三峽變動回水區豬兒磧河段沖淤特性分析

楚萬強，耿亞杰，張玉昶

(黃河水利職業技術學院，河南開封475003)

三峽水庫145～175 m正常蓄水后，變動回水區位于重慶江津紅花磧與長壽之間［1］，豬兒磧河段位于變動回水區中段，是重慶河段的主要礙航段，對研究三峽庫區變動回水區泥沙沖淤規律有良好的代表性。筆者通過物理概化模型試驗以及實測資料，分析了該河段的沖淤特性和影響沖淤的主要因素，對充分認識三峽庫區變動回水區沖淤規律、制定合理的水庫調度計劃有重要意義。

1 河段概況

豬兒磧河段是重慶主城河段的一個淺灘段，位于重慶海棠溪彎頂處，河段長3.5 km，河段上游有連續急彎，河段下游距長江與嘉陵江交匯處約1.5 km，洪水期河寬大于800 m。該河段兩岸由堅硬巖石構成，河床床面組成主要為是砂卵石，江中有巨大的心灘和多處暗礁，主航道位于江心處，河段內水流條件較復雜，泥沙運動劇烈，常在消落期因航深不足而引起礙航。圖1為豬兒磧河段的河勢，其中矩形邊框為此次模型試驗的研究范圍。

圖1 豬兒磧河段河勢Fig.1 Zhuerqi river flow regime

1.1 模型比尺

根據模型試驗［2］范圍、試驗研究目的、場地要求、相似性原理所要求的水流流態、表面張力等條件，本模型采用平面比尺和垂直比尺相等的正態模型。根據河工模型制作的要求［3］，必須滿足基本的相似條件。表1中列出了滿足幾何相似、重力相似以及阻力相似等相似條件［3］的模型比尺。

表1 模型比尺Table 1 Model scale

1.2 概化模型試驗布置

對該河段進行多次采樣，并測得其河床質中值粒徑約為110 mm，推移質中值粒徑約為55 mm，根據正態模型采用的平面和垂直比尺，動床鋪沙采用35%中值粒徑為0.5～1 mm。65%中值粒徑為1～3 mm的混合沙，由于該河段實際輸移的推移質中徑較小，因此在模擬上游河段泥沙補給所添加的模型沙都用中徑為0.5～1 mm的細沙。根據幾何相似比尺，模型航槽深度為2 cm。時間比尺可按一般教科書正態模型時間比尺計算方法得出，為24.5。同理可知單寬輸沙率比尺為302。

加沙強度按該河段實測上游來沙量按單寬輸沙率比尺換算，加沙帶見圖1。模型開始試驗后，根據加沙斷面的泥沙實際輸移情況和主流帶的位置，確定主要加沙范圍為離加沙帶斷面左岸135～220 cm，其他位置視床沙運動情況適當進行模型沙補給。

模型采用2009年全年實測流量過程，尾門水位采用模型下游約1.5 km處玄壇廟水文站實測數據，見表2。

2 沖淤特性分析

2.1 年內周期性沖淤變化特性

變動回水區河段同時具有水庫和天然河道雙重特性［4］，汛期呈天然河道特性，枯水期則呈水路特性。三峽水庫正常蓄水運行后，豬兒磧河段有沖淤，沖淤變化復雜［5］，年內沖淤變化過程可分為消落期前的微淤，消落期沖刷、汛期充水淤積以及汛末、汛后的沖刷4個階段，周而往復。通過試驗過程沖淤現象及泥沙輸移情況統計資料(表3)，結合該河段實測數據，對各階段沖淤變化進行分析。

表3 豬兒磧河段模型泥沙輸移統計Table 3 River sediment transport statistics of Zhuerqi reach

消落期前微淤階段，豬兒磧上游河段來流量較小，且此時三峽壩前水位高，保持在175 m附近，該河段比降一般在0.3‰以下，水流流速不大，對河床床面剪應力小，致使水流挾沙能力不足，所以整個河段有淤積趨勢，由于上游段來沙量也不大，所以呈微淤狀態［6］。

消落沖刷階段，流量逐漸增大，但幅度不大，此時三峽庫區水位不斷下降，回水末端不斷向下移動，此前處于庫區特性的河段突然轉變為天然河道特性，主流歸槽，在上游來水來沙量變化不大的情況下，航道內水面坡降大，水深淺，水流流速大［7］，整個變動回水區回水末端以上區域主槽被沖刷，泥沙向下推移，而回水末端以下仍然呈庫區特性，水流挾沙能力不足，因此整個變動回水區上沖下淤，上游推移的淤沙都集中在回水末端，像“滾雪球”一樣聚集并向下游輸移。

