楚萬強，耿亞杰，張玉昶

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475003)

三峽水庫145～175 m正常蓄水后，變動回水區(qū)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(qū)中段，是重慶河段的主要礙航段，對研究三峽庫區(qū)變動回水區(qū)泥沙沖淤規(guī)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(qū)變動回水區(qū)沖淤規(guī)律、制定合理的水庫調(diào)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(xù)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(gòu)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(nèi)水流條件較復(fù)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(jù)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(tài)、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(tài)模型。根據(jù)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(zhì)中值粒徑約為110 mm，推移質(zhì)中值粒徑約為55 mm，根據(jù)正態(tài)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(zhì)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(jù)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(tài)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(jù)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(shù)據(jù)，見表2。

2 沖淤特性分析

2.1 年內(nèi)周期性沖淤變化特性

變動回水區(qū)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(fù)雜［5］，年內(nèi)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(fù)。通過試驗過程沖淤現(xiàn)象及泥沙輸移情況統(tǒng)計資料(表3)，結(jié)合該河段實測數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(yīng)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(tài)［6］。

消落沖刷階段，流量逐漸增大，但幅度不大，此時三峽庫區(qū)水位不斷下降，回水末端不斷向下移動，此前處于庫區(qū)特性的河段突然轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊缓拥捞匦?，主流歸槽，在上游來水來沙量變化不大的情況下，航道內(nèi)水面坡降大，水深淺，水流流速大［7］，整個變動回水區(qū)回水末端以上區(qū)域主槽被沖刷，泥沙向下推移，而回水末端以下仍然呈庫區(qū)特性，水流挾沙能力不足，因此整個變動回水區(qū)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(yīng)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(qū)，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(nèi)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(fù)雜，年內(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)力及大沖刷強度的持續(xù)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(jù)河流動力學(xué)的基本原理，河床變化的實質(zhì)是上游來沙與河段輸沙共同作用的結(jié)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(jù)2009年實測流量過程與壩前水位變化過程進行模擬，根據(jù)模型試驗實測結(jié)果，豬兒磧河段的沖刷強度與上游來流量、壩前水位的關(guān)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(diào)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(zhuǎn)為淤積趨勢。

圖2 沖刷強度與上游來流量、壩前水位關(guān)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(jīng)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(nèi)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(nèi)淤積量越大。

4 結(jié)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(qū)變動回水區(qū)的泥沙沖淤規(guī)律及對河勢變化的影響?？傮w來看，該河段年內(nèi)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(nèi)沖淤基本平衡，淤積區(qū)域分布較廣，主要落淤在主槽內(nèi)，落淤在主槽內(nèi)的泥沙占總量的64%，整個河段內(nèi)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(qū)的泥沙淤積，優(yōu)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(fù)雜的，以本文為例，該河段的沖淤狀況除了與上述情況有關(guān)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(zhuǎn)為庫區(qū)特性后，河段末回水作用等密切相關(guān)，筆者未能做深入的研究，結(jié)論還有待進一步的拓展和完善。

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［8］胡鵬，胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報 ：自然科學(xué)版，2010，29(5)：813-815.Hu Peng，Hu Jiang.Experimental study on the hydraulic model of spillway in Zhongzuipo hydroelectric power projects［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2010，29(5)：813-815.