三峡工程坝下游河段控制节点演变及护底试验效果分析

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

1 河段概况

宜昌至杨家脑河段上起宜昌市镇川门,下至枝江市百里洲尾的杨家脑，全长约115.5 km，为低山丘陵地区过渡到平原地区的连接段，河道蜿蜒曲折，洲滩较为发育，沿程弯道、洲滩与深槽并存(见图1)。

按照河段特点通常将该河段细分为宜昌、宜都和枝江3个河段。其中宜昌河段为镇川门至虎牙滩，长19.4 km;宜都河段为虎牙滩至枝城水文站，长39.6 km;枝江河段为枝城至杨家脑，长56.5 km。

2 水沙变化特性

图1 长江宜昌至杨家脑河段河势图

水量变化：长江水量丰沛，葛洲坝水库蓄水前宜昌站多年平均径流量为4 518亿m3，蓄水后多年平均径流量为4 348亿m3。三峡水库蓄水运行后多年平均径流量为3 900亿m3，较天然时期、葛洲坝独立运行期分别减少14%,10%。由于三峡水库担负防洪、发电、航运及生态4大功能，尤其是枯水期水库向下游生态补水及兼顾下游航运，坝下游径流量年内分配发生明显的变化，三峡水库蓄水运行后1—4月份枯水期径流量较蓄水前所占比例明显增大(见表1)。

表1 宜昌站流量年内分配统计表

注:汛期系指5—10月。

沙量变化：葛洲坝水库蓄水前、后悬移质输沙量分别为5.15，4.59亿t，蓄水后悬移质来量减少10.9%左右。三峡水库蓄水运行后多年平均来沙仅为0.482亿t，分别为天然时期和葛洲坝运用后的9.4%和10.5%，来沙量减少明显。输沙量年内分配也因水库调度发生了变化，汛期5—10月输沙量占全年比例在逐步增加(见表2)。

表2 宜昌站悬移质泥沙年内分配统计表

注:汛期系指5—10月。

水流含沙量天然时期和葛洲坝水库运用后分别为1.176，1.054 kg/m3，三峡水库运用初期多年平均含沙量为0.116 kg/m3，水流含沙量大幅减少，分别仅为天然时期和葛洲坝运用后的9.9%和11.0%。

由于葛洲坝、三峡两大枢纽的建设与运行，使坝下游河道来水来沙特性发生改变，也导致了坝下游河道的演变特性在相应发生改变。

3 控制节点演变及枯水位下降

3.1 枯水水位控制节点确定

河道恒定非均匀渐变流条件下的水面线，能量方程表示为

式中：z为水位；V为断面流速；s为流段长度；α为动能修正系数；ξ为局部水头损失；Jf为水力坡度。其中z=河底高程+H(水深)，V=Q(流量)/A(对应流量断面过水面积)。能量方程显示：河底高程及断面过水面积同为影响沿程水面线变化的因素。①当下游河道某处河底高程较高时，对上游水面线有控制作用；②给定流量条件下断面面积较小时,局部水头损失会达到最大。因此，确定控制节点即找到给定流量条件下断面面积较小或河底高程相对较高的河段或者控制断面。

依据坝下游河段枯水流量下过水面积沿程分布、深泓纵剖线以及实测沿程水面线，综合考虑确定出宜昌枯水位关键控制节点为胭脂坝、宜都弯道的南阳碛及芦家河浅滩，虎牙滩、古老背、大石坝、外河坝、关洲上口、董市洲上口、柳条洲、杨家脑为宜昌枯水位一般性控制节点。在这些控制节点中胭脂坝、宜都弯道的南阳碛及芦家河浅滩相对应的控制断面分别为宜40及宜45、宜62、荆12；虎牙滩、古老背、大石坝、外河坝、关洲上口、董市洲上口、柳条洲、杨家脑则相对应控制断面分别为宜50、宜53、宜69、枝2、荆5、董10、江1、荆21。

表3 三峡水库蓄水运行以来宜昌至杨家脑河段冲淤量统计

注：受坝下游河道冲刷的影响，河段相同流量级下对应的水面线有所变化，因此，宜昌—杨家脑河段的冲淤量计算每年均采用当年度推算的最新相应流量级的水面线成果进行。

3.2 河床演变分析

3.2.1 河床冲淤分布

自2003年三峡水库蓄水运行以来，坝下游宜昌—杨家脑河段洪水河槽(对应流量为50 000 m3/s)下累积冲刷量达到2.77亿m3，枯水河槽下累积冲刷量达到2.45亿m3，以枯水河槽的冲刷为主。累积冲刷幅度较大的河段在宜都—枝城、关洲—董市洲及柳条洲—杨家脑。三峡水库135～139 m运行期2002—2006年及145～156 m运行期2006—2008年坝下游河段强冲刷带在宜都河段，175m试验性运行期后强冲刷带明显下移至枝江河段(见表3)。

