老木孔水库成库后乐山港港区河段泥沙冲淤演变研究

郭 华，张绪进，杜宗伟，王云丽

(1.重庆交通大学河海学院，重庆400074;2.重庆交通大学 西南水运科学研究所，重庆400016)

水库泥沙淤积［1］是河流泥沙研究的一个重要方面，淤积对于库区通航产生多种影响。国内对库区通航的研究比较多，如:卢汉才，等［2］总结了以汊流滩居多的西江航运建设一期航道整治经验;李云忠，等［3］统计比较了葛洲坝枢纽运行20年前后的滩碛演变和航道条件变化。长江航道局［4］从1992年开始对三峡工程变动回水区内港道可能发生的碍航问题进行了研究。由于老木孔航电枢纽库区河床宽浅，洲滩发育，河道地形与水流条件均十分复杂，且码头前沿岸线及老木孔防洪堤的布置均采用大挖大填的方式，对原河道地形与航道改变较大，库区泥沙淤积进一步增加了河床演变与通航水流条件变化的复杂性，研究建港前后工程河段水流条件、河床演变规律及对策措施以确保工程修建后河道行洪安全、航道畅通和港口的正常使用，具有重要的现实意义和理论价值。

1 河道概况及河床演变分析

1.1 河道概况

老木孔航电枢纽的库区乐山港老江坝作业区河段河道长约24.9 km，天然落差20.8 m，河道平均比降0.84‰。该段河谷宽约3.5 ～4.8 km，多为复式河床，洲岛发育，岔濠纵横，水流分散。为研究其泥沙冲淤演变，将该段河道分为坝址—老江坝尾、老江坝尾—乌尤寺、乌尤寺—肖公咀及其他。乌尤寺—老木孔枢纽坝址河段长约11 km，该河段地处大渡河汇入口下游，枯水河宽300～400 m，九峰镇以下河面逐渐展宽，洲滩发育，汊浩纵横，至老江坝形成宽达960 m，长约2 400 m的巨大江心洲。河道在此分为左、右两汊，左汊为主汊，分流量约占岷江总流量的3/4，是船舶航行的主航道。老木孔枢纽建成前后各级流量及坝址水位见表1。

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泥沙试验选取五通桥水文站为老木孔航电工程坝址水文分析计算的设计依据站，岷江彭山、青衣江夹江、大渡河沙坪、铜街子、福禄镇5个水文站为老木孔航电工程库区水文分析计算的设计依据站，高场水文站和乌尤寺水位站为老木孔航电工程的设计参证站。老木孔航电工程的入库输沙量及含沙量直接采用五通桥水文站的相应统计成果［5］。五通桥水文站悬移质多年平均输沙量4.240×107t，多年平均悬移质含沙量538 g/m3。输沙量年际变化较大，最大年输沙量8.940×107t(1989年)是多年平均年输沙量的2.11倍，是最小年输沙量1.370×107t(2002年)的6.52倍。输沙量年内分配很不均匀，汛期(6～9月)输沙量 4.010 ×107t，占年输沙量的94.6%，其中的 7、8两月输沙量占年输沙量的36.7%及30.4%。考虑上游水库拦沙后老木孔航电工程干支流的悬移质颗粒级配见表2。

表2 老木孔枢纽入库悬移质颗粒级配Table 2 The suspended particle gradation about the Old Wood Hole hub

1.2 河床演变分析

收集该河段1978年6月、2008年8月和2009年12月的实测河床地形图进行比较，工程河段上段有老江坝江心洲分流，左汊平均高程较右汊低2～3 m，枯水期主流循左汊下泄，中、洪水期右汊过流。左汊深泓线居中，其走向、位置变化不大(仅摆动20 m)。老江坝下游，深泓线有向左偏移的趋势，但更为顺直。在上段长约6 km河段范围内，除老江坝上游350 m和老江坝下游萝卜寺滩和牯牛滩深泓线平面位置稍有摆动(摆幅度均小于80 m)外，其余部位深泓线基本吻合，呈重叠或交错状。3次测图深泓线纵剖面变化趋势较为一致，说明该段河床在31年间未出现过较大幅度的淤积抬升和冲刷下切。工程河段深泓线不仅平面稳定，纵向变化也较小。3次实测地形所绘制出的河床横断面均基本吻合，即河床断面形态较为一致，断面深槽虽有一定的冲淤变化，但变幅均小于1 m。

