三峽工程運(yùn)用初期荊江河段調(diào)關(guān)彎道沖淤演變?cè)囼?yàn)研究

唐 峰，李發(fā)政，姚仕明，朱勇輝

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

三峽工程運(yùn)用初期荊江河段調(diào)關(guān)彎道沖淤演變?cè)囼?yàn)研究

唐 峰，李發(fā)政，姚仕明，朱勇輝

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

三峽水庫(kù)修建后，由于水庫(kù)調(diào)蓄作用，進(jìn)入壩下游荊江河道的水沙過(guò)程發(fā)生了顯著變化。荊江河道產(chǎn)生較明顯的沖刷，已引起局部河段的河勢(shì)調(diào)整，將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)對(duì)兩岸堤防、已建護(hù)岸工程和河道整治工程及河道的穩(wěn)定產(chǎn)生不同程度影響，進(jìn)而影響該地區(qū)的防洪、航運(yùn)、生態(tài)與環(huán)境，以及河流的綜合服務(wù)功能的正常發(fā)揮。采用長(zhǎng)江防洪實(shí)體動(dòng)床模型試驗(yàn)，研究了三峽工程運(yùn)用初期不同時(shí)期荊江重點(diǎn)險(xiǎn)工段調(diào)關(guān)彎道的沖淤變化過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)河勢(shì)調(diào)整趨勢(shì)。研究成果可為該段河道的治理和河勢(shì)控制工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

長(zhǎng)江防洪實(shí)體模型；三峽工程；調(diào)關(guān)彎道；沖淤變化

1 概 述

三峽工程已于2003年6月開(kāi)始蓄水至135 m，2006年9月蓄水至156 m，2010年10月26日水庫(kù)水位抬高至正常蓄水位175 m，實(shí)現(xiàn)防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合目標(biāo)。三峽水庫(kù)修建后，由于水庫(kù)調(diào)節(jié)作用，上游進(jìn)入水庫(kù)的泥沙將大量淤積在庫(kù)內(nèi)，改變了壩下游的水沙條件與過(guò)程，下泄水流含沙量明顯減少，水流挾沙能力處于嚴(yán)重次飽和狀態(tài)，造成對(duì)壩下游河道長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的嚴(yán)重沖刷，從而引起壩下游水沙關(guān)系、江湖關(guān)系等發(fā)生變化，使壩下游面臨一系列新的問(wèn)題。

三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)，由于荊江河道的沖刷與局部河段河勢(shì)的調(diào)整變化，荊江河段頻頻出現(xiàn)崩岸險(xiǎn)情和新的險(xiǎn)工段，直接威脅到堤防安全，對(duì)河岸與河勢(shì)的穩(wěn)定極為不利；部分已護(hù)工程也因河床的劇烈沖刷而頻頻出險(xiǎn)，同時(shí)也威脅到涉水建筑物的正常運(yùn)用以及航運(yùn)安全。其中，荊江河段受三峽工程蓄水運(yùn)用的影響時(shí)間早、程度大，調(diào)關(guān)彎道歷年來(lái)一直是荊江河段的重點(diǎn)險(xiǎn)工段，歷史上曾頻頻發(fā)生重大險(xiǎn)情，因此，開(kāi)展三峽工程運(yùn)用后荊江河段調(diào)關(guān)彎道河道沖淤演變研究是十分必要的。

2 河道概況

荊江河段調(diào)關(guān)彎道上起寡婦夾，下迄八十丈，全長(zhǎng)約23 km（見(jiàn)圖1），屬于典型的蜿蜒型河道，與下游緊鄰的中洲子彎道一起由3個(gè)連續(xù)反向彎道組成，河道蜿蜒曲折，深泓線(xiàn)橫向擺動(dòng)較大，撇彎切灘頻繁。二十世紀(jì)60年代末至70年代初，調(diào)關(guān)彎道上段經(jīng)歷了沙灘子自然裁彎，下段經(jīng)歷了中洲子人工裁彎，河勢(shì)發(fā)生劇烈調(diào)整。由于近幾十年來(lái)下荊江實(shí)施了大量的護(hù)岸工程與河勢(shì)控制工程，河道擺動(dòng)幅度明顯減小，岸線(xiàn)穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，現(xiàn)已成為限制性的蜿蜒型河道。

