三峽水庫(kù)蓄水后婁溪溝河段河床演變分析

李 旭，周海霞，陳 晴，陳 李，吳卓爾

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.中交二公局萌興工程有限公司，宜昌 湖北 443000）

1 河段自然條件

1.1 地理位置、平面形態(tài)

婁溪溝河段上起蘇家灣，下至舀魚(yú)背，全長(zhǎng)8.5 km，河段平面形態(tài)較為平順，上接倒鉤磧急彎，下連九龍灘細(xì)沙淺灘，中間有磚灶子、粗柄磧等暗礁伏于河心，右岸有亂掘地、舀魚(yú)背向航槽凸伸（圖1），航道條件十分惡劣，是重慶主城河段主要灘險(xiǎn)河段之一［1］，枯水航深不足而影響通航能力。

1.2 地質(zhì)條件

婁溪溝河段屬川江大比降山區(qū)河流，河岸巖石組成較為堅(jiān)硬，河床變形主要以推移質(zhì)為主。當(dāng)江水流經(jīng)“向斜”地段，由于頁(yè)巖和砂巖的抗侵蝕能力弱，易受破壞，故江流向兩側(cè)擴(kuò)張，河床逐漸被侵蝕為寬谷。整個(gè)河段的河床形態(tài)主要呈U形或V形［2-3］。

河段兩岸地質(zhì)構(gòu)造位于高坪~曹家灣背斜核部及南西翼，研究區(qū)未見(jiàn)斷層發(fā)育。高坪~曹家灣背斜軸向北西西向，東端轉(zhuǎn)為北西向，核部為寒武系中、上統(tǒng)地層，兩側(cè)產(chǎn)狀對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)狀較平緩［4-7］，延伸長(zhǎng)度>12 km，核部寬度>2 km。

1.3 河道特性及沖淤規(guī)律

三峽大壩蓄水前，庫(kù)區(qū)回水末端位于重慶主城以下，整個(gè)婁溪溝河段不受回水影響，呈天然河道特性，河段內(nèi)洪沖枯淤，年際間沖淤平衡［1］。蓄水175 m后，回水末端位于重慶江津，整個(gè)河段處于回水區(qū)內(nèi)，水位抬升，水面比降、流速放緩，流速呈水庫(kù)特性［8］，沖淤規(guī)律也發(fā)生重大變化。

圖1 婁溪溝河段河勢(shì)圖

2 河段二維數(shù)模的建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

本文采用Aquaveo.SMS（地表水系統(tǒng)模擬軟件）進(jìn)行模擬計(jì)算，建立婁溪溝河段二維數(shù)學(xué)模型，選用FESWEMS（有限單元法）模塊。為保證精度，網(wǎng)格間距設(shè)為10 m，全河段共有80 521個(gè)節(jié)點(diǎn)及39 808個(gè)網(wǎng)格（圖2）。

圖2 婁溪溝河段網(wǎng)格示意圖

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)蓄水前后的多次實(shí)測(cè)資料，驗(yàn)證模型計(jì)算精度，部分結(jié)果見(jiàn)表1，驗(yàn)證斷面位置見(jiàn)圖1。從表1可見(jiàn)，大部分水位值數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算誤差小于0.1 m，流速值數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差小于0.1 m/s，可見(jiàn)本文建立的婁溪溝河段二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度較高，適用于該河段水流條件的模擬計(jì)算。

表1 數(shù)模驗(yàn)證結(jié)果

3 蓄水后婁溪溝河段河床演變分析

3.1 水動(dòng)力條件變化

為比較蓄水前后婁溪溝河段水動(dòng)力條件變化，選擇該河段最大頻率流量Q=3 520 m3/s作為計(jì)算流量，蓄水前后的尾水位由相應(yīng)的流量確定（長(zhǎng)江上游水文局實(shí)測(cè)資料），分別為166.52 m和174.89 m。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，建立婁溪溝河段的二維水流數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)圖3。由圖3可知，三峽大壩175 m方案蓄水后，婁溪溝河段尾水大幅抬高，水位上升，水面比降放緩，過(guò)水面積大幅增加，流速急劇下降，水動(dòng)力條件變化較大。其中，蓄水后整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娑继幱诰徚鳡顟B(tài)［9］，流速分布較為均勻，因此流速、水動(dòng)力條件變化最大的區(qū)域主要集中在主航槽處。

圖3 蓄水前后婁溪溝河段流場(chǎng)圖

根據(jù)收集的實(shí)測(cè)資料及二維數(shù)模計(jì)算結(jié)果，得到蓄水前后婁溪溝CY38斷面的水動(dòng)力條件變化，見(jiàn)表2。其中，推移質(zhì)輸沙率選用蘇家灣上游1 km處落中子水文站實(shí)測(cè)資料，水流功率參照文獻(xiàn)［1］進(jìn)行計(jì)算。

