三峡变动回水区猪儿碛河段冲淤特性分析

楚万强，耿亚杰，张玉昶

(黄河水利职业技术学院，河南开封475003)

三峡水库145～175 m正常蓄水后，变动回水区位于重庆江津红花碛与长寿之间［1］，猪儿碛河段位于变动回水区中段，是重庆河段的主要碍航段，对研究三峡库区变动回水区泥沙冲淤规律有良好的代表性。笔者通过物理概化模型试验以及实测资料，分析了该河段的冲淤特性和影响冲淤的主要因素，对充分认识三峡库区变动回水区冲淤规律、制定合理的水库调度计划有重要意义。

1 河段概况

猪儿碛河段是重庆主城河段的一个浅滩段，位于重庆海棠溪弯顶处，河段长3.5 km，河段上游有连续急弯，河段下游距长江与嘉陵江交汇处约1.5 km，洪水期河宽大于800 m。该河段两岸由坚硬岩石构成，河床床面组成主要为是砂卵石，江中有巨大的心滩和多处暗礁，主航道位于江心处，河段内水流条件较复杂，泥沙运动剧烈，常在消落期因航深不足而引起碍航。图1为猪儿碛河段的河势，其中矩形边框为此次模型试验的研究范围。

图1 猪儿碛河段河势Fig.1 Zhuerqi river flow regime

1.1 模型比尺

根据模型试验［2］范围、试验研究目的、场地要求、相似性原理所要求的水流流态、表面张力等条件，本模型采用平面比尺和垂直比尺相等的正态模型。根据河工模型制作的要求［3］，必须满足基本的相似条件。表1中列出了满足几何相似、重力相似以及阻力相似等相似条件［3］的模型比尺。

表1 模型比尺Table 1 Model scale

1.2 概化模型试验布置

对该河段进行多次采样，并测得其河床质中值粒径约为110 mm，推移质中值粒径约为55 mm，根据正态模型采用的平面和垂直比尺，动床铺沙采用35%中值粒径为0.5～1 mm。65%中值粒径为1～3 mm的混合沙，由于该河段实际输移的推移质中径较小，因此在模拟上游河段泥沙补给所添加的模型沙都用中径为0.5～1 mm的细沙。根据几何相似比尺，模型航槽深度为2 cm。时间比尺可按一般教科书正态模型时间比尺计算方法得出，为24.5。同理可知单宽输沙率比尺为302。

加沙强度按该河段实测上游来沙量按单宽输沙率比尺换算，加沙带见图1。模型开始试验后，根据加沙断面的泥沙实际输移情况和主流带的位置，确定主要加沙范围为离加沙带断面左岸135～220 cm，其他位置视床沙运动情况适当进行模型沙补给。

模型采用2009年全年实测流量过程，尾门水位采用模型下游约1.5 km处玄坛庙水文站实测数据，见表2。

2 冲淤特性分析

2.1 年内周期性冲淤变化特性

变动回水区河段同时具有水库和天然河道双重特性［4］，汛期呈天然河道特性，枯水期则呈水路特性。三峡水库正常蓄水运行后，猪儿碛河段有冲淤，冲淤变化复杂［5］，年内冲淤变化过程可分为消落期前的微淤，消落期冲刷、汛期充水淤积以及汛末、汛后的冲刷4个阶段，周而往复。通过试验过程冲淤现象及泥沙输移情况统计资料(表3)，结合该河段实测数据，对各阶段冲淤变化进行分析。

表3 猪儿碛河段模型泥沙输移统计Table 3 River sediment transport statistics of Zhuerqi reach

消落期前微淤阶段，猪儿碛上游河段来流量较小，且此时三峡坝前水位高，保持在175 m附近，该河段比降一般在0.3‰以下，水流流速不大，对河床床面剪应力小，致使水流挟沙能力不足，所以整个河段有淤积趋势，由于上游段来沙量也不大，所以呈微淤状态［6］。

消落冲刷阶段，流量逐渐增大，但幅度不大，此时三峡库区水位不断下降，回水末端不断向下移动，此前处于库区特性的河段突然转变为天然河道特性，主流归槽，在上游来水来沙量变化不大的情况下，航道内水面坡降大，水深浅，水流流速大［7］，整个变动回水区回水末端以上区域主槽被冲刷，泥沙向下推移，而回水末端以下仍然呈库区特性，水流挟沙能力不足，因此整个变动回水区上冲下淤，上游推移的淤沙都集中在回水末端，像“滚雪球”一样聚集并向下游输移。

汛期充水淤积阶段，上游来水来沙都大幅增加，水流流速及水流对河床面剪应力的增大提升了水流挟沙力，但此时主流右移，边滩冲刷，深槽成缓流、回流区，泥沙大量落淤。由于此时三峡水库处于蓄水阶段，坝前水位不断抬升减小了该河段的水面比降，阻碍了床面水流流速的增大，并且汛期上游来沙量较大，河段上游补给的泥沙大于向下游输移量，整个河段呈淤积趋势，也是该河段这要的淤积期。

汛末、汛后冲刷阶段，上游来水来沙量减小，水位降低，水流重新回归主槽，冲刷汛期内淤积的泥沙，整个河段呈冲刷趋势。

2.2 冲淤量变化及分布

三峡水库175 m方案蓄水运行以后，猪儿碛河段冲淤变化复杂，年内淤积量为0.67×106m3，基本呈微淤趋势。当上游来流量大于7 005 m3/s时，主流右移，冲滩淤槽，当来流量回落至4 223 m3/s以下时，主流归槽，冲槽淤滩。对模型各处冲淤情况(表4)进行分析，猪儿碛河段的边滩淤积厚度较浅，淤积强度(0.22 m)远远小于主槽(1.06 m)，整个河段内主槽的淤沙也基本将2009年疏浚的1.5 m航槽全部回填。该河段淤积的泥沙主要落淤在主槽内，槽、滩淤积量比为1.80︰1。对整个断面的粗化情况进行取样统计，这个河段呈细化趋势，主槽的细化程度略高于两岸边滩，这也与实际淤积情况相一致。