圖1 調(diào)關(guān)彎道河勢(shì)圖Fig.1 The river regime of Tiaoguan bend reach

調(diào)關(guān)彎道段河床組成為中細(xì)沙，卵石層在床面以下埋藏較深，河段右岸組成主要為二元結(jié)構(gòu)；左岸為沖積平原，河岸由下部沙層與上部黏性土層組成，抗沖能力差。自然條件下彎道凹岸崩塌、凸岸淤長(zhǎng)是調(diào)關(guān)彎道變化的主要特征。

3 三峽蓄水運(yùn)用后調(diào)關(guān)彎道水沙條件變化

調(diào)關(guān)彎道徑流和泥沙主要來(lái)自宜昌以上長(zhǎng)江干、支流，同時(shí)受荊江三口分流分沙變化的影響。

沙市和監(jiān)利水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析表明：三峽工程蓄水運(yùn)用后2003－2009年較2002年前年均徑流量變化較小，其中沙市站減少5%，監(jiān)利站增加1%。但年均輸沙量卻減少很多，兩站分別減少81%和74%（表1）。由于2003－2009年上游水流處于不飽和狀態(tài)，其攜帶泥沙的能力較2002年前平均情況要大很多，必將引起河床沿程沖刷直至達(dá)到飽和狀態(tài)。

表1 沙市站和監(jiān)利站不同時(shí)段年均徑流量與輸沙量Tab le 1 The annual runoff and sediment load at Shashi Station and Jianli Station

4 模型及試驗(yàn)條件

4.1 實(shí)體模型

長(zhǎng)江防洪實(shí)體模型模擬范圍為長(zhǎng)江干流枝城至螺山，并且包括其間的主要支流、洞庭湖區(qū)及分蓄洪區(qū)等，其中干流河道長(zhǎng)約380 km。模型設(shè)計(jì)平面比尺αL＝400，垂直比尺αH＝100，模型變率e＝4。其水流運(yùn)動(dòng)相似比尺：流速比尺αV＝10，糙率比尺αn＝1.08，流量比尺αQ＝400 000，時(shí)間比尺αt＝40。

動(dòng)床模型模擬范圍上起金魚(yú)溝彎道入口處（荊110），下迄鹽船套附近（荊170），全長(zhǎng)約78 km，模型長(zhǎng)約195 m。模型沙采用長(zhǎng)江科學(xué)院研制的新塑料合成沙，質(zhì)量密度設(shè)計(jì)為1.38 t／m3，模型按照2008年10月實(shí)測(cè)地形制作。

4.2 試驗(yàn)條件

采用1991－2000年系列年進(jìn)庫(kù)水沙條件和三峽水庫(kù)泥沙淤積后出庫(kù)水沙過(guò)程進(jìn)行壩下游長(zhǎng)河段長(zhǎng)時(shí)段一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，其計(jì)算成果為本模型試驗(yàn)提供了邊界條件。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，對(duì)試驗(yàn)河段沿程水位、進(jìn)口流量與輸沙量等水沙條件進(jìn)行了不同時(shí)段步長(zhǎng)的概化，模型模擬進(jìn)口的輸沙取大于0.05 mm粒徑的泥沙。

5 模型試驗(yàn)沖淤演變分析

5.1 深泓及近岸沖刷坑變化

模型試驗(yàn)結(jié)果表明（見(jiàn)圖2）：三峽工程蓄水運(yùn)用至2022年，調(diào)關(guān)彎道深泓高程變化總體表現(xiàn)為沿程繼續(xù)沖刷下切，各河段深泓平面變化主要表現(xiàn)為深泓貼岸，特別是彎道段貼岸距離下延、彎道的迎流頂沖點(diǎn)下移以及深泓過(guò)渡段位置下移，在彎道的進(jìn)口段凸岸邊灘有所沖刷，沖刷坑范圍有所擴(kuò)大。2022年末近岸局部沖刷坑變化情況如下。

