丹江口大壩二期規模運用后壩下沖刷坑變化分析

夏志培 張洪霞 涂進

摘 要：2017年漢江發生秋汛，丹江口大壩開閘泄洪達33 d，對壩下沖刷坑影響較大的主要是深孔泄洪。深孔射流的水量、挑距和拋射高度受壩上水位所控制，壩上水位越高，深孔下泄流量越大，水舌拋射越高，射流挑距也越遠，而射流入水的傾角卻越小。丹江口大壩加高后，正常蓄水位由157 m提高至170 m，深孔泄流對壩下游沖刷距離及強度都較加高之前增強。本文主要依據丹江口水利樞紐壩區下游沖刷坑2017年地形及相關水文觀測資料，對沖刷坑進行分析。結果表明，沖刷坑隨著水力條件的改變而產生新的變化。

關鍵詞：丹江口大壩;二期規模;沖刷坑

中圖分類號：TV147.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0057-04

Abstract： In 2017，the Hanjiang river experienced an autumn flood. The floodwater of the Danjiangkou Dam had been released for 33 days. The major impact on the scour pit under the dam is mainly deep outlet discharge. The water yield， trajectory Length and thrown height of the deep outlet jet are controlled by the water level above the dam. The higher the water level on the dam， the greater the discharge flow under the deep outlet. The higher the water jet is， the farther the jet flow will be， and the smaller the inclination of the jet flow will be. After the heightening of the Danjiangkou Dam， the normal pool level increased from 157 m to 170 m. The deep outlet discharge enhances the scouring distance and strength downstream the dam than before. This paper mainly analyzed the scour pits based on the 2017 topography and related hydrological observation data of the scour pits downstream the Dam of the Danjiangkou Hydro-Junction. The results show that the scour pits have new changes as the hydraulic conditions change.

Keywords： the Danjiangkou Dam;Phase II scale;scour pit

1 2017年漢江秋汛情況

2013年8月29日，丹江口大壩加高工程順利通過蓄水驗收，2014年11月1日庫區水位達160.72 m，超過1983年歷史最高水位。2017年9月以來，漢江發生秋汛，洪水持續時間長、量級大，丹江口水庫最大入庫流量達17 300 m3/s，最大出庫流量達8 040 m3/s，丹江口水庫累計泄洪33 d，棄水總量為95.7億m3。流域累積面平均降雨量達393 mm，其中漢江上游累積面平均降雨量為413 mm，較常年同期多1.3倍，列1961年以來第2位。2017年10月29日02：00，丹江口水庫水位蓄至167.0 m，高于大壩加高前壩頂高程（162 m）5 m，超過歷史最高水位（160.72 m，2014年11月1日）6.28 m，壩上和壩下水位差為歷史最大，達72.93 m[1-2]。

1.1 水位

2017年漢江發生秋汛，9月和10月份連續發生多次漲水過程，壩下河段所在水文站如黃家港、余家湖水文站水位變化受閘門啟閉影響較大，年水位變幅也較大，分別為5.39 m和8.28 m;崔家營航運樞紐在流量達10 000 m3/s以上時，20孔泄水閘閘門全部打開，所在河段接近天然河道狀態。襄陽水文站位于崔家營航電樞紐庫區內，受回水影響，水位較天然狀態有所抬高，漲水過程中，水位變幅較壩下游水文站小。2017年，襄陽水文站最大年變幅為2.15 m。

1.2 流量

2017年，漢江發生了自2011年以來的大洪水，但年徑流量并不大，黃家港水文站年徑流量僅為290.9億m3，較1968—2016年平均年徑流量334億m3偏少。9月和10月主要受漢江上游來水影響，丹江口至襄陽河段發生多次漲水過程，黃家港、襄陽及余家湖水文站最大流量分別為7 750 、11 100、13 400 m3/s，洪水對丹江口水庫壩下游河道產生沖刷，對河道疏通產生有利影響。

1.3 含沙量

丹江口水庫蓄水運用后，因水庫對泥沙的攔蓄作用，水庫基本為清水下泄。

2017年漢江發生秋汛，丹江口水庫開閘泄洪，對其庫區內泥沙產生拉沙作用。黃家港和余家湖水文站9—10月含沙量為全年最大，黃家港水文站最大含沙量為112 g/m3，余家湖水文站最大含沙量為4 450 g/ m3，黃家港至襄陽河段區間泥沙補充較明顯，區間來沙多為支流來沙補給，小部分來自河床沖刷。

2 沖刷坑概況

2.1 沖刷坑總體分布及現狀

丹江口水庫蓄水運用后，多次開啟深孔及溢流孔泄洪，對其壩下游產生沖刷，特別是下游近壩區，初期和二期深孔及溢流孔泄洪流量如表1和表2所示。泄洪對近壩段河床造成劇烈沖刷，近而形成較大深坑。初期規模下，壩下沖坑在經歷了1975年和1983年大水后，沖坑最深點部位已基本穩定，距壩軸線的距離基本達到最大，沖坑基本特征如表3所示。

