三峽大壩泄洪壩段下游沖刷發展趨勢研究

摘 要：三峽大壩汛期出庫流量大、泄洪設施多、調度運行難，不同時期泄洪壩段下游沖刷情況復雜。根據工程蓄水運行以來不同時期泄洪設施的調度運用情況，進行典型年份泄洪壩段下游沖刷地形分析，對比不同時期實測下游沖刷區、左導墻右側、下縱段防沖墻左側沖刷位置、形態和沖坑高程情況，分析研究泄洪壩段下游沖刷的發展變化趨勢。研究結果表明：不同時期泄洪壩段下游沖坑整體形態基本一致；正常運行期泄洪壩段下游中部沖坑最低高程較圍堰擋水發電期抬高約4 m，沖刷總體較前期有一定的改善。

關鍵詞：泄洪壩段；下游沖刷；沖坑；發展趨勢；三峽大壩

中圖分類號：TV652 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）03-0016-09

Development Trend of Downstream Scouring in Flood Discharge Section of"Three Gorges Dam

GENG Jun1，2， LI Qi3，4， ZHANG Hailong1，2， WANG Changgang1，2， MEI Xiaolong1，2， DONG Zongshi3，4

（1. Hubei Key Laboratory of Operation Safety of High Dam and Large Reservoir， Yichang 443100， China; 2. River Basin Complex

Administration Center， China Three Gorges Corporation， Yichang 443100， China; 3. Changjiang Survey， Planning， Design and

Research Co.， Ltd， Wuhan 430010， China; 4. National Dam Safety Engineering Technology Research Center， Wuhan 430010， China）

Abstract： The Three Gorges Dam faces a large outflow， numerous flood discharge facilities， and difficult scheduling and operation during the flood season. The downstream scouring situation of the flood discharge section is complex at different time. Based on the scheduling and operation of flood discharge facilities in different periods since the operation of the project's water storage， the downstream terrain scouring of the flood discharge section in typical years was analyzed. The measured downstream area scouring， as well as the scouring point of the right side of the left guide wall and the left side of the lower longitudinal section of the anti-scouring wall， morphology， and scouring pit elevation in different periods were compared. The development and change trends of downstream scouring of the flood discharge section were studied. The research results indicate that the overall morphology of the downstream scouring pit of the flood discharge section is basically the same in different periods. In the normal operation period， the lowest elevation of the downstream middle scouring pit of the flood discharge section is about 4 m higher than that of the cofferdam in the power generation period， and the scouring situation has generally improved compared with the previous period.

Keywords： flood discharge section; downstream scouring; scouring pit; development trend; Three Gorges Dam

水利水電工程樞紐泄洪壩段下游水流流速高、紊動強烈，易造成下游河道產生嚴重的局部沖刷及沿程沖刷，對水工建筑物自身安全及河道兩岸形成嚴重威脅［1］。因此，研究下游沖刷過程、局部沖刷坑內的流場信息、沖坑形態和最大沖刷深度對于泄水建筑物的安全運行具有重要意義［2］。目前，下游沖刷的研究方法大致可分為原位觀察法、模型實驗法［3-4］、數值模擬法［5-6］、理論研究法等，其中原位觀察法是最早、最常用的方法［7］。周軍等［8］根據古田溪三級大壩溢流道下游河床沖刷原型觀測資料，分析下游河床沖刷坑特性，提出符合工程實際的沖刷系數k值，分析、預測河床沖刷對壩基安全的影響；文獻［9-10］綜合考慮巖體結構、泄流特征等因素，對丹江口大壩加高后壩下河床沖刷坑的發展演化進行分析；樊振宏［11］對廣東梅江蓬辣灘水電站的工程地質、沖刷水工模型、沖刷實測數據和沖刷坑深度進行了詳細分析，發現下游河床仍存在繼續沖刷的可能。綜上，通過原位觀察法可以準確地獲得局部沖刷的早期數據，原位觀測數據結合水工模型試驗，可以進一步對下游河床沖刷進行預測。