2 模型设计与验证

模型的范围为岷江干流府河大桥—老木孔坝址河段(长约14 km)，支流大渡河大件码头—河口(长约3 km)，模拟原型河道总长约17 km，这样确保模型进口河段水流要素的相似性，也便于控制模型尾门的水位，具体布置见图1。设计时考虑模型水流应同时满足阻力相似和重力相似;悬沙应同时满足沉降相似，扬动相似和挟沙能力相似;底沙须同时满足起动相似、沉降相似和输沙量相似。由于岷江上游干、支流建库的拦沙作用，进入本库区的泥沙以悬移质为主，入库沙量虽较前减少了60%左右，但仍是本库区淤积的主要来源，推移质进入本库区的数量甚少。

图1 模型范围及河势Fig.1 The model range and river regime

2.1 模型沙的选择与比尺确定

考虑到河段的河岸多年来变化很小，故河岸为定床，河床采用动床。动床河工模型的平面比尺为λL=200，垂直比尺为 λh=100，模型变率为 η=2。原型河床糙率为0.026～0.043，相应模型河床糙率为0.017～0.028，采用小卵石梅花型加糙。试验选用荣昌精煤作模型沙，其容重为1.33 t/m3。

悬移质粒径比尺采用适合于滞流区、过渡区和紊流区的武汉水电学院公式［6］计算:式中:ω为泥沙沉速;d为泥沙粒径;υ为动力黏滞系数。

原型悬沙 d50为0.022 mm，模型悬沙为 0.020 mm。悬移质起动流速比尺，采用沙玉清公式和张瑞瑾公式［7］计算:

式中:δ为薄膜水厚度，δ=0.000 01 mm;ε为孔隙率，稳定值为0.4;d为泥沙粒径;h为水深。

式中:H为水深m。

我知道停尸房里每天有几具死于手术中的尸体，在忙碌的手术室里我习惯性地记住他们的名字，通过尸身脚上悬挂的名牌把尸身从紧闭的不锈钢冰箱门推出，移至解剖台上。今天骨骼大军即将迎来他们的第207个士兵，一个全膝关节。我会为死者替换他的膝盖，完成全膝关节表面置换术。追悼仪式后，死者与他的关节假体在他亲人的嚎哭中被大火淹没，而他真正的膝关节将永存于世。

为使式(2)、式(3)能统一到泥沙颗粒这一标准上来，参照以往对天然沙的试验，该粒径范围的泥沙扬动流速Vf约为启动流速的1.4倍，取其平均值作为天然状态泥沙的扬动流速。对模型沙的扬动流速，由水槽试验确定。模型沙实际扬动流速较模型沙要求的扬动流速偏大7.4% ～17.9%。悬移质挟沙能力比尺 λs=0.398，悬移质输沙时间比尺 λt(悬)=157。模型沙与原型沙悬移质级配见图2。推移质粒径比尺、输沙率比尺和推移质运动时间比尺分别为:λd=21.6，λgb=348.0，λt(推)=167。模型比尺汇总见表3。

图2 原型沙与模型沙的悬移质级配曲线Fig.2 Gradation curves of suspended matter about prototype and model

表3 泥沙模型比尺汇总Table 3 Summary of sediment model scale

(续表3)