本文主要分析10—17壩段護坦下游形成的沖刷坑，其平面分布如圖1所示，沖刷坑三維分布如圖2所示。

2.2 沖刷坑地質組成

深孔壩段下游河床的巖基絕大部分為堅硬的變質輝長輝綠巖，部分為變質閃長巖，巖石的抗沖性能好，但地質構造復雜，節理密集，裂隙發育，緩傾角裂隙與高傾角裂隙相互組合，使巖體切割成失去聯系的巖塊。沖坑內縱橫有百余條大小裂隙，裂隙中絕大多數為軟弱的糜棱巖充填。特別是幾條大的破碎帶相互縱橫交錯（見圖1），分布在深孔射流的當沖范圍內，其中縱貫沖坑的有F204、F77、F16、F16-1，橫貫沖坑的有F100。這些破碎帶最大寬度有3～7 m，其中沖刷坑主體破碎帶F16，寬1.5～6 m，裂隙中不僅夾有糜棱巖、角礫巖及塊狀巖，還夾有0.2～0.4 m的構造黏土巖。其中，糜棱巖的濕抗強度為46 kg/cm2，為完整基巖的1/3，吸水率為1.76%，為完整基巖的9倍，軟化系數0.27，為完整基巖的1/3;構造黏土巖的濕抗壓強度為0～24 kg/cm2，吸水率達5.55%，可見F16是最大最可沖的破碎帶。

3 2017年沖刷坑變化特點

3.1 平面變化

2009—2017年沖刷坑85 m等高線所圍平面變化如圖3所示。由圖3可以看出，大壩加高前，沖刷坑范圍已基本穩定，最低點位置也集中在F16破碎帶附近;大壩加高后，隨著壩前水位的抬高，深孔挑流距離及強度均有所增加。同時，還可以看出，2017年沖刷坑最低點較2015年沿F16破碎帶下移了30 m，坑尾也向下游拓展，與2013年坑尾線接近。

3.2 橫向變化

以壩軸線下185 m處的丹7斷面為例（見圖4），經1975年和1983年下泄洪水沖刷，沖刷坑已達最大過流斷面，橫向沖刷已不再明顯，這說明沖刷坑橫向經高水位長時間沖刷后，橫向發展過水面積已適應少孔泄流條件，沖刷坑底部高程也達最低值。因沖刷坑右岸為基巖山坡，抗沖力強，左岸為下縱基腳阻擋，兩岸橫向擴展已受邊界制約，多年來，沖刷坑橫向較穩定。這與圖3中85 m等高線變化不大這一結論相一致。從圖4還可以看出，橫向沖刷后，兩岸岸壁懸陡，這是因為高傾角裂隙巖塊上受射流頂沖下及底部淘刷后倒塌崩潰。

2017年，丹江口大壩加高后首次開閘泄洪，共開啟3個深孔，4個溢流孔，壩前最高水位達167.00 m，壩上和壩下水位差最大為72.93 m，均為歷史最大，深孔挑流距離隨之增大，重點沖刷部位下移至下游邊坡處，沖刷起的巖石部分被水流帶走，部分回落至坑底。從圖4可以看出，2017年斷面較往年有所回淤。

3.3 縱向變化

通過對實測資料進行分析可知，沖刷坑沖刷縱剖面的沖刷速度隨著壩上泄洪水位的增高和泄流歷時的增加而加快，當縱剖面適應了這些水力條件后，沖刷速度就大為減弱，在一定水力條件下，沖刷由發展階段轉入穩定階段，當遇到較小的泄洪水力條件后，縱剖面不僅不沖，還會產生回淤現象。沖刷坑2009—2017年縱剖面變化如圖5所示。從圖5可以看出，2017年首次開閘泄洪，因壩前水位抬高，壩上下游水位差增大，改變了原有的水利條件，沖坑縱剖面再次發生較強的沖刷，與以往不同，重點沖刷部位下移至原下游坡面處，原坑底部分因沖刷物回落面發生淤積。

4 沖刷坑今后發展

沖刷坑在發展過程中，具有沖刷發展與沖刷穩定兩個階段。沖刷坑在沖刷發展階段與最大泄洪水力條件、地質條件、泄洪歷時、開孔數及開孔部位等因素有關;當沖刷坑進入穩定階段后則與上述條件無關。當沖刷坑已形成了最大沖刷縱剖面與最大沖刷橫剖面后，即可認為沖刷坑已進入穩定階段。這種穩定階段只能被未出現過的、特殊條件下的洪水所打破，經過一段時間的發展后，沖坑會再次進入一個新的穩定階段，當然，人為因素也可打破這種穩定狀態。

大壩加高后，壩前正常蓄水位由初期規模的157 m抬升至二期規模的170 m，壩前水位的抬升，使深孔下泄流量及對沖刷坑沖刷強度均增加，沖刷坑發生不同于以往的變化，主要表現為沖刷坑最低點下移，坑尾處沖刷拓寬，因2017年壩前最高水位為167.00 m，未達到正常蓄水位170 m，今后，隨著壩前水位抬高，沖刷將繼續，直至適應新的水力條件。

參考文獻：

[1]長江流域規劃辦公室水文局.漢江丹江口水庫水文泥沙實驗文集[C].長江流域規劃辦公室水文局，1983.

[2]張洪霞，封光寅，柳發忠，等.丹江口水利樞紐壩區下游沖刷坑變化分析[J].人民長江，2006（12）：104-107.