.0mm時，粒徑比尺的范圍為1.06～2.15。

在制模中，對于關鍵的局部微地形亦進行了精細的塑造，保證了幾何相似條件。原型河床糙率約為0.03～0.10.模型的糙率為0.022～0.074。模型河床采用梅花形排列的橡皮加糙。水面線驗證試驗表明，在寸灘流量為3150～21810m3/s范圍內.水位誤差一般在10cm以內（已換算成原型水位）個別站最大誤差不超過20cm。為了驗證邊壁糙率，施放了寸灘站85700m3/s洪水流量，模型水位誤差小于22cm。三峽建岸以后，河床將發生累積性泥沙淤積，動床糙率能否保證相似也是一個至關重要的新問題。動床糙率一般由沙粒糙率和沙坡糙率所組成。R.J.Garde［4］在大量試驗和原觀的基礎上，給出動床糙率系數Frs在0.1～1.0范圍摘要：

其中，H—水深；V—流速；d50—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λn＝1.31～1.38，和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、王家灘、金川磧和牛屎磧等聞名寬淺灘，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，實測了3～9月的泥沙淤積量和9～10月的泥沙沖刷量。在模型中，模擬了實測水文年的來水來沙過程，并在模型相應10個寬淺河段，實測了3～9月的泥沙淤積量和9～10月的沖刷量。試驗結果表明，模型淤積量和沖刷量和原型基本一致，誤差一般在30％以內。原型河道寬淺汛期淤積、汛后沖刷，并在一個水文年內基本平衡的沖刷規律在模型中得到了較好的模擬，模型設計能反映原型河道的河床演變過程。

3三峽工程各蓄水水位方案的泥沙淤積

三峽工程的重點論證方案為一級開發、一次建成、分期蓄水和連續移民的建設方案。在長模型中重點論證的有3種庫水位運行方案（見表2）。各方案能否成立的關鍵，在于三峽水庫按3種水位方案長期運行時變動回水區河段的泥沙淤積情況。

（2）尾門水位由長江科學院一維數模計算提供。

Tab.2Controlparametersforatdifferentselections

三峽水庫蓄水后，變動回水區河道水位沿程抬高，流速普遍減小，河道的輸沙能力隨之降低。變動回水區河道的寬淺河段（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，變動回水區河段發生累積性淤積。泥沙淤積的數量和三峽水庫水位運行方案和運行時間有關。各方案在變動回水區河段內泥沙淤積數量見表3。可見，三峽水岸按175m方案運行80年，變動回本區河段共淤積7.68億m3；按180m方案運行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低水位運行時，30年共淤積4.36億m3。各水位方案變動回水區河段的淤形態基率一致，差別在于淤積數量不同。各蓄水水位方案的變動回水區河段的泥沙沖淤規律如下摘要：

（1）三峽水庫不論按何種水位運行，變動回水區均發生累積性淤積，淤積速率隨水庫運

用年限的增長而減緩，并在淤積過程中河道向單一、規順、微彎和高灘深槽發展，并最終達到新的平衡。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）變動回水區淤積數量的分布和河床平面形態密切相關，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水位運行80年，銅鑼峽、明月峽和黃草峽每公里的淤積量僅為鄰近寬淺段的8％～30％，其原因是汛期的累積性淤積主要發生在寬淺河段上。

（2）嘉陵江段為入匯口至滋器口；

（3）重慶河段為李家沱至銅鑼峽。

Tab.3Summaryofdepositionquantitiesonvaryingbackwaterzoneatdifferentelevationselections

Fig.2SketchdepositionpatternonChongqingreach（HRE175m，80years）

（3）淤沙粒徑沿程分布的總趨向是上游河段粒徑粗.越向下游粒徑越細。最粗的卵石主要淤積在變動區的上端。因此，變動回水區河段的水力分選功能明顯。變動回水區上端淤積相對較少，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，水庫運用30年、50年和80年后，其水面計算比降分別為建庫前的69.0％、61.5％和61.0％；水庫運用80年后，重慶以上河段的河床糙率系數相當于建庫前的85％，重慶以下河段為75％。

（5）細泥沙在變動回水區河段中的造床功能不可忽略。淤沙的粒徑分析表明，各種顆粒的泥沙都參和了變動回水區的累積性淤積。以175m水位方案為例，在7.65億m3的全部淤沙中，小于0.05mm的細沙為2.46億m3，占總量的32.0％。在180m水位運行80年的試驗中，細泥沙占更大的比例，在9.76億m3的總淤積量中小于0.05mm的細沙為5.37億m3，占55％。這說明，三峽水庫運行水位越高，越不能忽視細泥沙的造床功能。

4各水位方案對變動回水區河段航運的影響

三峽水庫建成后，萬噸級船隊能否到達重慶九龍坡碼頭，也是三峽工程蓄水水位方案需要論證的新問題之一。試驗表明，三峽水庫按175m水位方案運用80年后，在水庫消落期3.5m水深的最小航寬不小于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。非凡是窄深河段，如銅鑼峽、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中段，九龍坡以下河道形成了一條比較穩定的深水航道，基本上滿足萬噸船隊對航道尺寸的要求。試驗過程中也發現，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，需疏浚擴寬。某些淺灘段如九龍坡、金沙磧、金川磧的主航道在水庫運用過程中發生倒槽，新航槽中的一些礁石需事先清除，以策航行平安。按180m水位方案運行80年后，九龍坡以下航道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水位方案優越，完全滿足萬噸船隊到達重慶九龍坡碼頭的要求。

