丹江口大坝二期规模运用后坝下冲刷坑变化分析

夏志培 张洪霞 涂进

摘 要：2017年汉江发生秋汛，丹江口大坝开闸泄洪达33 d，对坝下冲刷坑影响较大的主要是深孔泄洪。深孔射流的水量、挑距和抛射高度受坝上水位所控制，坝上水位越高，深孔下泄流量越大，水舌抛射越高，射流挑距也越远，而射流入水的倾角却越小。丹江口大坝加高后，正常蓄水位由157 m提高至170 m，深孔泄流对坝下游冲刷距离及强度都较加高之前增强。本文主要依据丹江口水利枢纽坝区下游冲刷坑2017年地形及相关水文观测资料，对冲刷坑进行分析。结果表明，冲刷坑随着水力条件的改变而产生新的变化。

关键词：丹江口大坝;二期规模;冲刷坑

中图分类号：TV147.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0057-04

Abstract： In 2017，the Hanjiang river experienced an autumn flood. The floodwater of the Danjiangkou Dam had been released for 33 days. The major impact on the scour pit under the dam is mainly deep outlet discharge. The water yield， trajectory Length and thrown height of the deep outlet jet are controlled by the water level above the dam. The higher the water level on the dam， the greater the discharge flow under the deep outlet. The higher the water jet is， the farther the jet flow will be， and the smaller the inclination of the jet flow will be. After the heightening of the Danjiangkou Dam， the normal pool level increased from 157 m to 170 m. The deep outlet discharge enhances the scouring distance and strength downstream the dam than before. This paper mainly analyzed the scour pits based on the 2017 topography and related hydrological observation data of the scour pits downstream the Dam of the Danjiangkou Hydro-Junction. The results show that the scour pits have new changes as the hydraulic conditions change.

Keywords： the Danjiangkou Dam;Phase II scale;scour pit

1 2017年汉江秋汛情况

2013年8月29日，丹江口大坝加高工程顺利通过蓄水验收，2014年11月1日库区水位达160.72 m，超过1983年历史最高水位。2017年9月以来，汉江发生秋汛，洪水持续时间长、量级大，丹江口水库最大入库流量达17 300 m3/s，最大出库流量达8 040 m3/s，丹江口水库累计泄洪33 d，弃水总量为95.7亿m3。流域累积面平均降雨量达393 mm，其中汉江上游累积面平均降雨量为413 mm，较常年同期多1.3倍，列1961年以来第2位。2017年10月29日02：00，丹江口水库水位蓄至167.0 m，高于大坝加高前坝顶高程（162 m）5 m，超过历史最高水位（160.72 m，2014年11月1日）6.28 m，坝上和坝下水位差为历史最大，达72.93 m[1-2]。

1.1 水位

2017年汉江发生秋汛，9月和10月份连续发生多次涨水过程，坝下河段所在水文站如黄家港、余家湖水文站水位变化受闸门启闭影响较大，年水位变幅也较大，分别为5.39 m和8.28 m;崔家营航运枢纽在流量达10 000 m3/s以上时，20孔泄水闸闸门全部打开，所在河段接近天然河道状态。襄阳水文站位于崔家营航电枢纽库区内，受回水影响，水位较天然状态有所抬高，涨水过程中，水位变幅较坝下游水文站小。2017年，襄阳水文站最大年变幅为2.15 m。

1.2 流量

2017年，汉江发生了自2011年以来的大洪水，但年径流量并不大，黄家港水文站年径流量仅为290.9亿m3，较1968—2016年平均年径流量334亿m3偏少。9月和10月主要受汉江上游来水影响，丹江口至襄阳河段发生多次涨水过程，黄家港、襄阳及余家湖水文站最大流量分别为7 750 、11 100、13 400 m3/s，洪水对丹江口水库坝下游河道产生冲刷，对河道疏通产生有利影响。

1.3 含沙量

丹江口水库蓄水运用后，因水库对泥沙的拦蓄作用，水库基本为清水下泄。

2017年汉江发生秋汛，丹江口水库开闸泄洪，对其库区内泥沙产生拉沙作用。黄家港和余家湖水文站9—10月含沙量为全年最大，黄家港水文站最大含沙量为112 g/m3，余家湖水文站最大含沙量为4 450 g/ m3，黄家港至襄阳河段區间泥沙补充较明显，区间来沙多为支流来沙补给，小部分来自河床冲刷。

2 冲刷坑概况

2.1 冲刷坑总体分布及现状

丹江口水库蓄水运用后，多次开启深孔及溢流孔泄洪，对其坝下游产生冲刷，特别是下游近坝区，初期和二期深孔及溢流孔泄洪流量如表1和表2所示。泄洪对近坝段河床造成剧烈冲刷，近而形成较大深坑。初期规模下，坝下冲坑在经历了1975年和1983年大水后，冲坑最深点部位已基本稳定，距坝轴线的距离基本达到最大，冲坑基本特征如表3所示。

