三峡库区细沙输移运动状态的水槽试验研究

李沛霖, 杨胜发，周倩倩，李 倩

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074；2.徐州市水利科学研究所，江苏 徐州 221000)

三峡库区细沙输移运动状态的水槽试验研究

李沛霖1, 杨胜发1，周倩倩2，李 倩1

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074；2.徐州市水利科学研究所，江苏 徐州 221000)

三峡库区内淤积泥沙均属细颗粒泥沙范畴，运动规律较为复杂。依靠传统泥沙理论即以挟沙力为判断标准，所得冲淤情况与实际观测情况有所出入，需进行进一步研究。在三峡库区典型淤沙河段——皇华城河段现场观测的基础上，通过水槽试验研究库区细颗粒泥沙的运动特点，对不同水深流速下细颗粒泥沙的运动状态进行归类整理，发现其淤积过程可根据水深与流速的不同划分为3个区域，即冲刷区、相对平衡输送区及淤积区，并指出用流速作为判断细沙输移状态的标准更符合库区实际冲淤情况。

三峡水库；常年回水区；细颗粒泥沙；原型观测；水槽试验；泥沙冲淤

1 研究背景

三峡工程的泥沙问题一直受到社会各界的广泛关注。清华大学、南京水利科学研究院、长江科学院等国内有关科研院校在三峡论证阶段开展了大量的泥沙物理模型和数学模型研究工作[1-3]。按照传统的观点，水库蓄水后，常年回水区航道条件应显著改善[4-5]，但运行十余年后的实测地形表明，三峡成库初期的泥沙淤积规律与原有研究成果有所出入，超过99%的泥沙都淤积在常年回水区内[6]，局部河段已出现碍航，如忠县皇华城河段淤积厚度最大超过50 m[7]，且淤沙多为中值粒径约0.01 mm左右的细沙[8]，而传统观念认为这些细沙是冲泻质，基本不会落淤[9]。对此有学者提出库区细沙存在絮凝现象[10-11]，并根据现场测量数据指出此类细沙可考虑以流速作为判别标准判断冲淤[12]。本研究旨在通过水槽试验验证以流速为指标判别冲淤的可行性，进一步探索三峡库区航道内泥沙的输移过程，为揭示库区细颗粒泥沙的运动过程及规律奠定理论基础。

2 原型观测

由于泥沙运动问题的复杂性，在研究过程中对三峡泥沙具体情况进行原型观测十分必要。因三峡库区泥沙淤积主要集中在汛期，为使所测数据具有代表性，观测时间选择在2012年汛期进行。观测地点在忠县皇华城典型淤积河段，如图1所示，共布置8个断面，27条垂线，193个测点。采用声学多普勒流速仪测量测点瞬时流速，使用声学多普勒流速剖面仪沿每条垂线方向按1 m分层测量平均流速，回声测深仪测量水深，水下摄像系统观察测点泥沙运动状态。

图1 皇华城河段现场量测布置Fig.1 Arrangement of field measurements at Huanghuacheng reach

根据现场观测数据对该河段泥沙冲淤特点进行初步分析，发现当流速约<0.5 m/s(随水深的变化略有不同)时发生淤积；因淤积物的粒径较小，其黏性导致冲刷流速较大，因此即使超过淤积流速，也并不能立即发生冲刷，直到流速增加至约1.1 m/s以上才出现冲刷现象；流速介于约0.5～1.1 m/s之间时，则输沙相对平衡，为不冲不淤状态。水深流速关系存在3个明显的分区：冲刷区、相对平衡输送区和淤积区。且若以挟沙力判断冲淤，则与实际情况不符，因此可尝试用流速作为判别库区细沙输移状态的条件[12]，原型观测水深流速分布如图2中实测部分所示。

图2 不同流速和水深条件下的泥沙运动状态Fig.2 Status of sediment movement in the presence of varying flow velocity and water depth

3 试验设计

现采用水槽试验的方法，对该结论进一步分析与验证。试验在6.0 m×0.25 m×0.20 m(长×宽×高)的水槽中进行，水槽变坡范围为0.0%～3.0%，最大供水流量可达25 L/s，在水槽进口设玻璃珠和过流板组成的消能措施来保证进口水流平顺。水槽采用非恒定流控制系统，选用LS-401型直读式流速仪测流速，测量时间为10 s。采用电磁流量计实时监测流量过程，采用超声水位计进行实时水位测量，计算机采样频率为10 Hz。试验在水槽的上部、中部和尾部布设3 个超声水位探头。为使水位的测量更加准确，试验前对超声水位计进行标定。