三峽大壩泄水建筑物具有下泄流量大（102 500 m3/s）、泄洪落差大（97. 3 m）、孔口數量多（22個表孔和23個深孔）、運行水頭高（90 m）、庫水位變幅大（135～180 m）等特點［12-14］，自2003年建庫蓄水以來，三峽大壩已經經歷了20余個汛期的考驗，下游河道、護坦、防沖墻等發生了不同程度的沖刷。鑒于2010、2012、2020年汛期最大入庫流量均超過70 000 m3/s，汛期泄洪深孔、表孔和排漂孔等聯合運用頻繁；同時三峽工程試驗蓄水期運行以來，由于地下電站6臺機組的投入運行和水庫汛后蓄水時間提前，泄洪運用調度的條件較之前有所變化。因此，本文根據三峽大壩蓄水運行以來不同時期泄洪設施的調度運用情況，通過原位觀察法進行典型年份泄洪壩段下游沖刷地形分析，總結泄洪壩段下游沖刷的發展變化趨勢，為綜合評價正常運行期泄洪壩段下游沖刷和建筑物安全提供依據。

1 概述

1. 1 工程概況

三峽工程壩址地處長江干流西陵峽河段、湖北省宜昌市三斗坪鎮，控制流域面積約100萬km2，多年平均流量14 300 m3/s，多年平均年徑流量4 510億m3。工程開發任務主要是防洪、發電、航運和水資源利用。樞紐工程由攔河大壩、電站建筑物、通航建筑物、茅坪溪防護工程等組成，樞紐工程總體布置見圖1。擋泄水建筑物按1 000年一遇洪水設計，洪峰流量98 800 m3/s；按10 000年一遇洪水加大10%校核，洪峰流量124 300 m3/s。

1. 2 泄洪設施及下游消能防沖建筑物布置

1. 2. 1 永久泄洪排沙設施

三峽永久泄洪設施包括泄洪深孔、表孔、排沙孔和泄洪排漂孔。泄洪壩段共有23個深孔和22個表孔，采用相間布置；排沙孔在庫水位150 m以下時可兼作泄洪用；1號、2號泄洪排漂孔分別布置在左導墻壩段和縱向圍堰壩段。

1. 2. 2 施工期臨時泄洪設施

為適應三期導截流及圍堰擋水發電期間臨時度汛泄洪需要，泄洪壩段布置22個導流底孔，跨橫縫布置在表孔正下方。導流底孔從2003年汛期開始參加三期工程施工期泄洪運行，在水庫初期蓄水位（156 m）運行前封堵。

1. 2. 3 消能防沖設施

三峽大壩下游消能防沖主要考慮圍堰發電期導流底孔與深孔泄洪時的作用，還考慮永久運行期深孔與表孔采用挑流消能，下游對左導墻、下游縱向圍堰采取了防沖保護。消能防沖設施主要包括下游混凝土縱向圍堰（簡稱下縱段）左側垂直防沖墻、防沖墻頂部防沖隔墩和下游護坦。

1. 3 泄洪消能區地質條件

泄洪壩段及護坦建基巖體巖性主要為閃云斜長花崗巖，以微風化巖體為主，局部地段為少量弱風化下部巖體。泄洪壩段建基面分布67條斷層，護坦建基面分布斷層14條，其中規模較大的斷層主要有F410、F412、F18、F20等。

左導墻基巖以微新的閃云斜長花崗巖為主，局部分布有弱風化下部巖體，且存在沿少數斷層和裂隙的加劇風化現象。建基面滲水點主要沿裂隙、斷層出露，其中規模較大的斷層F4、F7向左導墻末端右側延伸規模逐漸變小，構造巖變窄且膠結較好。