金魚(yú)溝彎道近岸深槽繼續(xù)沖刷拓寬，其中0 m深槽（CS938附近）沖刷拓寬并向上游發(fā)展，沖刷坑范圍增大到0.38 km2左右，深槽最大沖深約1.3 m；調(diào)關(guān)附近0 m深槽（荊122附近）沖刷拓寬并向下游發(fā)展，其0 m深槽最大展寬約25 m，沖刷坑范圍增大到0.39 km2左右，彎道深槽最大沖深約9.2 m。

圖2三峽工程運(yùn)用初期（2008－2022年）北碾子灣至鹽船套河段0m沖刷坑平面變化圖Fig.2 Changes of the scouring pit at 0m of the Jingjiang River from Beinianziwan to Yanchuantao at the initial operation stage of Three Gorges Project

5.2 河勢(shì)變化

三峽工程運(yùn)用至第10年、第15年及第20年后，調(diào)關(guān)彎道段河勢(shì)基本上仍維持現(xiàn)有格局，即主流由右岸寡婦夾過(guò)渡至金魚(yú)溝彎道凹岸深槽后貼左岸下行，出金魚(yú)溝彎道后向右岸連心垸過(guò)渡進(jìn)入調(diào)關(guān)彎道，沿主流貼岸段下行。與初始地形（2008年10月）比較，該河段河床沖淤變化特征表現(xiàn)為河床整體下切趨勢(shì)明顯，深槽沿程沖刷拓寬，2017年以前受彎道進(jìn)口段凸岸邊灘沖刷加劇的影響，進(jìn)口過(guò)渡段主流下挫，彎道頂沖點(diǎn)下移，深泓逐漸向凸岸擺動(dòng)，彎道上游雖繼續(xù)維持左右雙槽形態(tài)，但凹岸深槽逐漸淤積萎縮，靠近凸岸一側(cè)深槽進(jìn)一步?jīng)_刷、展寬而逐漸發(fā)展為主槽。根據(jù)下荊江北碾子灣至鹽船套段模型試驗(yàn)成果分析可知，2017年以前調(diào)關(guān)彎道段有發(fā)生“撇彎切灘”的趨勢(shì)，但2012年后趨勢(shì)有所減緩，三峽工程運(yùn)行至2022年末，主流不再?zèng)_刷凸岸邊灘而改為沖刷凹岸上游淤積的河床，主流頂沖點(diǎn)略有上提（見(jiàn)圖3）。

圖3 三峽工程運(yùn)用至2012年末調(diào)關(guān)彎道段河勢(shì)變化圖Fig.3 The river regim e of Tiaoguan bend reach from the operation of TGP to the end of 2012

6 結(jié) 論

通過(guò)分析荊江調(diào)關(guān)彎道段近期河道演變規(guī)律，并結(jié)合長(zhǎng)系列水文條件下該河段動(dòng)床模型試驗(yàn)研究成果，對(duì)該河段的河勢(shì)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估，主要得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）荊江調(diào)關(guān)彎道段自然條件下為典型的蜿蜒型河道，易發(fā)生自然裁彎，河道擺動(dòng)幅度大。20世紀(jì)60年代末至70年代初，該河段經(jīng)歷了沙灘子自然裁彎和中洲子人工裁彎，河勢(shì)發(fā)生了劇烈調(diào)整，裁彎后又不斷實(shí)施了河勢(shì)控制工程和大量的護(hù)岸工程，河道擺動(dòng)幅度明顯減小，岸線(xiàn)穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。三峽工程運(yùn)用初期，本河段總體河勢(shì)不會(huì)發(fā)生大的變化，但河床隨三峽工程運(yùn)行年限延長(zhǎng)呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢(shì)，深槽刷深拓展明顯，過(guò)渡段主流下挫，彎道頂沖點(diǎn)下移，主流貼岸距離下延，過(guò)渡段間主流平面擺動(dòng)將比較大，局部河勢(shì)仍將有所調(diào)整。

