老木孔庫(kù)區(qū)河段動(dòng)床物理模型試驗(yàn)研究

倪志輝,易 靜,張緒進(jìn),杜宗偉 ,王云莉

(1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

0 引 言

由于我國(guó)有許多河流是含沙量高、輸沙量大的多泥沙河流，庫(kù)區(qū)的泥沙淤積問(wèn)題異常嚴(yán)重且相當(dāng)普遍，河工動(dòng)床模型試驗(yàn)成為解決江河治理及大型水利工程泥沙問(wèn)題的主要手段，并大有日益受到重視的勢(shì)頭[1-2]。國(guó)內(nèi)在河工動(dòng)床模型試驗(yàn)方面的研究起步較晚，但近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量研究并獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)。唐峰，等[3]采用實(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)河段的沖淤變化過(guò)程；余明輝，等[4]通過(guò)建立動(dòng)床實(shí)體模型，從三維空間角度詳細(xì)研究了取、排水河段水流泥沙運(yùn)動(dòng)及河道沖淤演變趨勢(shì)、取水口附近底沙運(yùn)動(dòng)情況等問(wèn)題；陳孟榮，等[5]采用動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，對(duì)黃金埠電廠補(bǔ)給水取水口局部區(qū)域的水流、泥沙運(yùn)動(dòng)及地形沖淤規(guī)律進(jìn)行了研究；張勝利，等[6]通過(guò)動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，探討了引灤入津工程中黎河輸水運(yùn)用后河道演變規(guī)律、河道抵御洪水能力以及河道治理措施等內(nèi)容。此外，還有其他學(xué)者通過(guò)動(dòng)床物理模型試驗(yàn)研究河床沖淤規(guī)律、泥沙淤積[7-10]。

老木孔航電樞紐工程是岷江樂(lè)山—宜賓段航電梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第一級(jí)。樞紐成庫(kù)后，庫(kù)區(qū)河床邊界條件顯著改變，另外岷江、大渡河若干大型水庫(kù)相繼建成運(yùn)行，進(jìn)入老木孔庫(kù)區(qū)的水沙條件也相應(yīng)變化。由于大壩的壅水作用，庫(kù)區(qū)流速減緩，上游來(lái)沙在庫(kù)區(qū)淤積是必然的，其淤積速度、淤積分布、淤積量與庫(kù)區(qū)航道水流條件、河道行洪能力、大橋防沖及建港環(huán)境等關(guān)系極為密切，對(duì)工程的成敗有重大影響，因此需要通過(guò)動(dòng)床試驗(yàn)研究庫(kù)區(qū)泥沙淤積及其影響問(wèn)題。

1 河段的水沙特性

岷江是長(zhǎng)江上游的一級(jí)支流，干流全長(zhǎng)735 km，流域面積135 811 km2。岷江流域?yàn)榻邓a(bǔ)給河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨最早出現(xiàn)在4 月，主要集中在6—9月，其中特大暴雨主要出現(xiàn)在6月下旬—8月中旬，洪水陡漲陡落。據(jù)五通橋站實(shí)測(cè)洪水資料統(tǒng)計(jì)，多年平均流量2 510 m3/s。年最大洪峰流量發(fā)生在6—9月，其中7—8月份最多，占全年的90.6%，6、9月出現(xiàn)的頻次大致相當(dāng)。年最大洪峰最早出現(xiàn)在6月27日(1987年，洪峰流量16 900 m3/s)，最晚出現(xiàn)在9月5日(1982年，洪峰流量22 300 m3/s)，歷年實(shí)測(cè)年最大洪峰流量的最大值為35 300 m3/s(1955年7月14日)，最小值為9 640 m3/s(1969年8月11日)。

根據(jù)五通橋水文站實(shí)測(cè)及插補(bǔ)延長(zhǎng)后的1953—2005年懸移質(zhì)泥沙資料統(tǒng)計(jì)，并考慮大渡河下游的龔嘴及銅街子水電站的水庫(kù)攔沙作用后，五通橋水文站多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為5 240萬(wàn)t。根據(jù)干支流的入庫(kù)懸移質(zhì)年輸沙量統(tǒng)計(jì)，老木孔航電樞紐工程干支流的懸移質(zhì)年輸沙量之和為5 722萬(wàn)t。

老木孔航電工程的入庫(kù)推移質(zhì)泥沙將主要來(lái)自大渡河的支流青衣江流域。岷江上游干、支流無(wú)推移質(zhì)輸沙率實(shí)測(cè)資料，老木孔航電工程推移質(zhì)輸沙量采用推移質(zhì)輸沙率公式計(jì)算。采用五通橋水文站河段水力要素，用分組輸沙率公式計(jì)算流量與推移質(zhì)輸沙率關(guān)系，推算岷江下游老木孔河段多年平均推移質(zhì)年輸沙量為27萬(wàn)t。