宜昌河段枯水河槽下累积冲刷0.13亿m3，河段经历了剧烈冲刷至一般冲刷至冲淤交替的过程，主要冲刷时段在三峡135～139 m运行初期，冲刷主要区域为胭脂坝—虎牙滩河段，2005年后宜昌河段河床开始出现少量泥沙淤积，目前宜昌河段已基本达到冲淤平衡。

宜昌枯水位关键控制河段的胭脂坝河段枯水河槽下总计冲刷0.06亿m3，其中2003年冲刷量即达到0.05亿m3，2003年后胭脂坝河段多表现为淤积。

宜都河段枯水河槽下累积冲刷1.19亿m3，河段经历了剧烈冲刷—一般冲刷的持续冲刷过程，该河段主要冲刷时段在135～139 m运行期及145～156 m运行期，冲刷区域主要集中在白洋—枝城河段，2008年后河段冲刷强度在逐步减小。

宜昌枯水位关键控制河段的宜都南阳碛河段枯水河槽下总计冲刷0.26亿m3，河段冲刷时期主要在135～139 m运行期，其冲刷量达到0.21亿m3，2006年后南阳碛河段冲刷强度呈明显下降趋势。

枝江河段枯水河槽下累积冲刷1.13亿m3，河段经历了一般冲刷—冲刷加剧的持续冲刷过程，该河段主要冲刷时段在175 m试验性运行期，该时段枝江河段冲刷量明显增大，冲刷区域主要在关洲—芦家河河段。

宜昌枯水位关键控制河段的芦家河段枯水河槽下总计冲刷0.17亿m3，三峡水库175 m试验运行期芦家河段冲刷强度明显加大，冲刷量达到0.15亿m3。

图2 三峡水库蓄水后宜昌—杨家脑河段不同时段深泓高程变化沿程分布

表4宜昌—杨家脑河段沿程枯水控制节点断面过水面积及深泓变化统计

Table4StatisticsofflowareaandthalwegelevationofkeypointsalongYichang-Yangjianaoreach

控制河段名称控制断面断面距离/m2002-092003-102006-102008-102012-10过水面积/m2深泓高程/m过水面积/m2深泓高程/m过水面积/m2深泓高程/m过水面积/m2深泓高程/m过水面积/m2深泓高程/m胭脂坝头宜409 2605 20629.75 63427.65 23428.05 26828.35 46227.8胭脂坝尾宜4515 5006 00627.86 17127.26 05827.16 18027.16 51127.0虎牙滩宜5022 8608 08127.58 02327.27 58227.37 81127.78 41227.1古老背宜5327 1687 57529.77 65329.27 94029.07 68429.79 22227.9南阳碛上口宜6240 0865 53328.46 06927.06 41624.76 25725.77 23821.3大石坝宜6946 7005 71025.74 98826.37 60720.57 99420.69 40718.3外河坝枝257 8915 88730.76 29029.67 71524.88 39124.712 05111.1关洲上口荆568 3306 86328.36 98227.67 23427.27 22427.57 82827.1芦家河荆1285 6483 35530.73 20930.53 68430.33 80830.72 78530.5董市洲董1091 8784 56427.25 19427.45 11327.34 26127.74 58227.3柳条洲江1102 5825 43926.85 23426.35 17826.75 45026.75 75225.0杨家脑荆21115 2515 40625.55 66325.55 62324.85 08826.75 98724.7年度平均5 80228.25 92627.66 28226.56 28526.97 10324.6

3.2.2 河床纵向演变

宜昌—杨家脑河段沿程深泓纵剖面呈锯齿状变化，起伏较大。三峡水库自2003年蓄水运行后，坝下游河段河床总体发生了适应性的冲刷调整，深泓普遍下切(见图2)。

2002年9月—2012年10月宜昌—杨家脑河段深泓高程平均累积下降3.0 m，其中2002年9月—2006年10月河段冲刷明显，深泓平均累积下降1.6 m；2006年10月—2008年10月河段总体冲淤量不大，沿程深泓有冲有淤，但河段深泓平均变化值为0；2008年10月—2012年10月河段冲刷幅度加大，深泓平均累积下降1.4 m。

宜昌河段深泓平均下降1.7 m，累积下降最大的为胭脂坝河段中部的宜43断面，下降值累积达5.5 m；宜都河段深泓平均下降5.6 m，累积下降最大的为外河坝的枝2断面，下降值累积达19.6 m；枝江河段深泓平均下降为1.6 m，深泓累积下降最大的为董市洲中部的深槽董11断面，下降幅度累积达5.9 m。

