三峽水庫壩下游河道斷面形態調整模式與機理研究

發布時間：2020-01-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：2003年三峽水庫蓄水運用后，長江中下游河道對新水沙條件的自適應調整十分復雜。本文重點關注河道橫斷面形態調整問題，分析表明，在減沙效應影響的河段內，河道總體沖刷過程中斷面形態的變化可以分為3種模式：整體下切型、平移調整型和復合調整型。針對

　　摘要：2003年三峽水庫蓄水運用后，長江中下游河道對新水沙條件的自適應調整十分復雜。本文重點關注河道橫斷面形態調整問題，分析表明，在減沙效應影響的河段內，河道總體沖刷過程中斷面形態的變化可以分為3種模式：整體下切型、平移調整型和復合調整型。針對長江中下游大部分為受控型河道的現狀，提出采用形心相對深度指標對斷面形態變化進行定量分析。結果表明，在河道沖刷過程中，斷面形態既存在沖灘為主的坦化現象，也存在沖槽為主的銳化現象。結合水沙條件變化分析，闡述了3種斷面形態調整模式的水沙作用機理，指出在新水沙條件下河道轉變為沖刷型后，斷面形態的調整方向由主流區的強沖刷效應所主導，且因中水流量級的造床作用凸顯，洪水流量級的造床作用被明顯削弱。在原始深槽走向與優勢流量級主流傾向位置差別較大的河段，河道橫斷面優先表現出平移調整模式;在深槽走向相對平順的河段，河道橫斷面的調整以復合調整模式為主，呈現出沖深淤淺的銳化特征。

　　關鍵詞：河床演變;造床作用;三峽工程;斷面形態;水沙條件

　　1 研究背景

　　能夠自由發展的沖積河流的河床，在水流長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應的某種均衡狀態，在此均衡狀態下，河道形態指標與水沙邊界條件等特征物理量之間的函數關系即為河相關系，長期以來，沖積河流河相關系是對其進行演變分析與河道整治的重要依據[1]。驅動河相關系形成的內在物理機制是水沙過程的造床作用，因此，大型樞紐下游水沙變異后，其造床作用的變化直接決定河相關系的調整方向。

　　一般認為，樞紐下游來水條件的變化主要表現為洪峰流量減少，枯水流量增大，徑流的年內年際變幅減小，以及接近恒定流狀態的流量持續時間延長[2];來沙條件的變化一般表現為樞紐建設期的增沙效應以及建成后的減沙效應[3-4]，后者是研究關注的重點。雖然樞紐對水沙條件的調節在定性上具有相對明顯的一致性，但樞紐修建后下游河道河相關系發生的調整變化卻千差萬別，以本文重點關注的橫斷面形態調整為例，樞紐下游的橫斷面調整基本都包含了下切的共性過程[5]，不過斷面寬度既有展寬的現象[6]，也有縮窄的現象[7]，還有先縮窄、后展寬的現象[8]，而且有的河流在建庫后橫向調整速度要小于建庫前[9]，也有河流出現了建庫后河道橫向調整速度較建庫前明顯增加的情況[10]。這主要是因為，不同的河流、樞紐下游河段距壩址距離、水沙變異幅度、河床組成、河型等因素有明顯差異，河床演變的基本規律必然有不同的外在表現形式。

　　長江三峽水庫蓄水運用后，水沙條件的劇變同樣也伴隨著造床作用的顯著調整，對此，當前關注的重點主要是來沙減少后的沖刷效應[11]，也有研究成果對不同流量級在荊江河段的沖刷效率開展了分析[12]。但是，長江中下游沙質河段斷面形態的調整變化遠非“沖刷”可以簡單概括，即使是位于長江沙質河段首端的太平口水道，在強烈沖刷的總體特征下，斷面形態仍會發生復雜的沖淤調整。由于斷面上的沖淤分布直接決定了航道條件的變化趨勢，分析研究斷面形態的變化特點以及新水沙條件所發揮的造床作用，對于長江干線“黃金水道”建設以及河道治理，均有十分重要的理論與實際應用價值。