老木孔航電工程壩址位于樂(lè)山市五通橋區(qū)，岷江與大渡河匯口下游約12.3 km處的岷江干流河段。樂(lè)山至宜賓段，天然落差97 m，河道平均比降0.59‰，水面寬400 ～1 000 m左右。沿河兩岸分布有較寬的臺(tái)地及漫灘，河谷呈箱形，兩岸為低山起伏的丘陵地形。庫(kù)區(qū)河段洲灘發(fā)育、汊浩縱橫、河床寬淺、水流分散、流態(tài)紊亂，工程所在河段水沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。本模型試驗(yàn)河段范圍是岷江干流府河大橋—老木孔河段(長(zhǎng)約14 km)，包括支流大渡河大件碼頭～匯流河口(長(zhǎng)約3 km)，總長(zhǎng)約17 km，如圖1。

圖1 模型布置Fig.1 Model layout

2 模型設(shè)計(jì)與相似性驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)除確保水流條件相似外，還須確保泥沙運(yùn)動(dòng)、河床沖淤的相似。

合適的模型沙是確保模型沖淤相似的重要條件。模型采用平面比尺λL=200和垂直比尺λh=100，并采用比重γs=1.33 t/m3的榮昌精煤作為模型沙，各相似比尺要求均能得到較好的滿足，詳見(jiàn)表1。

表1模型比尺匯總
Table.1Summaryofsimilarityscalesformodel

(續(xù)表1)

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 水面線驗(yàn)證

河床糙率相似是實(shí)現(xiàn)河道水面線相似的重要條件之一，為滿足模型相似的要求，保證模型與原型阻力相似，須進(jìn)行水面線驗(yàn)證試驗(yàn)。為此，采用實(shí)測(cè)的三級(jí)流量(Q=14 030，8 500，574 m3/s)的瞬時(shí)水面線資料進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)測(cè)資料計(jì)算分析，原型河床糙率為0.026～0.043，相對(duì)應(yīng)的模型河床糙率為0.017～0.028。同時(shí)模型采用小卵石梅花型加糙方式來(lái)滿足河床阻力相似要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：模型水位與原型水位相近，誤差多在±0.1 m以內(nèi)，達(dá)到了水面線相似的要求。由于瞬時(shí)水面線實(shí)際觀測(cè)時(shí)間不一致，故此處只選取部分河段洪、中、枯三級(jí)流量同一時(shí)刻瞬時(shí)水面線驗(yàn)證情況，如圖2。

圖2 水面線驗(yàn)證Fig.2 Verification of water surface profile

2.2.2 流速流向驗(yàn)證

根據(jù)四川省交通廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院2010-8-22T14：00在庫(kù)區(qū)河段實(shí)測(cè)岷江流量8 500 m3/s(其中，岷江流量為Q=5 000 m3/s，大渡河流量為3 500 m3/s)時(shí)的流速流向資料，在模型上同樣位置投放浮標(biāo)，并觀察浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)與原型比較，模型與原型浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡相近，運(yùn)動(dòng)方向吻合，表明模型表水流流向與原型基本一致。

2.2.3 河床沖淤驗(yàn)證

在前述水流條件相似的前提下，還須通過(guò)動(dòng)床驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃哟驳臎_淤數(shù)量、沖淤部位及沖淤過(guò)程的相似性。根據(jù)大渡河、岷江的水沙情況，并結(jié)合沙、卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì)驗(yàn)證時(shí)段的水沙過(guò)程分別進(jìn)行概化，其中大渡河劃分為26個(gè)時(shí)段；岷江劃分為22個(gè)時(shí)段。

模型試驗(yàn)?zāi)M了老江壩左汊驗(yàn)證河段2008-8—2009-12兩次實(shí)測(cè)河道地形沖淤變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：模型與原型沖刷量和淤積量的相對(duì)誤差分別為14.8%和9.6%，模型沖淤部位、斷面形態(tài)和高程與原型實(shí)測(cè)基本相似。因此符合相關(guān)規(guī)程的要求，驗(yàn)證河段沖淤量對(duì)照情況如表2。

表2 驗(yàn)證河段沖淤量對(duì)照

綜上所述，模型的水面線、流速流向、流速分布及河床沖淤變化等均與原型基本相似，本模型較好的復(fù)演了老木孔河段的水沙運(yùn)動(dòng)與河床演變情況，可以用來(lái)預(yù)測(cè)老木孔樞紐庫(kù)區(qū)泥沙淤積情況。