3.2.3 控制节点演变特点

自2003年以来，河段沿程枯水控制节点均表现为深泓高程(文中“高程”均以“吴淞高程”为基准点)降低，过水面积增大，这些节点断面深泓平均下降3.6 m，过水面积平均增大22%(见表4)。但不同河段节点的演变情况不尽相同，其中以宜都河段的控制节点演变最为剧烈，尤其是外河坝节点控制断面枝2，其深泓下切累积达19.6 m，过水面积增加105%，断面形态从蓄水前的“U”形已经演变为偏“V”型，左侧主槽演变下切幅度明显，已经基本失去了枯水的控制节点作用。

宜昌河段中胭脂坝尾、虎牙滩的节点代表断面演变幅度较小，但胭脂坝头的节点代表断面宜40蓄水之初冲刷幅度相对较大，但2004年后断面即基本保持稳定，滩、槽变化均较小；而枝江河段中芦家河、董市洲及杨家脑段的控制代表断面的演变均较小(见图3)。

图3 不同河段控制节点代表断面演变图

3.3 枯水位下降

自三峡水库蓄水运行以来，宜昌枯水位随着坝下游河段河床的冲刷下切而下降，但不同时期，枯水位的下降幅度并不相同。

三峡水库135～139 m运行期：2002—2006年宜昌站4 000 m3/s流量相应水位累积下降0.08 m，该时期宜昌—杨家脑河段虽然出现较大冲刷，但宜昌枯水位并没有出现大幅度的下降。其主要原因：一是枯水位的关键控制河段之一的宜昌河段冲淤变化不大；二是宜昌—杨家脑河段沿程控制节点基本稳定；三是胭脂坝河段护底工程有一定控制作用；四是河床冲刷后，河床粗化使河床糙率增加，也起到一定补偿作用。

三峡水库145～156 m运行期：2006年汛后三峡水库进入初期运行期，三峡水库汛后开始向下游实施补水调度，初期运行期葛洲坝水库最小下泄流量不低于5 000 m3/s。水库初期运行期宜昌5 000 m3/s对应枯水位保持稳定，其主要原因：一是枯水位的关键控制河段之一的宜昌河段出现泥沙淤积；二是宜昌—杨家脑河段沿程控制节点基本稳定；三是2008年对胭脂坝河段又实施了护底工程；四是河床冲刷后，河床粗化使河床糙率增加，也起到一定补偿作用。

三峡水库175 m试验性运行期：三峡水库进入175 m试验性运行期后，宜昌—杨家脑河段冲刷强度加大，尤其是控制性节点的明显冲刷下切，致使宜昌枯水位下降速度加快，考虑到三峡水库在枯水期为航运、生态进行调度，因此进一步加大最小下泄流量至5 500 m3/s以上，该时段5 500 m3/s流量下相应水位累积下降达0.36 m。

4 护底工程试验分析

以1973年设计线为基准[1]，目前为止宜昌5 500 m3/s流量下相应枯水水位已经累积下降达1.76 m，其中三峡水库运行以来的水位累积下降0.46 m，鉴于三峡工程运行之初宜昌枯水位便已出现下降趋势，因此对于坝下游河段的工程治理显得颇为迫切。在以往研究成果基础上[2]，选择了宜昌枯水位关键控制节点河段之一的胭脂坝河段进行了不同阶段的河床护底试验工程，为后期进行大规模坝下游河段河床工程治理积累经验。

4.1 护底工程布置

胭脂坝护底试验工程分别于2004，2005，2008，2011年的汛前分4个阶段在胭脂坝河段进行了实施(见图4)。

图4 葛洲坝下游胭脂坝河段河床护底工程位置

2004年护底加糙试验工程(0区)位于胭脂坝尾部下游附近主槽，先用了3种护底结构形式，从左向右分别为混凝土系结块软体排、抛石、抛枕；2005年扩大护底试验工程(2，4区)位于胭脂坝头左侧主槽，是在2004年试验效果综合分析基础上，采用了混凝土系结块软体排[3]；2008年护底工程(3,1区)位于胭脂坝头防护工程、胭脂坝中部左侧主槽，采用了混凝土系结块软体排；2011年应急护底工程(5区)：2009年汛后，由于坝下游河床冲刷使宜昌枯水位下降了0.29 m，经分析主要系胭脂坝坝头主河槽冲刷所致;因此，2011年汛前在胭脂坝头部左侧主河槽实施了应急护底工程，采用了混凝土系结块软体排，工程前对主河槽低洼区域进行了块石回填处理。

4.2 护底工程保护作用

4.2.1 对河床的保护作用

监测成果显示：在已实施的护底工程区域，河床在稳定中有少量的泥沙淤积，其中4区、2区自2005年5月以来护底区域分别淤积泥沙2.9万,5.3万m3；0区由于混凝土系结块软体排区域面积相对较小且抛石、抛枕区域发生淘刷，工程区域冲刷4.2万m3；3区、1区自2007年12月以来护底区域分别淤积泥沙16.3万,14.6万m3；5区自2011年1月以来护底区域淤积泥沙3.5万m3(见表5)。