　　2 三峽水庫壩下游河道斷面形態變化模式與斷面形心深度分析方法

　　2.1 壩下游河道橫斷面形態總體變化特征與調整模式 三峽水庫蓄水運用以后，壩下游河道沖刷十分劇烈，據實測資料統計，截至2015年，從宜昌自上而下，宜枝河段、上荊江、下荊江、城漢河段、漢口至湖口河段的累積沖刷強度分別約為262萬、279萬、202萬、99萬和138萬m3 /km，如圖1 所示，相應累積沖刷總量分別為1.59億、4.78億、3.54億、2.49億和4.08億m3 。

　　總體而言，距大壩較近的砂卵石河段在橫斷面形態的調整方面以可沖層的逐漸剝蝕為主要特點，而砂卵石河段以下的沙質河段橫斷面形態調整則較為復雜，灘槽調整的方式與幅度多種多樣。通過歸納分析，壩下游河道在總體沖刷的過程中，斷面形態的調整變化可以分為三種模式(重點考察湖口以上河段)：①整體下切型，主要表現為斷面整體不均勻下切，橫向沖淤調整較為少見，如圖2 (a)所示;②平移調整型，主要表現為斷面某一側大幅沖刷，而另一側有一定幅度的回淤，深槽的橫向調整有明顯的趨向性，如圖2(b)所示;③復合調整型，因其斷面變化復合了斷面上不同部位的沖淤調整，深槽的橫向調整沒有明顯的趨向性，該調整模式涵蓋了包括偏V型斷面在內的多種斷面，其中部分斷面淤灘沖槽的現象較為明顯，如圖2(c)(d)所示。這三種調整模式在空間分布上有一定的差別，第一種模式主要出現在近壩砂卵石河段以及荊江中上段河寬較窄的河段，第二、三種模式主要出現在長江中下游的沙質河段。

　　一般來說，寬深比(采用 B /H)作為定量刻畫河道斷面形態的指標，是河相關系的重要組成部分。但是，對長江中下游河道而言，近年來因岸灘的守護控制日趨完備，河道側蝕已受到了明顯限制，洪水位河道寬度的變化是較為有限的。因此，隨著河道的沖刷，平均水深增加，寬深比也就隨之減小，可見對于展寬受限的受控型河道，寬深比實際上已退化為平均水深的變化指標。尤其是第二、三類調整模式，斷面橫向調整逐漸局限于平灘水位以下的形態調整，很難應用寬深比定量反映斷面幾何特征的變化。

　　2.2 斷面形心深度分析法 為克服寬深比指標在刻畫受控型河道斷面形態變化上所存在的不足，準確反映新水沙條件下長江中下游受控型河道的斷面變化特點，本文提出以斷面形心深度Hc與平均深度 H 的比值 Hc /H(稱之為形心相對深度)來刻畫斷面形態的變化：Hc /H 增大，說明形心深度相對加大，形心下沉;Hc /H減小，說明形心深度相對減小，形心上浮。這一指標的優勢在于，因形心體現了面積矩的作用，所以形心深度的變化能在一定程度上反映斷面沖淤的空間分布，深槽的沖、淤對應了相對比值的增大、減小;相應的，低矮灘地和淺水區的沖、淤則對應了相對比值的減小、增大。

　　2.3 典型河段斷面形態變化分析

　　2.3.1 太平口水道 三峽水庫蓄水運用以來，如圖4所示，太平口水道不同區段形心相對深度指標 Hc /H的變化有不同的特點，結合表1中的寬深比變化情況，可以較為清晰地勾畫斷面形態的變化特點：第①段Hc /H值相對穩定，但寬深比持續減小，即斷面變化基本呈現為整體下切;第②、③、④ 段Hc /H值均先增大，再減小，形心先下沉、再上浮，即斷面形態先銳化、再坦化，相應的寬深比先增大，再減小，說明斷面變化先以淤灘沖槽為主，而后又以沖灘為主;第⑤、⑥段的Hc /H值在三峽水庫蓄水運用之初明顯減小，形心上浮，隨后Hc /H值逐漸增大，形心下沉，即斷面形態先坦化、再銳化，相應的寬深比持續減小，說明斷面變化先以沖灘為主，而后以淤灘沖槽為主。