2.2 模型试验控制

模型试验流量分级及老木孔枢纽坝址处相应水位系根据中国水电顾问集团成都勘测计研究院提供的天然河道和水库建成后老木孔枢纽坝址处的水位流量关系确定，模型进口流量(岷江、大渡河)分别由两个量水堰控制，模型尾水用翻板门，并安装自动水位跟踪仪调节。在进水口设置含沙量监测点，每15 min采样一次进行快速颗分和比重瓶测含沙量，持续时间在1 h以上的流量级进行全颗分实验，实时进行含沙量及泥沙级配跟踪，并通过搅拌池加水加沙及时调节。

2.3 动床模型验证

2.3.1 水面线、分流比及流速分布验证

采用现有实测的洪、中、枯 3级流量(Q=14 030、8 500和574 m3/s)的瞬时水面线资料(图3)，作为校核模型与原型河床阻力相似的依据。枯水验证误差在±0.1 m以内，中水验证最大误差为0.12 m，洪水验证误差在 ±0.1 m。流向采用浮标法，各级流量下主流位置与原型基本一致;垂向速度以乌尤寺断面垂向流速进行验证(图4)，误差在±10%，老江坝左右汊分流比见表 4，误差为2.47%。模型验证成果符合模型试验规程的要求。

图3 水位验证Fig.3 Water level verification diagram

图4 乌尤寺上断面垂线流速验证(Q=4 200 m3/s)Fig.4 Vertical flow velocity verification of Wuyou Temple section

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2.3.2 河床冲淤验证

以2008年8月实测地形制模，施放2008年8月至2009年12月之间的水沙过程。对照2009年12月地形检验模型河床冲淤的相似性。模型尾门水位按两江汇合后的总流量由水位流量相关曲线控制。原型冲刷量为5.12×105m3，淤积量为9.61×105m3，模型相同河段同一时期内的冲刷量为4.36 ×105m3，淤积量为为8.69 ×105m3。模型与原型冲刷量和淤积量的相对误差分别为14.8%和9.6%，符合相关规程的要求。验证河段模型冲淤分布如图5，其冲淤部位与原型基本一致。水流与河床冲淤验证结果表明本泥沙模型设计、选沙及各项比尺的确定是合理的，模型相似性较好。

图5 验证河段冲淤分布Fig.5 Scouring and silting distribution of validation

3 试验分析

通过正常蓄水水位、流场分布和洪水淹没比较，试验方案采用定床试验成果［8］，即1 500 m堤距保留老江坝方案。

3.1 入库水沙条件

3.2 淤积过程及淤积量

老木孔枢纽建成运行后，库区河段水位升高，流速减小，比降趋缓，水流输沙能力降低，泥沙发生累积性淤积。水库运行初期库区河床淤积较快，前5a累计淤积量5.10×106m3，每年平均淤积1.02×106m3。随着水库运用年限的增长，泥沙淤积量逐渐增大，但淤积速率逐渐放慢。

由表5可见，水库运用10a，15a和20a试验库区河段泥沙累计淤积量分别为 7.50×106m3、1.009×107m3和1.233 ×107m3。后 15a平均年淤沙量为4.82×105m3，其年均淤积量仅为前5a平均淤积量的47.2%。后15a平均年淤沙量为4.82×105m3，其年均淤积量仅为前5a平均淤积量的47.2%。试验过程中，全程监测了出库沙量的变化情况，至水库运用20a时，出库沙量为入库沙量的78%左右，表明库区河床冲淤尚未达到平衡状态。老木孔水库运用20a，库区河段累计淤沙1.233×107m3，泥沙主要淤积在水库常年回水区(老江坝以下河段)，而变动回水区(老江坝以上河段)淤积甚少。水库运用20a，坝址—老江坝尾河段泥沙累计淤积量为9.78×106m3，占库区累计淤沙总量的79.3%;老江坝尾—乌尤寺(老江坝右汊)河段泥沙累计淤积量为1.82×106m3，占库区淤沙总量的14.8%，乌尤寺—肖公咀河段泥沙累计淤积量为2.0×105m3，占库区累计淤沙总量的1.6%。