本文主要分析10—17坝段护坦下游形成的冲刷坑，其平面分布如图1所示，冲刷坑三维分布如图2所示。

2.2 冲刷坑地质组成

深孔坝段下游河床的岩基绝大部分为坚硬的变质辉长辉绿岩，部分为变质闪长巖，岩石的抗冲性能好，但地质构造复杂，节理密集，裂隙发育，缓倾角裂隙与高倾角裂隙相互组合，使岩体切割成失去联系的岩块。冲坑内纵横有百余条大小裂隙，裂隙中绝大多数为软弱的糜棱岩充填。特别是几条大的破碎带相互纵横交错（见图1），分布在深孔射流的当冲范围内，其中纵贯冲坑的有F204、F77、F16、F16-1，横贯冲坑的有F100。这些破碎带最大宽度有3～7 m，其中冲刷坑主体破碎带F16，宽1.5～6 m，裂隙中不仅夹有糜棱岩、角砾岩及块状岩，还夹有0.2～0.4 m的构造黏土岩。其中，糜棱岩的湿抗强度为46 kg/cm2，为完整基岩的1/3，吸水率为1.76%，为完整基岩的9倍，软化系数0.27，为完整基岩的1/3;构造黏土岩的湿抗压强度为0～24 kg/cm2，吸水率达5.55%，可见F16是最大最可冲的破碎带。

3 2017年冲刷坑变化特点

3.1 平面变化

2009—2017年冲刷坑85 m等高线所围平面变化如图3所示。由图3可以看出，大坝加高前，冲刷坑范围已基本稳定，最低点位置也集中在F16破碎带附近;大坝加高后，随着坝前水位的抬高，深孔挑流距离及强度均有所增加。同时，还可以看出，2017年冲刷坑最低点较2015年沿F16破碎带下移了30 m，坑尾也向下游拓展，与2013年坑尾线接近。

3.2 横向变化

以坝轴线下185 m处的丹7断面为例（见图4），经1975年和1983年下泄洪水冲刷，冲刷坑已达最大过流断面，横向冲刷已不再明显，这说明冲刷坑横向经高水位长时间冲刷后，横向发展过水面积已适应少孔泄流条件，冲刷坑底部高程也达最低值。因冲刷坑右岸为基岩山坡，抗冲力强，左岸为下纵基脚阻挡，两岸横向扩展已受边界制约，多年来，冲刷坑横向较稳定。这与图3中85 m等高线变化不大这一结论相一致。从图4还可以看出，横向冲刷后，两岸岸壁悬陡，这是因为高倾角裂隙岩块上受射流顶冲下及底部淘刷后倒塌崩溃。

2017年，丹江口大坝加高后首次开闸泄洪，共开启3个深孔，4个溢流孔，坝前最高水位达167.00 m，坝上和坝下水位差最大为72.93 m，均为历史最大，深孔挑流距离随之增大，重点冲刷部位下移至下游边坡处，冲刷起的岩石部分被水流带走，部分回落至坑底。从图4可以看出，2017年断面较往年有所回淤。

3.3 纵向变化

通过对实测资料进行分析可知，冲刷坑冲刷纵剖面的冲刷速度随着坝上泄洪水位的增高和泄流历时的增加而加快，当纵剖面适应了这些水力条件后，冲刷速度就大为减弱，在一定水力条件下，冲刷由发展阶段转入稳定阶段，当遇到较小的泄洪水力条件后，纵剖面不仅不冲，还会产生回淤现象。冲刷坑2009—2017年纵剖面变化如图5所示。从图5可以看出，2017年首次开闸泄洪，因坝前水位抬高，坝上下游水位差增大，改变了原有的水利条件，冲坑纵剖面再次发生较强的冲刷，与以往不同，重点冲刷部位下移至原下游坡面处，原坑底部分因冲刷物回落面发生淤积。

4 冲刷坑今后发展

冲刷坑在发展过程中，具有冲刷发展与冲刷稳定两个阶段。冲刷坑在冲刷发展阶段与最大泄洪水力条件、地质条件、泄洪历时、开孔数及开孔部位等因素有关;当冲刷坑进入稳定阶段后则与上述条件无关。当冲刷坑已形成了最大冲刷纵剖面与最大冲刷横剖面后，即可认为冲刷坑已进入稳定阶段。这种稳定阶段只能被未出现过的、特殊条件下的洪水所打破，经过一段时间的发展后，冲坑会再次进入一个新的稳定阶段，当然，人为因素也可打破这种稳定状态。

大坝加高后，坝前正常蓄水位由初期规模的157 m抬升至二期规模的170 m，坝前水位的抬升，使深孔下泄流量及对冲刷坑冲刷强度均增加，冲刷坑发生不同于以往的变化，主要表现为冲刷坑最低点下移，坑尾处冲刷拓宽，因2017年坝前最高水位为167.00 m，未达到正常蓄水位170 m，今后，随着坝前水位抬高，冲刷将继续，直至适应新的水力条件。

参考文献：

[1]长江流域规划办公室水文局.汉江丹江口水库水文泥沙实验文集[C].长江流域规划办公室水文局，1983.

[2]张洪霞，封光寅，柳发忠，等.丹江口水利枢纽坝区下游冲刷坑变化分析[J].人民长江，2006（12）：104-107.