试验用沙为忠县皇华城河段现场取回的原沙样[13]。采用激光粒度分析仪对沙样进行粒径测量分析，选取3组沙样分别进行测定，结果取3组平均值，由测量结果得沙样的平均中值粒径D为17.406 μm。

本试验针对冲刷、淤积流速的测定设置2组不同的方案。主要目标为测定细沙呈冲刷、淤积状态时的临界流速，通过对不同水深流速下泥沙运动状态的观察，划分淤积、相对平衡输送和冲刷状态的区域范围，并判定淤积与冲刷流速。

3.1 冲刷流速测定试验方案

试验整体布置如图3所示，中间为4 m 长的试验段，试验段内铺设厚度为1 cm的试验沙，两端铺设粒径为5 mm的粗沙，水槽比降为0‰，分别在1#，2#，3#断面处设置流速测点，流速取值为3个断面测定流速的平均值，水流含沙量为1 g/L，每组试验时间为1 h。在1#，2#，3#断面中点处设置底部沙样厚度观测点，分别测定每组试验前后铺设沙样的厚度差值，当底部呈明显冲刷状态且底部泥沙厚度呈累积减小趋势时，判定该流速下泥沙运动呈冲刷状态，该组流速为冲刷区域流速，记录水位值，测定流速，记录泥沙运动状态。

图3 冲刷流速测定的水槽试验布置Fig.3 Arrangement of flume experiment on the critical flow velocity of scouring

3.2 淤积流速测定试验方案

由于水槽底部铺沙不易于淤积量观测，在测定淤积流速时，水槽内不铺设沙样，从玻璃水槽底部观测泥沙淤积情况，试验布置见图4。水流含沙量为1 g/L，每组试验时间为1 h ，根据泥沙淤积量大小定时在水流中补充一定量原沙，使水流含沙量保持在1 g/L左右。随流速减小，水流中粗颗粒泥沙较早淤积，此时可以在水槽底部观察到淤积泥沙，但并不好判定细沙的淤积流速。为准确测定该沙样充分淤积时的流速，在试验后分别取水槽底部淤积泥沙及水流中沙样，量测泥沙粒径。当底部淤积泥沙粒径接近原沙样粒径时，可推断：该流速下泥沙已充分淤积，即小于该流速时，泥沙呈淤积状态；大于该流速且小于冲刷流速时，泥沙呈输沙平衡状态。

图4 淤积流速测定的水槽试验布置Fig.4 Arrangement of flume experiments on the critical flow velocity of deposition

4 试验结果及分析

4.1 试验数据及现象

表1为淤积流速测定粒径结果分析。从表1中数据可以看出:随流速减小，淤积泥沙中值粒径值均逐渐降低，即淤积泥沙细沙含量增大，细沙沉降逐渐增多；当流速为0.098 m/s时，底部中值粒径为18.115 μm，接近皇华城泥沙中值粒径17.406 μm，此时，水流中细沙大部分沉降，可判断该流速为细沙淤积流速。冲淤流速测定水槽试验数据见表2。

表1 淤积流速测定泥沙粒径分析Table 1 Median particle sizes for determining the critical velocity of deposition

表2 部分水槽试验数据Table 2 Part of flume experimental data

4.2 结果分析

由表2可知：当流速大于0.363 m/s时，泥沙呈冲刷状态，水槽底部出现较明显沙波，随流速降低，沙波尺度逐渐减小；当流速小于0.126 m/s时泥沙呈淤积状态，淤积泥沙表面平顺，无明显波纹；流速介于二者之间时，水槽底部泥沙呈小尺度沙波或沙纹，厚度无明显变化，为输沙平衡状态。可初步将3种状态划分为3个区域，各区泥沙冲淤形态如图5所示。结合图2实测数据与水槽试验结果的对比可知，无论是在现场观测还是在水槽试验中，细颗粒泥沙运动均可根据泥沙冲淤状态随流速分布情况的不同划分为3个区域，因此基本确定可用流速作为判断库区细沙输移运动状态的标准。

图5 水槽底部泥沙冲淤形态Fig.5 Sediment status on the bottom of flume

5 结 论

本文基于三峡库区皇华城水道原型观测情况对库区细沙开展输移运动状态的水槽试验研究，通过对试验现象及所测数据进行分析，得到主要结论如下：

(1) 原型观测中观察到中值粒径约为0.01 mm的细沙在库区大水深条件下发生落淤现象，与实测地形显示的三峡蓄水运行后常年回水区内所呈现的淤积状态不相符，表明三峡成库初期泥沙的淤积规律与原有研究成果存在一定的差异，需有针对性地开展进一步研究。