汛期充水淤積階段，上游來水來沙都大幅增加，水流流速及水流對河床面剪應力的增大提升了水流挾沙力，但此時主流右移，邊灘沖刷，深槽成緩流、回流區，泥沙大量落淤。由于此時三峽水庫處于蓄水階段，壩前水位不斷抬升減小了該河段的水面比降，阻礙了床面水流流速的增大，并且汛期上游來沙量較大，河段上游補給的泥沙大于向下游輸移量，整個河段呈淤積趨勢，也是該河段這要的淤積期。

汛末、汛后沖刷階段，上游來水來沙量減小，水位降低，水流重新回歸主槽，沖刷汛期內淤積的泥沙，整個河段呈沖刷趨勢。

2.2 沖淤量變化及分布

三峽水庫175 m方案蓄水運行以后，豬兒磧河段沖淤變化復雜，年內淤積量為0.67×106m3，基本呈微淤趨勢。當上游來流量大于7 005 m3/s時，主流右移，沖灘淤槽，當來流量回落至4 223 m3/s以下時，主流歸槽，沖槽淤灘。對模型各處沖淤情況(表4)進行分析，豬兒磧河段的邊灘淤積厚度較淺，淤積強度(0.22 m)遠遠小于主槽(1.06 m)，整個河段內主槽的淤沙也基本將2009年疏浚的1.5 m航槽全部回填。該河段淤積的泥沙主要落淤在主槽內，槽、灘淤積量比為1.80︰1。對整個斷面的粗化情況進行取樣統計，這個河段呈細化趨勢，主槽的細化程度略高于兩岸邊灘，這也與實際淤積情況相一致。

表4 豬兒磧河段模型泥沙淤積分布統計Table 4 Sediment deposition distribution statistics of Zhuerqi of reach

3 影響河床沖淤的主要因素

影響河床沖刷量的直接因素是床面水流對河床的剪應力及大沖刷強度的持續時間［8］。前者主要受上游來水來沙量、壩前水位影響，而影響后者的因素主要有消落時間和汛期長短。

3.1 來水來沙量

一般而言，上游來水量越大，水位隨之抬高，在壩前水位不變的情況下，水面坡降增大，流速陡增，可增大水流的挾沙力。

根據河流動力學的基本原理，河床變化的實質是上游來沙與河段輸沙共同作用的結果，若上游來沙量大于河段輸沙量，則河段呈淤積趨勢，反之呈沖刷趨勢，若兩者相等，則河段河床基本保持沖淤平衡。

3.2 壩前水位

當豬兒磧河段來流量一定時，影響該河段水流流速的最主要因素就是河段下游處玄壇廟站的水位，而玄壇廟站水位高低又受壩前水位控制。根據2009年實測流量過程與壩前水位變化過程進行模擬，根據模型試驗實測結果，豬兒磧河段的沖刷強度與上游來流量、壩前水位的關系如圖2。

由圖2可見：

1)當上游來流量一定時，沖刷強度隨著壩前水位的增加呈單調遞減趨勢，由于大強度沖刷期(10 000 m3/s≤Q≤15 000 m3/s)僅占1/3，因此三峽水庫蓄水期越長，該河段淤積量也越大。

2)當壩前水位一定時，沖刷強度隨著上游來流量逐漸增大不斷增大，當Q=12 000～13 000 m3/s，沖刷強度最大，此后沖刷強度隨著來流量增大逐漸減小，達到一定程度后，河段轉為淤積趨勢。

圖2 沖刷強度與上游來流量、壩前水位關系Fig.2 Relationship among scour strength，the upstream flow and the water level in front of dam

3.3 消落期和汛期長短

經分析可知，該河段在消落期呈沖刷趨勢，在汛期呈淤積趨勢，因此，年內消落期越長、汛期越短，則該河段的沖刷量越大;反之該河段內淤積量越大。

4 結論

通過對重慶主城豬兒磧河段的模型試驗研究，進一步認識了三峽庫區變動回水區的泥沙沖淤規律及對河勢變化的影響。總體來看，該河段年內可分為消落期前的微淤，消落期沖刷、汛期充水淤積以及汛末、汛后的沖刷4個階段，整個河段呈累積性微淤，年內沖淤基本平衡，淤積區域分布較廣，主要落淤在主槽內，落淤在主槽內的泥沙占總量的64%，整個河段內泥沙不斷細化，其中主槽的細化度要高于兩岸邊灘。

對影響河床沖淤的主要因素進行分析，可知當該河段上游來流量Q=12 000～13 000 m3/s時沖刷強度最大，為減小變動回水區的泥沙淤積，優化重慶主城河段的航運條件，可選擇朱沱流量Q=12 000 m3/s時開始消落泄水，這樣既能保證消落期開始時的沖刷強度，又能保證有充分的消落時間。

泥沙的運動及變化過程是相當復雜的，以本文為例，該河段的沖淤狀況除了與上述情況有關外，還與兩江交匯的互相頂托作用、汛末階段河段特性由天然河道特性轉為庫區特性后，河段末回水作用等密切相關，筆者未能做深入的研究，結論還有待進一步的拓展和完善。

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