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　　上述指標統計分析較好地定量刻畫了太平口水道演變過程，第①段位于太平口水道進口，緊鄰砂卵石河段，且河寬不大，基本表現為斷面整體不均勻下切，為前文所述的第一類調整模式。第 ②、③、④段位于太平口心灘分汊段，該段先是心灘淤積，心灘兩側的南、北槽沖刷下切，斷面變化呈現為復合調整模式(第三類)，與斷面形態指標所反映的沖槽淤灘的銳化過程相對應;隨后心灘沖刷萎縮，南、北槽趨于穩定，此時斷面變化主要表現為整體不均勻下切，偏向為第一類調整模式，與沖灘為主的坦化過程相對應。第⑤、⑥段位于三八灘分汊段，該段先是以三八灘大幅沖刷萎縮，南汊深泓北移為主要演變特征，斷面形態呈現為平移調整模式(第二類)，與沖灘淤槽的坦化過程對應;該段在三八灘相對穩定后，南槽大幅沖深，而楊林磯邊灘與臘林洲灘尾大幅淤漲，斷面形態呈現為復合調整模式(第三類)，與沖槽淤灘的銳化過程對應。

　　2.3.2 界牌河段 三峽水庫蓄水運用以來，由圖5可見，界牌河段Hc /H值變化的規律性要好于太平口水道，基本上所有區段均表現為增加，形心整體下沉，斷面形態持續銳化;而界牌河段寬深比的變化幅度相對較小，部分區段寬深比減小，反映出斷面有所沖刷，如表2所示，兩者結合來看，界牌河段斷面形態變化總體上呈現淤灘沖槽的特點。

　　近年來，界牌河段螺山以上的右邊灘、螺山至界牌段的心灘、界牌以下的左邊灘持續淤積長高，深槽相應有所沖深，斷面形態呈現為復合調整模式(第三類)，對應了斷面形態指標所反映的沖槽淤灘的銳化過程。

　　從太平口水道、界牌河段的斷面形態統計分析可見，結合寬深比的變化，形心相對深度指標Hc /H 在反映斷面沖淤垂向分布方面有較好的性能。就典型河段內所包含的三種斷面形態調整模式而言，整體下切模式可能因沖灘為主而出現斷面形態坦化，也可能灘槽均沖使得形心相對深度基本不變;平移調整模式可能因劇烈沖灘引發深槽回淤，出現斷面形態坦化;復合調整模式的斷面形態變化值得關注，兩個典型河段均出現了這一調整模式，且斷面形態均呈現出銳化特征，即傾向于沖深淤淺，甚至出現了淤灘造灘的現象。通過上述歸類以及相關指標的統計，有助于結合水沙條件變化分析理解斷面形態調整機理。

　　3 三峽水庫蓄水運用以來新水沙條件造床作用變化分析

　　3.1 來沙條件變化分析 三峽水庫運行后截斷了上游的絕大部分來沙，壩下游河道水沙條件最根本的變化是來沙量的大幅減少(圖6)，宜昌、沙市、漢口和大通4站近10年(2006—2015年)平均輸沙量較多年平均分別偏少94 %、88 %、73 %和67 %。由于壩下游水流挾帶的泥沙主要來自于河床床面的沖刷，壩下游各河段的來沙條件隨大壩距離遠近的不同而不同，且會隨時間發生調整。因此，來沙條件的造床作用在不同河段、不同時段也是不同的，由圖6可見，三峽水庫蓄水運用以來，壩下游沿程各站懸沙輸移量自上而下逐漸增加，同時均隨時間逐漸減小。

　　從河床演變的角度來看，來沙條件的變化主要關注粒徑較粗，能夠有效參與造床的造床質。圖7 顯示，三峽水庫蓄水運用以后，沿程各站0.031 mm0.125 mm 粒徑組的泥沙恢復程度總體較高，蓄水之初，監利和漢口兩站基本恢復至蓄水前的平均水平，且沿程自上而下各站輸移量并非單向增加，而是有增減起伏，說明該組泥沙因沿程補給沙源充足，且粒徑偏粗，對水流條件較為敏感，發生在河床床面的沖淤交換較為劇烈。