175m方案和180m方案都存在較嚴重的碼頭邊灘淤積新問題，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大片邊灘，將嚴重影響碼頭作業。例如在175m水位方案中，九龍坡碼頭前沿出現了寬約50～100m邊灘（灘面高程約170～175m），原九龍坡碼頭作業區被淤廢需要新建。由于嘉陵江入匯口的主流左擺，重慶朝天門港區嘉陵江沿岸1?！?＃碼頭出現大片三角形邊灘（最大寬度達300m，高程約170m），原碼頭作業區基本被淤廢亦需重建。

5175m水位方案的重慶洪水位

三峽水庫長期運用后，重慶市洪水位抬高值是由一維數學模型提供的。考慮到數值中變動回水區河段糙率不易確定，加之，河道淤積數量及淤積部位對洪水位影響較大，數模成果宜在長模型中進行驗證。長模型在復演重慶1981年大洪水時（寸灘流量85700m3/s），水位最大誤差為0.22m，模型沙又嚴格遵守了各項相似比尺要求，非凡是級配相似。河床淤積后，動床阻力也能滿足相似要求，因此，用長模型預告三峽水庫長期運用后重慶市洪水位，具有較高的精度。

由于變動回水區的下端位于長壽，模型尾門放在長壽并按一維數模的計算水位控制，并在175m方案80年淤積地形基礎上進行水庫運用100年的淤積試驗。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，相應頻率的重慶洪水位分別為200.85m、197.65m和194.04m。相應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?？紤]到長模型試驗的精度，洪水位的誤差為±0.5m。

數學模型計算的重慶1％頻率洪水位為199.09m，比長模型試驗的結果偏低1.76m，5％頻率洪水位偏低1.51m，20％頻率洪水位偏低1.43m。數學模型所采用的長壽以上河道的綜合糙率系數比長模型實際值偏小約8％～10％。為檢驗糙率對水位計算值的影響，在數學模型上進行了糙率敏感性分析［5］。結果表明，增、減糙率10％對常年回水區的水位和淤積量影響很小，而對變動回水區的影響較大。當糙率值增大10％時，百年一遇的重慶洪水位為201.21m，和長模型的預告上限值201.39m很接近。

6結語

（1）建立三峽工程變動回水區長泥沙模型不僅是必要的，也是完全可能的。只要認真把握住全沙模型相似律的基本點，就可以較好地復演近200km河道中水流和泥沙的運動規律及河床的沖淤變化，從而為全面探究長河段泥沙新問題提供新的手段。

（2）長江中各種粒徑的泥沙均參和變動回水區的累積性淤積，在長河段上道行全沙試驗能較好地反映河床淤積形態，從而能較好地明確泥沙淤積對變動回水區航運的影響。

（3）三峽工程不論何種水位運行方案，其變動回水區將發生累積性淤積，其淤積速率隨著水庫運用年限的增長而減緩，并最終達到新的平衡。在淤積發展的過程中，河道向單一、規順、微彎、高灘、深槽演變。

（4）在變動回水區中淤積沿程分布的總趨向，是愈往上游淤積越少，但在靠近回水末端一段是粗沙卵石淤積區，淤積比較嚴重。在橫向分布上，總的情況是邊灘淤得多、主槽淤得少，但在發生倒槽河段原主槽將發生嚴重淤積。淤沙粒徑的分布規律是上游粗、下游細，細顆粒主要淤在高灘上。

（5）隨青河床的淤積，水位不斷升高，但因淤沙覆蓋原沙卵石河床的程度增大，河床糙率減小，水面比降也隨之減小。蓄水位愈高，淤積量愈大，水位壅高愈多，水面比降亦愈小。

（6）蓄水位175m方案運用80年變動回水區河床接衡，運用100年基本平衡，長江九龍坡以下形成一條較好的航道，基本滿足萬噸級船隊直達重慶九龍坡碼頭的要求，但現有沿江大部分碼頭將受到嚴重影響。對港口淤積造成礙航的新問題應通過優化水庫調度、港口改造、航道整治和疏浚等辦法加以解決。

（7）蓄水位175m方案運用100年后發生百年一退洪水時，重慶水位約為200.85±0.5m，較建庫前抬高約6～7m。

（8）在改善航道條件方面，180m方案優于175m方案，在長江九龍坡以下可形成一條良好航道，完全滿足萬噸級船隊直達九龍坡碼頭的要求，且大大增加萬噸級船隊駛抵九龍坡的天數。但由于在180m方案中增加的淤積量都是小于0.04mm的細顆粒，使邊灘淤高，對現有沿江碼頭的影響較175m方案更為嚴重，需要結合港口改造和整治來解決。

（9）在175m方案中前期按低水位156m運行，其前10年長江銅鑼峽以下航道較建庫前有一定改善。假如運用30年，則某些關鍵河段的航道條件已接近建庫前的嚴重情況。因此，低水位運行階段不宜太長。

參考文獻

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Investigationonsedimentationinvarying

backwaterzoneofThreeGorgesproject

Abstract

Alongrivermodel，whosetotallengthisabout800m，isusedtosimulatethevaringbackwaterzoneoftheThreeGorgesProject，covering200kmlongofnaturalriverreachesoftheYangtzeRiverandJialingRiver.Themodelisdesignedbasedofthetotalloadsimilaritytheorydevelopedbyfirstauthor.Verificationtestsshowthatthemodelhasabasicsimilarityagreementwiththeprototypeintheaspectsofresistancecharacteristic，flowconditionandlawsgoverningscouringanddeposition.Byusingthismodel，aseriesoftestswithnorma1reservoirelevationsat175m，180m，and156mwithreservoiroperationof80yearsand30yearshavebeenconductedtostudythelawsgoverningscouringanddepositioninthevaryingbackwaterzone，thesiltationconfigurationinchannelsandharboursforthefeasibilitystudiesoftheThreeGorgesProject.

Keywords摘要：varyingbackwaterzone，totalsedimenttransportmodel，siltation，fluvialequilibrium