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3.3 淤积分布

成库后库区河道普遍淤积，但淤积分布极不均衡，如图6。淤沙主要集中在边滩开挖区、岸边缓流带、回流区、弯道凸岸及河面放宽处等，而河道主槽淤积却较少。重点淤积部位在老江坝尾至坝址河段左右两岸边滩疏浚区，老江坝右汊及涌澌江口附近(包括疏浚后的江心滩)，见表6。

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图6 淤积平面分布Fig.6 Cholestasis plane distribution

老江坝右汊河床较左汊高2～3 m，天然情况下该汊的分流比较小(约25%)，且河道相对弯曲，加上在建的乐自公路大桥桥墩的阻水作用，使得建库后右汊逐渐淤积，汊道上游进口、下游出口及中段靠近江心洲的河道淤沙较明显。至水库运行20a末，右汊泥沙淤积量已达1.06×106m3，占同期港区全河段淤沙总量的8.6%，而且呈现继续淤积的趋势。右汊出口以下右岸边滩淤积厚度普遍达到2 m以上，影响老江坝码头一期工程、船闸上引航道及乐山港规划港区的正常使用。涌澌江口附近淤积厚度也达到3 m左右，增大了生态电站进口河段的维护清淤量。其次，弯道凸岸及岷江河口段(缓流区)等处也有一定淤积。

造成库区泥沙淤积分布不均的原因与水库运行方式、库区河床形态及流场分布等密切相关。按设计拟定的水库运行方式，当入库流量小于5 000 m3/s时，坝前水位按358 m控制，此时库区流速较小，泥沙普遍淤积，尤其是水库的常年回水区泥沙淤积更为明显，两岸边滩逐渐淤高，当入库流量为5 000～10 000 m3/s时，老江坝尾以下河段仍处于常年回水区，水流缓慢，泥沙仍以淤积为主，只有当入库流量大于10 000 m3/s，电站停机敞泄冲沙时，库区淤沙才有冲刷的可能，但由于库区河床滩、槽高差较大，水流大部分集中到主河槽内，造成主槽流速、比降显著大于边滩流速、比降，其结果是主槽淤沙大部分被冲走，而边滩淤沙则几乎未动，即主河槽呈冲淤交替的微淤状态，两岸边滩则成累积性淤积的态势。主槽淤积粒径较粗(0.031 mm ＜ d50＜0.042 mm)，边滩淤沙粒径较细(0.022 mm ＜d50＜0.033 mm)。

3.4 淤积对通航水流条件的影响

水库建成运行后，库区河床逐渐淤高，到水库运用20a末，老江坝尾至坝址河床(主要是两岸边滩)普遍淤高2 m以上。该段过水面积较建库初期略有减小，流速有所增加。当入库流量为5 000 m3/s(坝前水位356 m)时，主槽流速较建库初期增加0.1～0.2 m/s。当入库流量为10 000 m3/s(坝前水位356 m)时主糟流速增加0.2～0.4 m/s。老江坝河段泥沙淤积部位主要分布在老江坝尾及左、右两岸防洪堤前沿一带，主槽淤积较少。但由于该河段处于水库的回水变动区，泥沙淤积对流速的影响较为明显。当入库流量为10 000 m3/s时，主槽流速较建库初期增加0.3～0.7 m/s。老江坝以上河床泥沙淤积较少，对流速的影响不大。

尽管有上述变化，但泥沙淤积对航道条件并未造成太大的影响，水库运行20a，航道尺度仍十分富裕，航宽、航深及弯道半径远大于岷江Ⅲ级航道标准，通航水流条件(Q﹤10 000 m3/s)亦满足设计船舶(队)的通航要求。

4 结论

笔者以动床河工模型试验研究老木孔库区即将建设的乐山港港区河段泥沙冲淤演变及其通航影响。试验结果表明水库运行后泥沙普遍淤积，淤沙速率随运用年限增加逐渐放缓，到运行20a仍未达到淤沙平衡，但对于库区内的通航影响较小，能满足规划设计的Ⅲ级航道要求，为乐山港的建设使用起指导作用。

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