3 試驗(yàn)方案

筆者采用1 500 m堤距保留老江壩方案進(jìn)行泥沙淤積動(dòng)床試驗(yàn)，該方案兩岸防洪堤均起于庫(kù)尾附近，至下游與老木孔樞紐閘壩岸坡段以及船閘上引航道右邊墻銜接。堤線總長(zhǎng)17.73 km，兩岸防洪堤間距為1 500 m，保留老江壩。為不影響庫(kù)區(qū)行洪能力，在老江壩河段適當(dāng)加大河底開(kāi)挖深度，其堤線布置、線形及河底疏浚高程具體布置見(jiàn)圖3。根據(jù)國(guó)家防洪規(guī)范規(guī)定，老木孔樞紐庫(kù)區(qū)兩岸防護(hù)堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量Q=35 600 m3/s。

圖3 方案布置Fig.3 Layout of program

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 庫(kù)區(qū)泥沙沖淤量分析

老木孔樞紐建成運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)河段水位升高，流速減小，比降趨緩，水流輸沙能力降低，泥沙發(fā)生累積性淤積。庫(kù)區(qū)泥沙淤積量變化見(jiàn)表3。老木孔樞紐庫(kù)區(qū)左右兩岸防護(hù)堤防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，因此庫(kù)區(qū)泥沙淤積試驗(yàn)只分析20 a內(nèi)的淤積情況。

表3庫(kù)區(qū)泥沙淤積量變化

Table3Siltationamountchangeatthereservoirarea

由表3可見(jiàn)，水庫(kù)運(yùn)用10 a和20 a全庫(kù)區(qū)泥沙累計(jì)淤積量分別為750×104和1 233×104m3。后15 a平均年淤沙量為48.2×104m3，其年均淤積量?jī)H為前5 a平均淤積量的47.2%。試驗(yàn)過(guò)程中，全程監(jiān)測(cè)了出庫(kù)沙量的變化情況，至水庫(kù)運(yùn)用20 a時(shí)，出庫(kù)沙量為入庫(kù)沙量的78%左右。表明庫(kù)區(qū)河床沖淤尚未處于平衡狀態(tài)。老木孔水庫(kù)運(yùn)用20 a，庫(kù)區(qū)河段累計(jì)淤沙量1 233×104m3，泥沙淤積主要分布在老江壩以下河段(常年回水區(qū))，而老江壩以上河段(變動(dòng)回水區(qū))淤積不多。

相對(duì)而言老木孔庫(kù)區(qū)泥沙淤積量不大，分析其原因在于：①岷江上游干、支流建庫(kù)攔截了大量泥沙，使老木孔庫(kù)區(qū)的入庫(kù)懸沙總量大量減少，且粒徑變細(xì)，推移質(zhì)泥沙主要來(lái)源于青衣江，數(shù)量較少；②左右兩岸防洪堤縮窄了庫(kù)區(qū)河道的寬度，使庫(kù)區(qū)水流仍能保持一定的流速，從而具有一定的輸沙能力，使泥沙不易落淤；③流量大于10 000 m3/s時(shí)，水庫(kù)處于敞泄沖沙狀態(tài)，庫(kù)區(qū)流速、比降較大，部分淤沙被沖走，尤其是主槽沖沙效果顯著，使其基本保持微淤狀態(tài)。

4.2 庫(kù)區(qū)泥沙淤積分布分析

成庫(kù)后庫(kù)區(qū)河道普遍淤積，但淤積分布極不均衡。限于篇幅，列舉了CS50和CS65斷面沖淤變化情況，如圖4。

圖4 庫(kù)區(qū)斷面沖淤變化Fig.4 Variance of cross-section erosion at the area of reservoir

淤沙主要集中在邊灘開(kāi)挖區(qū)、岸邊緩流帶、回流區(qū)、彎道凸岸及河面放寬處等。而河道主槽淤積卻較少。重點(diǎn)淤積部位在老江壩尾至壩址河段左右兩岸邊灘開(kāi)挖區(qū)和涌斯江口附近(包括疏浚后的江心灘)。右岸邊灘淤積厚度普遍達(dá)到2 m以上，對(duì)老江壩碼頭一期工程、船閘上引航道及樂(lè)山港規(guī)劃岸線的利用帶來(lái)了不利影響。涌斯江口附近淤積厚度也達(dá)到3 m左右，增大了生態(tài)電站的維護(hù)清淤量。其次，彎道凸岸(杜家場(chǎng))及岷江河口段等(緩流區(qū))處也有一定淤積。