（2）三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)，下泄水流含沙量明顯減少，水流挾沙能力處于嚴(yán)重次飽和狀態(tài)，造成對(duì)壩下游河道長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的嚴(yán)重沖刷，荊江河道原有的沖淤平衡勢(shì)必將被打破。河道為了適應(yīng)這種變化會(huì)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，其表現(xiàn)形式為沖深展寬以彌補(bǔ)水流挾沙能力的不足，在一些典型的彎道段，凹岸深槽多年來(lái)已處于較穩(wěn)定狀態(tài)，只有凸岸邊灘沖刷才能滿(mǎn)足不飽和水流的要求，以上河勢(shì)變化能夠從三峽蓄水以來(lái)近幾年的河道地形資料分析以及近幾年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查勘中得到驗(yàn)證。

三峽工程運(yùn)用初期，調(diào)關(guān)彎道段主流仍將貼彎道凹岸下行，近岸深槽繼續(xù)沖刷拓寬，受彎道進(jìn)口段凸岸邊灘沖刷加劇的影響，進(jìn)口過(guò)渡段主流下挫，彎道頂沖點(diǎn)下移，深泓逐漸向凸岸擺動(dòng)，彎道上游雖繼續(xù)維持左右雙槽形態(tài)，但凹岸深槽逐漸淤積萎縮，靠近凸岸一側(cè)深槽進(jìn)一步?jīng)_刷、展寬而逐漸發(fā)展為主槽。根據(jù)下荊江北碾子灣至鹽船套段模型試驗(yàn)成果分析可知，三峽工程蓄水運(yùn)行至2012年時(shí)3個(gè)彎道段有發(fā)生“撇彎切灘”的趨勢(shì)，運(yùn)行至2017年時(shí)趨勢(shì)有所減緩，運(yùn)行至2022年末，主流不再?zèng)_刷凸岸邊灘而改為沖刷凹岸上游淤積的河床，主流頂沖點(diǎn)略有上提。

［1］ 余文疇，盧金友.長(zhǎng)江河道演變與整治［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.（YUWen chou，LU Jin you.Evolution and Regulation of the River Channel of the Yan gtze River［M］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［2］ 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.長(zhǎng)江防洪模型利用世界銀行貸款項(xiàng)目實(shí)體模型選沙報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2005.（Yangtze River Scientific Research Institute of CWRC.World Bank Loan Project：Model Sand Selection of the Changjiang River Flood Protection Physical Model［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institu te，2005.（in Chinese））

［3］ 孫貴洲，李發(fā)政.三峽工程運(yùn)用后初期上荊江重點(diǎn)河段沖淤變化試驗(yàn)研究［R］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2009.（SUN Gui zhou，LIFa zheng.Physical Modeling of Mor phological Changes in Major Reaches of Upper Jingjiang River at the Initial operation Stage of Three Gorges Project［R］，Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institu te，2009.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Physical M odeling of M orphological Changes in Tiaoguan Bend Reach of Jingjiang River at the Initial Operation Stage of Three Gorges Project

TANG Feng，LIFa zheng，YAO Shi ming，ZHU Yong hui
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Both the process and the amount of the water and sediment load flowing into the Jingjiang river reach downstream of the Three Gorges Project（TGP）have changed significantly due to the regulation and storage of the reservoir.Conspicuous erosion in Jingjiang river channel has resulted in river regime changes in parts of the reach，and will consequently influence the embankments and bank protection works along both sides，the river regulation projects and the stability of riverbed，thereby further affecting the flood control，navigation，ecology，environment and the integrated service function of the river in these areas.In this study，movable bed model of the Changjiang River Flood Protection Physical Model was used to study the changes of erosion and sedimentation in this reach at the initial operation stage of TGP.The tendency of river regime changes were predicted as well.Research results will offer technical reference for the planning and design of river regulation and river regime control projects in this river course.

Changjiang River Flood Protection Physical Model；Three Gorges Project；Tiaoguan bend reach；chan ges of erosion and sedimentation

TV 149.2

A

1001－5485（2011）08－0077－03

2010 06 17

唐 峰（1978 ），男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事河流泥沙與河道整治研究，（電話(huà)）027 84238177轉(zhuǎn)806（電子信箱）helaozi＿001＠163.com。