下縱段建基巖體主要為閃云斜長花崗巖，其中侵入有花崗巖脈及偉晶巖脈。花崗巖脈較發育，多與圍巖緊密接觸，巖脈內短小裂隙較發育。建基面斷層較發育，多為小斷層。

2 泄洪壩段下游實測水下地形分析

三峽工程2003年6月蓄水至135 m水位進入圍堰擋水發電期，2006年9月蓄水至156 m水位進入初期運行期，蓄水過程見圖2。從2003年蓄水至2008年9月，圍堰發電期及初期運行期出現大于45 000 m3/s的洪水過程有2次，分別是2004年和2007年汛期。導流底孔2007年5月前全部封堵，至2008年汛期所有的泄洪設施全部具備運用條件。從2008年10月開始三峽工程進入175 m水位試驗性蓄水運行，從2008年至2020年8月期間，2010、2012、2020年汛期洪水過程較常年多，入庫最大洪峰均超過70 000 m3/s，其中2020年8月20日三峽樞紐入庫流量達到75 000 m3/s，下泄流量達49 400 m3/s，是三峽樞紐工程自2003年建庫以來遭遇的最大洪峰，8月22日三峽水庫出現入汛以來最高水位167. 65 m。

結合圍堰擋水發電期、初期運行期、175 m水位運行期典型年份的洪水情況，分別在2004年1月、2008年4月、2012年11月和2020年11月進行了泄洪壩段水下地形進行測量，水下測量采用搭載GPS的專用船艇，測量精度可達厘米級。2003—2020年典型年份汛期泄洪設施使用情況見表1。

對于沖刷問題，根據建筑物發生的部位差異，可劃分為河床沖刷和建筑物周圍局部沖刷。下面根據典型大水年份汛后水下地形的測量資料，結合三峽大壩下游不同沖刷類型，針對沖刷形態和不同時期變化進行分析比較。

2. 1 圍堰擋水發電期

圍堰擋水發電期采用導流底孔與深孔進行泄洪，2004年1月泄洪壩段下游實測地形見圖3（圖中上側橫軸為壩段號，右側縱軸為壩軸線下游樁號），下縱段防沖墻側及左導墻邊沖刷地形高程見表2、3。由圖表可知：①泄洪壩段下游水下地形整體呈現不規則的沖坑形態，沖坑邊線參差不齊，沖坑底部凹凸不平；②下游沖坑主要分布在壩下20+200～20+300 m范圍，泄5—17號壩段下游有3處比較大的沖坑，分別位于8—9號壩段下游20+250 m（最低高程26. 5 m）、12號壩段下游20+290 m（最低高程27. 3 m）和17號壩段下游20+250 m（最低高程24. 7 m）；③泄18號壩段至下縱段防沖墻部位，壩下20+200～20+270 m形成沖刷坑，最低高程32. 2～36. 7 m，護坦下游側附近地形高程約45. 4～47. 0 m，局部沖坑高程45. 4 m；④下縱段防沖墻邊，壩下20+200～280 m范圍受沖刷，沖刷坑最低高程39. 5 m（高于基礎高程），位于20+245 m處；⑤泄6號壩段以左至左導墻，順流向沖刷地形由壩軸線下20+135 m處的18. 2 m高程逐漸降至導墻末端的-2. 9 m高程，沖坑最低點高于基礎高程；⑥沖刷局部深坑均位于6—13號壩段下游F20斷層、15—17號壩段下游F18斷層以及19—23號壩段F410斷層部位，說明下游沖坑的發展和形狀在一定程度上可能會受泄洪水流和巖體構造影響。