(2) 据原型观测和水槽试验结果可知，在所量测的水深范围内此类细沙的输移状态随着流速的变化呈现一定的规律，可将其初步划分为3个区域：冲刷区、淤积区以及冲淤平衡状态的输送区，初步可用流速作为划分库区细沙输移状态的标准。

(3) 据量测结果，在三峡库区皇华城水道原型观测中，可初步判断流速约<0.5 m/s时发生淤积，流速介于约0.5～1.1 m/s时泥沙平衡输送，流速约>1.1 m/s时发生冲刷。在水槽试验中，可初步判断流速约<0.13 m/s时发生淤积，流速介于约0.13～0.36 m/s时泥沙平衡输送，流速约>0.36 m/s时发生冲刷。其中原型观测与水槽试验所量测数据结果之间的关系及库区细沙输移状态与水深的关系有待进一步探究。

[1] 长江科学院.三峡工程泥沙问题研究成果汇编(150米蓄水位方案)[R].武汉：长江科学院,1986.

[2] 国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙专家组.长江三峡工程泥沙问题研究(1996—2000)第八卷[M]. 北京: 知识产权出版社, 2002.

[3] 国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙专家组.长江三峡工程泥沙问题研究(2001—2005)第二卷[M]. 北京: 知识产权出版社, 2008.

[4] 梁栖蓉,黄 龄. 三峡水库泥沙淤积预估[J]. 长江科学院院报,1994,11(3):1-8.

[5] 潘家铮. 三峡工程论证始末[J]. 中国水利,1989,39(1):24-27.

[6] 胡 江,杨胜发,王兴奎. 三峡水库2003年蓄水以来库区干流泥沙淤积初步分析[J]. 泥沙研究,2013,57(1):39-44.

[7] 张帅帅.非均匀粉砂起动及输移特性研究[D].重庆：重庆交通大学,2013.

[8] 周建军,林秉南,张 仁.三峡水库减淤增容调度方式研究,双汛限水位调度方案[J].水利学报, 2000, 44(10): 1-11.

[9] LIN B N, DOU G R, XIE J H,etal. On Some Key Sedimentation Problems of Three Gorges Project (TGP)[J]. International Journal of Sediment Research, 1989,40(1):57-74.

[10]LI Wen-jie, WANG Jie, YANG Sheng-fa. Determining the Existence of the Fine Sediment Flocculation in the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2015,141(2), doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000921.[11]尹小玲,刘青泉. 三峡库区水沙运动及环境灾害变化特点初步分析[J]. 水力发电学报,2009,27(6):43-48.[12]李文杰,杨胜发,胡 江,等. 三峡库区粉砂淤积成因的初步分析[J]. 泥沙研究,2015,59(5):7-13.

[13]李斌强.库区大水深条件下粉砂输移的试验模拟技术研究[D].重庆：重庆交通大学,2015.

(编辑：刘运飞)

Flume Experiment of Fine Sediment Transport inthe Three Gorges Reservoir

LI Pei-lin1, YANG Sheng-fa1, ZHOU Qian-qian2, LI Qian1

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China; 2. Xuzhou Institute of Hydraulic Research, Xuzhou 221000, China)

Most sediment deposition in the Three Gorges Reservoir is fine sediment with complex transport laws. The erosion and deposition calculated from traditional theories, in which sediment carrying capacity is regarded as a criterion, is inconsistent with actual measurement results. On the basis of field measurement results of Huanghuacheng reach, a typical reach of sediment deposition, flume experiment was conducted to further explore the transport of fine sediment. According to the experimental data, three different areas can be divided according to flow velocity and water depth: erosion area, sediment transport area with relative equilibrium, and deposition area. The discriminating standard of critical condition of erosion or deposition status was not determined by the comparison between sediment concentration and sediment carrying capacity, but by the flow rate.

Three Gorges Reservoir; backwater area; fine sediment; prototype observation; flume experiment; erosion and deposition

2016-02-29；

2016-04-27

国家重点研发计划项目(2016YEC0402104)；重庆市研究生科研创新项目(CYS16175)

李沛霖(1991-)，女，河南禹州人，硕士研究生，主要从事河道治理及航道工程方面的研究，(电话)023-62647196(电子信箱)aglindsay@163.com。

杨胜发(1970-)，男，四川邻水人，教授，博士生导师，主要从事港口、海岸及近海工程和水力学及河流动力学方面的研究，(电话)023-62896714(电子信箱)ysf777@163.com。

10.11988/ckyyb.20160159

2017,34(5):1-4

TV143.4

A

1001-5485(2017)05-0001-04