表4 猪儿碛河段模型泥沙淤积分布统计Table 4 Sediment deposition distribution statistics of Zhuerqi of reach

3 影响河床冲淤的主要因素

影响河床冲刷量的直接因素是床面水流对河床的剪应力及大冲刷强度的持续时间［8］。前者主要受上游来水来沙量、坝前水位影响，而影响后者的因素主要有消落时间和汛期长短。

3.1 来水来沙量

一般而言，上游来水量越大，水位随之抬高，在坝前水位不变的情况下，水面坡降增大，流速陡增，可增大水流的挟沙力。

根据河流动力学的基本原理，河床变化的实质是上游来沙与河段输沙共同作用的结果，若上游来沙量大于河段输沙量，则河段呈淤积趋势，反之呈冲刷趋势，若两者相等，则河段河床基本保持冲淤平衡。

3.2 坝前水位

当猪儿碛河段来流量一定时，影响该河段水流流速的最主要因素就是河段下游处玄坛庙站的水位，而玄坛庙站水位高低又受坝前水位控制。根据2009年实测流量过程与坝前水位变化过程进行模拟，根据模型试验实测结果，猪儿碛河段的冲刷强度与上游来流量、坝前水位的关系如图2。

由图2可见：

1)当上游来流量一定时，冲刷强度随着坝前水位的增加呈单调递减趋势，由于大强度冲刷期(10 000 m3/s≤Q≤15 000 m3/s)仅占1/3，因此三峡水库蓄水期越长，该河段淤积量也越大。

2)当坝前水位一定时，冲刷强度随着上游来流量逐渐增大不断增大，当Q=12 000～13 000 m3/s，冲刷强度最大，此后冲刷强度随着来流量增大逐渐减小，达到一定程度后，河段转为淤积趋势。

图2 冲刷强度与上游来流量、坝前水位关系Fig.2 Relationship among scour strength，the upstream flow and the water level in front of dam

3.3 消落期和汛期长短

经分析可知，该河段在消落期呈冲刷趋势，在汛期呈淤积趋势，因此，年内消落期越长、汛期越短，则该河段的冲刷量越大;反之该河段内淤积量越大。

4 结论

通过对重庆主城猪儿碛河段的模型试验研究，进一步认识了三峡库区变动回水区的泥沙冲淤规律及对河势变化的影响。总体来看，该河段年内可分为消落期前的微淤，消落期冲刷、汛期充水淤积以及汛末、汛后的冲刷4个阶段，整个河段呈累积性微淤，年内冲淤基本平衡，淤积区域分布较广，主要落淤在主槽内，落淤在主槽内的泥沙占总量的64%，整个河段内泥沙不断细化，其中主槽的细化度要高于两岸边滩。

对影响河床冲淤的主要因素进行分析，可知当该河段上游来流量Q=12 000～13 000 m3/s时冲刷强度最大，为减小变动回水区的泥沙淤积，优化重庆主城河段的航运条件，可选择朱沱流量Q=12 000 m3/s时开始消落泄水，这样既能保证消落期开始时的冲刷强度，又能保证有充分的消落时间。

泥沙的运动及变化过程是相当复杂的，以本文为例，该河段的冲淤状况除了与上述情况有关外，还与两江交汇的互相顶托作用、汛末阶段河段特性由天然河道特性转为库区特性后，河段末回水作用等密切相关，笔者未能做深入的研究，结论还有待进一步的拓展和完善。

［1］钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京：科学出版社，1983.Qian Ning，Wan Zhaohui.Sediment Movement Mechanics［M］.Beijing：Science Press，1983.

［2］沙玉清.泥沙运动学引论［M］.北京：中国工业出版社，1965.Sha Yuqing.An Introduction to Silt Kinematics［M］.Beijing：China’s Industrial Publishing House，1965.

［3］钱宁，张仁，周志德.河床演变学［M］.北京：科学出版社，1989.Qian Ning，Zhang Ren，Zhou Zhide.Riverbed Evolution Learning［M］.Beijing：Science Press，1989.

［4］谢鉴衡.河床演变及整治［M］.武汉：武汉大学出版社，2000.Xie Jianheng.Riverbed Evolution and Control［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2000.

［5］王世夏.水工设计的理论和方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.Wang Shixia.Hydraulic Design Theory and Method［M］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2000.

［6］张强.三峡库区土脑子河段冲淤特性分析［J］.长江工程职业技术学院学报，2006，23(3)：16-18.Zhang Qiang.Analysis of aggradation and degradation of Tunaozi reach Three Gorges，in Three Gorges reservoilr area［J］.Journal of Changjiang Engineering Vocational College，2006，23(3)：16-18.

［7］Kunhnle R A.Incipition motion of sand-gravel sediment mixtures［J］.Journal Hydraulic Engineeering，1993，119(2)：1400-1415.

［8］胡鹏，胡江.中咀坡水电工程溢洪道水工模型试验研究［J］.重庆交通大学学报 ：自然科学版，2010，29(5)：813-815.Hu Peng，Hu Jiang.Experimental study on the hydraulic model of spillway in Zhongzuipo hydroelectric power projects［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2010，29(5)：813-815.