2. 2 初期運行期

初期運行期采用導流底孔與深孔進行泄洪，2007年5月導流底孔封閉后，僅通過深孔進行泄洪。2008年4月泄洪壩段下游實測地形見圖4，下縱段防沖墻側及左導墻邊沖刷地形高程見表4、5，由圖表可知：①泄洪壩段下游整體沖刷形態與2004年1月實測地形相近，沖坑整體有所加深；②下游沖坑分布在壩下20+200～20+300 m范圍，最大沖坑仍然在泄5—17號壩段下游，但位置略有偏移，最低沖坑分別位于6號壩段壩下20+225 m（最低高程22. 0 m）、泄12號壩段壩下20+300 m（最低高程26. 7 m）、泄17號壩段壩下20+250 m（最低高程21. 6 m），泄6號壩段、泄17號壩段沖坑分別與12號壩段下游沖坑連貫；③泄18號壩段至下縱段高程48 m部位，壩下20+200～20+270 m形成沖刷坑，最低高程28. 5～34. 5 m，沖坑最低點位于20+220 m附近，護坦下游側附近地形高程約47 m，局部沖坑高程45 m；④下縱段防沖墻左側，壩下20+200～285 m范圍受沖刷，沖坑最低點高程38. 3 m，沖坑深度約9. 7 m，位于壩下20+240 m處；⑤左導墻邊順流向沖刷地形由壩軸線下20+135 m處的15. 4 m高程逐漸降至導墻末端的5. 3 m高程。

2. 3 175 m水位運行期

a））2012年11月實測地形。175 m水位運行期深孔與表孔聯合泄洪，均采用挑流消能。2012年11月泄洪壩段下游實測地形見圖5，下縱段防沖墻側及左導墻邊沖刷地形高程見表6、7，由圖表可知：①泄洪壩段下游整體沖刷形態與2008年實測地形相近，由于泄洪方式的調整，下游沖坑高程整體略有抬高；②下游沖坑主要分布在壩下20+200～20+320"m范圍，分布在泄7—17號壩段下游，沖坑分別位于泄7號、8號壩段壩軸線下20+240. 3 m（最低高程26. 4 m）、泄17號壩段壩軸線下20+280. 7 m（最低高程27. 8 m），泄11號壩段沖坑最低高程28. 0 m，與17號壩段下游沖坑基本連貫；③泄18號壩段至下縱段防沖墻，壩下20+195～20+277 m形成沖刷坑，沖坑最低高程30～34. 9 m，位于壩下20+240 m附近，距壩趾最小距離約110 m，護坦下游側附近地形高程約45～47. 5 m，局部沖坑高程44. 2 m；④泄6號壩段至左導墻沖刷地形為坡狀，導墻末端樁號20+325 m處沖坑最低點高程5. 1 m，高于導墻基礎高程。

b））2020年11月實測地形。2020年11月泄洪壩段下游實測地形見圖6，下縱段防沖墻側及左導墻邊沖刷地形高程見表8、9，由圖表可知：①泄洪壩段下游整體沖刷形態與2012年實測地形相近，下游沖坑高程與2012年基本相當，但位置略有偏移；②下游沖坑主要分布在壩下20+200～20+300 m范圍，最大沖坑分布在泄7—17號壩段下游，沖坑分別位于泄7、8號壩段壩軸線下20+240 m（最低高程25. 7 m）、泄17號壩段壩軸線下20+280 m沖坑高程26. 8 m，泄10號壩段沖坑高程28. 8 m，基本與15號壩段下游沖坑連貫；③泄18號壩段至下縱段，壩下20+190～20+264 m形成沖刷坑，最低高程31～36. 2 m，沖坑最深點位于20+266 m附近。護坦下游側附近地形高程約45～47 m，樁號20+200 m處局部沖坑高程33. 5 m；④下縱段防沖墻邊沖坑最低高程38. 7 m，位于壩軸線下約20+240 m處，高于基礎高程；⑤泄6號壩段至左導墻沖刷地形為坡狀，左導墻邊沖刷地形由壩下20+150 m處的13. 7 m高程逐漸降至末端的3. 0 m高程，高于導墻基礎高程.