針對(duì)老木孔庫(kù)區(qū)泥沙淤積分布不均，分析其原因在于：與水庫(kù)運(yùn)行方式、庫(kù)區(qū)河床形態(tài)及流場(chǎng)分布等密切相關(guān)。兩岸防洪堤修建后，庫(kù)區(qū)河道規(guī)順，邊灘降低(因開(kāi)挖)，中、小流量時(shí)河床普遍淤積，但當(dāng)入庫(kù)流量大于10 000 m3/s電站停機(jī)敞泄沖沙時(shí)，由于灘、槽高差較大(達(dá)5 m左右)，水流大部分集中到主河槽內(nèi)，造成主槽流速加大，邊灘流速減小的態(tài)勢(shì)。結(jié)果是主槽淤沙大部分被帶走，而邊灘淤沙幾乎未動(dòng)，即主槽河床呈現(xiàn)沖淤交替的微淤狀態(tài)，而邊灘則成累積性淤積的態(tài)勢(shì)。

表4重點(diǎn)部位泥沙淤積情況

Table4Siltationconditioninkeyparts

4.3 泥沙淤積對(duì)樂(lè)山大佛、樂(lè)山城的影響

根據(jù)國(guó)家防洪規(guī)范規(guī)定，樂(lè)山城的城市防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，設(shè)計(jì)洪水流量Q=43 200 m3/s(P=2%)。模型實(shí)測(cè)了岷江遭遇各級(jí)頻率洪水時(shí)庫(kù)區(qū)左岸的沿程水面線，限于篇幅，僅列舉了2級(jí)流量庫(kù)區(qū)河段水面線，見(jiàn)圖5。

圖5 建庫(kù)前后庫(kù)區(qū)河段水面線 Fig.5 Water surface profile of reservoir area before and after the reservoir construction

據(jù)物理模型試驗(yàn)成果分析，水庫(kù)運(yùn)行20 a末，在樂(lè)山大佛處，當(dāng)岷江遭遇20 a一遇洪水時(shí)，淤積后的洪水位為363.86 m，較同頻率下的天然水位低0.03 m；當(dāng)岷江遭遇50 a一遇洪水時(shí)淤積后的洪水位為364.84 m，較同頻率下的天然水位低0.01 m；當(dāng)岷江遭遇100 a一遇洪水時(shí)淤積后的洪水位為365.76 m，與同頻率下的天然水位齊平。在樂(lè)山城(肖公咀)，當(dāng)岷江遭遇20 a一遇洪水時(shí)，淤積后的洪水位為364.66 m，較同頻率下的天然水位低0.02 m；當(dāng)岷江遭遇50 a一遇洪水時(shí)，樂(lè)山城(肖公嘴)水位為365.83 m，與該處天然水位一致；當(dāng)岷江遭遇100 a一遇洪水時(shí)淤積后的洪水位與同頻率下的天然水位一致。

由分析可知，老木孔樞紐按擬定的水庫(kù)調(diào)度方式運(yùn)行20 a，庫(kù)區(qū)泥沙淤積后各級(jí)頻率洪水的洪水位仍未超過(guò)建庫(kù)前同頻率下的天然洪水位，表明庫(kù)區(qū)泥沙淤積對(duì)樂(lè)山大佛及樂(lè)山城區(qū)的影響不大。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)建立老木孔樞紐庫(kù)區(qū)河段泥沙沖淤模型，利用實(shí)測(cè)資料分別從水位、流速變化和泥沙淤積分布等方面，驗(yàn)證了模型的相似性符合要求，可以用來(lái)預(yù)估庫(kù)區(qū)河道范圍內(nèi)相應(yīng)變化情況。

2)樞紐建成運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)河段水位有所升高，流速有所減少，比降將逐漸趨于平緩，水流輸沙能力也會(huì)隨之降低，泥沙沿河道發(fā)生累積性淤積，但淤積分布不均勻。泥沙淤積主要集中在岸邊緩流帶、河道邊灘開(kāi)挖區(qū)、回流區(qū)、彎道凸岸、河面放寬處等，而主槽河床呈現(xiàn)沖淤交替的微淤狀態(tài)，而邊灘則成累積性淤積的態(tài)勢(shì)。

3)老木孔樞紐按擬定的水庫(kù)調(diào)度方式運(yùn)行20 a，庫(kù)區(qū)泥沙淤積后各級(jí)頻率洪水的洪水位仍未超過(guò)建庫(kù)前同頻率下的天然洪水位，表明庫(kù)區(qū)泥沙淤積對(duì)樂(lè)山大佛及樂(lè)山城區(qū)的影響不大。

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