表5 各护底区不同时段冲淤量统计

护底区域河床横向上，实施了软体排防护的区域河床有不同程度的淤高，最大累积淤高达0.42 m，表明护底工程对实施了工程治理区域的河床有一定的保护作用，但抛石、抛枕区域由于不能形成完整的防护面，水流对防护区域有淘刷现象，最大冲刷可达0.75 m(见图5)。

图5 护底工程区域河床代表断面横向变化图

4.2.2 对胭脂坝洲体的保护作用

三峡水库蓄水后，胭脂坝坝体受水流冲刷，坝体头部向下回缩达170 m，面积相应持续减小；2008年汛前对胭脂坝洲头实施防护工程后，汛后监测成果显示，洲头出现明显的回淤，最大洲长增加约50 m，目前，胭脂坝洲体在稳定中有轻微的变化发展，洲头稳定，没有出现大幅度冲刷的现象。

4.3 工程对河段糙率的影响

根据实际观测成果，2003年胭脂坝河段5 000 m3/s流量下枯水河槽的糙率为0.029 3，自2004年护底工程相继实施后，胭脂坝河段枯水河槽的糙率逐步在增大，其中：2006年枯水河槽的糙率增加至0.032 5，2008年增加至0.033 6，2011年应急护底工程实施后，枯水河槽的糙率增加至0.040 1。由于护底工程均实施于胭脂坝河段主河槽内，对河段有加糙作用，河床糙率的增大，使河槽对水流的阻力加大，在一定程度上抑制了水位的下降。

4.4 工程对宜昌枯水位的影响

在三峡水库135～139 m运行期，宜昌—杨家脑河段枯水河槽下共计冲刷9 184万m3，每年平均冲刷约2 296万m3，在此期间，宜昌站4 000 m3/s流量下其枯水位累积下降了0.08 m，平均每年下降约0.02 m，即坝下游河段每冲刷1 000万m3时，宜昌枯水位即会下降0.87 cm。依此推算，145～156 m运行期宜昌—杨家脑河段枯水河槽下共计冲刷3 532万m3，则宜昌站4 000 m3/s流量下对应水位则应下降3.1 m，但实际上该时段宜昌站4 000,5 000 m3/s流量下枯水位均保持稳定不变。水流数学模型计算：2004—2008年胭脂坝所有护底工程实施后，宜昌站4 000 m3/s水位总计抬升2.6 cm，与实际成果较为接近。

2011年汛前胭脂坝河段应急护底工程实施后，流量5 000 m3/s下护底工程上游附近区域水位最大分别壅高2.2 cm，水位壅高0.5 cm的区域可达护底5区上游1.84 km，虽然其影响范围未至宜昌站，但可使护底5区以上区域的水位可暂时维持稳定。

5 结 论

综上分析，有如下结论：

(1) 三峡水库蓄水运用以来，宜昌—杨家脑枯水河槽下总冲刷量达2.45亿m3，其中宜昌河段冲刷0.13亿m3，宜都河段冲刷1.19亿m3，枝江河段冲刷1.13亿m3。主要冲刷河段为宜都弯道—枝城，尤其是大石坝及外河坝段节点的冲刷非常强烈，其次是关洲—董市洲、柳条洲—杨家脑河段。河床在向着以冲刷沿程枯水节点控制断面的方向变化发展，且强冲刷带在下移。

(2) 沿程枯水控制节点有不同程度的冲深下切，其中宜昌胭脂坝头控制节点深泓下降1.9 m，宜都河段中外河坝的控制节点枝2断面深泓累积冲深19.6 m，过水面积扩大达105%，大石坝段的宜69断面深泓冲深7.4 m，过水面积也相应扩大，南阳碛上口的控制节点宜62断面，深泓冲深7.1 m，过水面积扩大31%；此外，枝江河段关洲、董市洲等控制节点也有明显冲刷。由于逐年的累积冲刷，沿程枯水节点的控制作用正在减弱或消失。

(3) 受河床冲刷及沿程枯水控制节点下切的影响，三峡水库蓄水运行以来宜昌枯水5 500 m3/s流量下相应水位已经累积下降达0.46 m，河床冲刷下切引起的枯水位下降趋势明显增强，尤其是三峡工程进入175 m试验性运行期后，枯水位下降幅度加大。

(4) 2004，2005，2008，2011年分不同阶段对宜昌枯水位控制节点之一的胭脂坝河段实施了河床护底试验工程。工程实践表明：护底工程能调整河床冲淤特性、增加工程河段糙率，一方面较好地保护了河床，另一方面抑制了宜昌枯水位的下降。

参考文献：

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