3 不同階段下游沖刷地形比較及發展趨勢分析

3. 1 不同階段下游沖刷地形對比

針對不同階段泄洪壩段下游沖刷水下地形進行對比分析，2004、2008、2012、2020年不同壩段下游沖坑最低高程和平面位置比較見圖7、8。

a））不同時期泄洪壩段下游沖坑主要分布在泄5—17號下游范圍，沖坑形態、位置基本一致。受圍堰擋水發電期導流底孔泄洪影響，2008年沖坑高程最低，為21. 6 m，位于壩下20+225～250 m。正常運行期主要的泄洪設施深孔與表孔均采用挑流消能形式，下游中部沖坑最低高程25. 7 m，較圍堰擋水發電期抬高約4 m，中部最深沖坑位置總體向下游偏移，兩側沖坑位置相當、上下游范圍加大。

b））正常運行期護坦下游附近地形高程為45～47 m，與圍堰擋水發電期總體相當，2012、2020年護坦下游沖坑范圍較圍堰擋水發電期向上游擴大，局部沖坑最低高程33. 5 m，位于壩下20+200 m。

c））左導墻順流向右側端部沖坑最低高程2004年為-2. 9 m，2008年為6. 0 m，2012—2020年為6. 0～3. 0 m，均位于導墻末端；正常運行期最低沖坑高程較圍堰擋水發電期抬高5. 9 m。

d））不同時期下縱段防沖墻側最低沖坑高程37. 9～39. 5 m，位于20+240～250 m范圍，運行期沖坑高程與圍堰擋水發電期和初期運行期相當；正常運行期沖坑范圍略加大、最低位置向上游偏移5 m左右。

3. 2 下游沖刷地形發展趨勢分析

根據不同階段泄洪壩段下游水下地形分布及對比分析，下游沖刷地形總體發展趨勢總結如下。

a））從2004—2008、2012—2020年典型年泄洪壩段下游實測地形沖坑分布及沖刷地形綜合分析比較，不同時期泄洪壩段下游沖坑形態基本一致；由于2008年導流底孔已全部封堵，正常運行期主要泄洪設施為深孔+表孔，泄洪壩段下游河床的沖刷總體有一定的改善。

b））工程圍堰擋水期和運行初期采用導流底孔和深孔聯合泄洪方式，隨著水位抬高，高水位泄洪歷時及泄洪總動能的增加，泄洪壩段下游沖坑范圍與沖刷深度有不同程度地加大；正常運行期主要的泄洪設施深孔與表孔均采用挑流消能形式，有利于減小下游沖刷，同時隨著左右廠房電站機組全部投入運行和右岸地下電站運行，樞紐總泄流能力加大，汛期機組過流量加大，通過泄洪設施下泄的流量相對減小，中部沖坑最低高程較前期有所抬高；受正常運行期各年度大小洪水多次、重疊泄洪沖刷淤積的影響，中部最深沖坑位置總體向下游偏移，兩側沖坑位置相當、上下游范圍加大。

c）不同時期下縱段防沖墻和左導墻側的沖坑高程均高于相應部位基礎高程，不會對建筑物安全造成影響。

d）由不同時期典型年份的壩下最低沖坑分布可見，不同時期壩下沖刷局部深坑基本沿7—14號壩段下游F20斷層、16—17號壩段下游F18斷層以及19—23號壩段F410斷層分布，泄洪壩段下游沖坑的形狀和發展在一定程度上可能受泄洪水流和巖體構造影響［15- 16］。

4 結論

本文針對2004—2008、2012—2020年典型大水年份泄洪壩段下游實測地形沖坑分布及沖刷發展進行綜合分析比較，認為不同時期泄洪壩段下游沖坑整體形態基本一致，正常運行期泄洪壩段下游中部沖坑最低高程較圍堰擋水發電期抬高約4 m，沖刷總體較前期有一定的改善。同時，泄洪壩段下游沖坑的形狀和發展在一定程度上可能受泄洪水流和巖體構造影響，建議定期進行水下地形監測及分析工作，并對下游斷層構造周邊沖坑的發展予以重點關注。本文研究成果結合汛期泄洪設施調度運行情況、水工模型試驗結果等，可對后續三峽大壩泄洪設施調度優化提供指導，同時可對正常運行期泄洪壩段下游沖刷和建筑物安全進行綜合評價和預測。

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