由表2可知，蓄水后，婁溪溝河段各水力因子發(fā)生大幅變化，并綜合影響導(dǎo)致水流功率急劇下降，水流挾沙能力減小，同時(shí)，上游來(lái)沙量也大幅下降，相當(dāng)于減少了上游來(lái)沙補(bǔ)給，由于水流功率的減小幅度大于上游來(lái)沙量的減小幅度，因此斷面將呈淤積趨勢(shì)。

表2 蓄水前后婁溪溝河段水動(dòng)力條件變化

3.2 河段主要淤積部位及淤積量分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，以2006年河床高程為基準(zhǔn)高程［10-11］，2006年-2011年的河段淤積分布見(jiàn)圖4。

圖4 婁溪溝河段2006-2011年淤積分布圖

對(duì)比分析婁溪溝河段發(fā)生淤積區(qū)域、各典型斷面上的淤積部位及該河段水動(dòng)力條件分布可發(fā)現(xiàn)，泥沙容易在彎道的回流、緩流區(qū)以及沱內(nèi)、潛磧兩側(cè)糙率較大的粘滯區(qū)域淤積，淤積部位主要集中在水動(dòng)力軸線另一側(cè)的邊灘處，主航槽內(nèi)的淤積趨勢(shì)則不明顯。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，以2006-05水下地形為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，整理得到2006-2011年的淤積變化過(guò)程，見(jiàn)表3。

由表3可知，蓄水前天然情況下，婁溪溝河段年際間基本維持沖淤平衡，蓄水后，由于水動(dòng)力條件突然改變，河段淤積明顯。隨著三峽水庫(kù)維持175 m高水位運(yùn)行，婁溪溝河段呈累積性淤積趨勢(shì)，淤積速度逐漸下降。

表3 婁溪溝河段2006年-2011年淤積變化過(guò)程

3.3 河段演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

（1）婁溪溝河段在天然情況下河床演變基本保持年際間平衡，河勢(shì)較為穩(wěn)定。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，該河段位于水庫(kù)回水區(qū)內(nèi)，壩前壅水抬高了河段尾水位，極大地減小了水流流速、水面比降和水流功率，破壞了原有的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，河段演變趨勢(shì)發(fā)生變化。

（2）建庫(kù)后，河段水流功率下降的幅度大于來(lái)沙量下降幅度，來(lái)沙量大于輸移量，河段呈累積性淤積趨勢(shì)。隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，庫(kù)區(qū)淤積速度減緩，累積性淤積增加，河床抬高，庫(kù)水位增加。長(zhǎng)期來(lái)看，常年庫(kù)區(qū)河段呈累積性淤積的趨勢(shì)不會(huì)發(fā)生改變。

（3）從淤積區(qū)域來(lái)看，蓄水后泥沙淤積區(qū)域與蓄水前天然情況一樣，主要分布在開(kāi)闊段，回流、緩流區(qū)以及磧壩、邊灘的邊緣。

（4）根據(jù)長(zhǎng)科院的研究，三峽成庫(kù)30年后，長(zhǎng)壽—重慶段長(zhǎng)87.42 km的河段總共淤積泥沙約為4.64億m3，平均每公里的泥沙淤積強(qiáng)度為0.053億m3［10-12］。按此計(jì)算，該河段8.5 km共累積性淤積泥沙約為0.45億m3，平均淤積厚度約為3.65 m。由此來(lái)看，該河段在三峽水庫(kù)正常運(yùn)行以后，河道演變的趨勢(shì)將以累積性淤積為主，具體表現(xiàn)為：建庫(kù)初期，河道泥沙將大量落淤，庫(kù)區(qū)河床將逐年抬高，河道過(guò)水?dāng)嗝娴闹鹉隃p小又將使水流流速不斷增加；而水流流速的增加，又會(huì)使泥沙淤積速度變緩，直至河段達(dá)到新的沖淤平衡狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）蓄水后，該河段淤積主要發(fā)生在蘇家灣左側(cè)邊灘及鄭家沱右側(cè)緩流區(qū)，淤沙抬升河床，并逐漸向航槽移動(dòng)，束窄航道；而主航槽與深泓線附近水流功率遠(yuǎn)大于邊灘區(qū)域，淤積趨勢(shì)并不明顯。

（2）該河段在三峽大壩蓄水前后淤積速度變化較大，蓄水前，該河段年平均落淤厚度為0.04 m，局部河段最大落淤厚度為3.17 m，而在蓄水后，該河段年平均落淤厚度達(dá)0.23 m，局部河段最大落淤厚度可達(dá)6.12 m，泥沙落淤量為蓄水前的5.57倍，淤積速度迅猛提升。

（3）建庫(kù)初期，河道水動(dòng)力條件驟然改變，泥沙大量落淤，該河段長(zhǎng)期呈累積性淤積狀態(tài)的趨勢(shì)；隨著上游來(lái)沙的減少以及航槽束窄、流速增大，泥沙輸移能力增強(qiáng)，又使泥沙淤積速度變緩，直至呈新的沖淤平衡，屆時(shí)河段的高程分布將發(fā)生大幅改變，其中，兩岸邊灘淤積量最大，航槽內(nèi)淤積量次之，河床斷面由U形向V形發(fā)展。

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