三峡工程大江及明渠截流期间坝区河床演变分析.docx

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三峡工程大江及明渠截流期间坝区河床演变分析

三峡工程大江及明渠截流期间坝区河床演变分析

牛兰花成金海刘平

（长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，湖北省宜昌市，443000）

摘要三峡工程1997年大江截流和2002年导流明渠截流，均引起了坝区河势及水流泥沙条件的改变。

本文依据两次截流间（1997～2002年）的河床演变原型观测资料，分析了三峡坝区来水来沙、河势及河床冲淤变化情况。

关键词明渠截流大江截流水流泥沙河床演变三峡工程

1.1.概况

三峡工程河床演变观测研究河段上起伍相庙，下至乐天溪，总长度为14.88km，见图1。

工程坝址位于三斗坪弯道上，控制流域面积约100×104km2。

大江截流前坝区河段为分汊河段，水流从大江及导流明渠同时下泄；1997年11月大江截流后，水流从右岸的导流明渠下泄；2002年明渠截流后，水流则从大坝导流底孔下泄。

由于工程施工改变了长江主流近坝段的流路，坝下游河势也随之发生调整，河床发生了较大的冲淤变化，水流、泥沙的运动规律也出现新的特点。

为研究其河床运动特点，在此河段上布设了35个固定监测断面，每年的汛前、汛中、汛后进行固定断面冲淤观测。

固断的观测布设如图1。

图1三峡工程坝区河床演变观测固定断面布设图

2.2.坝区来水来沙及水力因素变化

2.1来水来沙情况

根据水文站的实测水文资料统计分析：

多年平均（1950～2001年）径流量4376×108m3，多年平均（1950～2001年）输沙量4.97×108t。

从大江截流（1997年）到明渠截流（2002年）五年间内，来水来沙情况变化较大，1998年为丰水大沙年，1999年和2000年均为丰水少沙年，2001年和2002年则为少水少沙年。

各年来水来沙情况见表1。

表1三峡坝址来水来沙特性

时间

流量（m3/s）

径流量

（108m3）

悬移质

输沙量（108t）

推移质

输移量

（104t）

水沙特性描述

平均

最大

1997

11500

47500

3627

3.64

81.17

枯水少沙

1998

16200

60600

5109

7.07

293.4

丰水大沙

1999

15100

58300

4758

4.24

6.89

丰水少沙

2000

14500

53200

4573

3.85

29.18

丰水少沙

2001

13000

41500

4010

3.04

33.58

枯水少沙

2002

12400

48800

3910

2.45

31.13

枯水少沙

2.2水面比降变化

1997年大江截流后，导流明渠通流，其河宽约380m，断面面积5100～6300m2（按66m计算），河宽和过水面积分别约占大江截流前的1/2和1/2.6。

使导流明渠以上河段产生壅水，水位抬升，上、下游落差增大，河段的比降与一期围堰时相比增大较多，见表2。

如流量为50000m3/s时，1998年河段总落差较1992年抬升了2.38m，比大江截流前的1996年抬升了2.01m。

表2大江截流前后坝区河段水位、落差、坡降变化

时间

项目

流量级（m3/s）

Q=5000

Q=10000

Q=30000

Q=50000

1992

DS10水位（m）

66.24

66.49

69.59

73.63

DX21水位（m）

66.21

66.30

68.12

70.71

总落差（m）

0.03

0.19

1.47

2.92

水面坡降（%00）

0.02

0.14

1.05

2.08

1996

DS10水位（m）

66.43

66.77

69.82

74.09

DX21水位（m）

66.34

66.51

68.21

70.80

总落差（m）

0.09

0.26

1.61

3.29

水面坡降（%00）

0.06

0.19

1.15

2.35

1998

DS10水位（m）

66.39

66.98

71.38

76.10

DX21水位（m）

66.18

66.36

68.25

70.80

总落差（m）

0.21

0.62

3.13

5.30

水面坡降（%00）

0.141

0.417

2.10

3.56

1998年大洪水后，1999年至2001年坝区河段河势基本稳定，河段平均糙率变化不大，年际间比降变化并不明显，因此坝区水面线趋于稳定，见表3。

2002年坝区水面线与2001年相比水面线有升有降，主要表现在低水时（Q<20000m3/s）整个河段水面线上升，上升幅度最大的是断面DS8，与2001年比上升了0.28m，上升的主要原因是葛洲坝水库调度引起的，根据葛洲坝坝前5#水位站的资料显示，2002年1-5月份平均水位（66.01m）较2001年同期平均水位（65.86m）偏高0.15m，坝前水位的抬升引起整个坝区水位的升高；而在中高水时（Q>20000m3/s）明渠以下河段基本与2001年水面线持平，明渠及其以上河段则下降明显，下降最大的是DSX02断面，在Q=40000m3/s时下降了0.36m，下降的主要原因是由于上下游二期围堰开挖导流底孔从2002年7月1日后开始过流，上游壅水强度减弱。

表3大江截流后坝区河段水面线变化单位:

m

年份

断面号

流量级（m3/s）

5000

10000

20000

30000

40000

1999

DX21

66.14

66.36

67.26

68.30

69.52

DX14

66.16

66.41

67.42

68.58

69.90

DX3

66.18

66.46

67.55

68.81

70.28

DSX02

66.28

66.84

68.70

70.81

73.02

DS10

66.32

66.99

69.11

71.49

73.88

2000

DX21

66.12

66.29

67.22

68.31

69.62

DX14

66.14

66.32

67.35

68.59

70.01

DX3

66.16

66.36

67.48

68.83

70.33

DSX02

66.24

66.83

68.71

70.85

73.04

DS10

66.31

66.96

69.09

71.43

73.83

2001

DX21

66.10

66.28

67.14

68.20

69.40

DX14

66.14

66.33

67.29

68.47

69.80

DX3

66.15

66.35

67.40

68.72

70.10

DSX02

66.24

66.81

68.59

70.64

72.80

DS10

66.31

66.94

69.01

71.29

73.55

2002

DX21

66.15

66.37

67.17

68.19

69.32

DX14

66.20

66.44

67.32

68.45

69.75

DX3

66.23

66.52

67.52

68.81

70.26

DSX02

66.40

66.87

68.37

70.36

72.44

DS10

66.59

67.11

68.90

71.16

73.59

3.3.坝区河床冲淤分析

三峡坝区河段冲淤状况受水流泥沙及施工的影响，在二次截流期间，河段冲淤变化幅度很大。

尤其是1998年河床受来水的影响发生大规模的冲刷，使局部河段回到了葛洲坝蓄水前的地形。

其后几年坝区河床一直处于回淤形势。

根据三峡坝区基本特征，为便于分析计算，将坝区河段分为4个小段，即导流明渠以上段（DSX02-DS10长3.62km）、导流明渠段（DX3-DSX02长2.76km）、隔流堤段（DX3-DX14长4.57km）、尾部段（DX14-DX21长3.93km）给于描述。

3.1冲淤量及其分布

1998年至2002年，坝区河段5年的总体为冲刷，总冲刷量为367.66×104m3。

其中滩上（吴淞高程72m～53m，下同）冲刷115.48×104m3;深槽（吴淞高程53m以下，下同）冲刷252.08×104m3，滩槽冲刷比例为1：

2.18。

从沿程看，冲刷主要集中在导流明渠以下河段（DX3-DX21），总冲刷量为621.64×104m3;导流明渠以上段（DSX02-DS10）则淤积了337.79×104m3;导流明渠段（DX3-DSX02）冲淤变化不大，仅冲刷了83.8×104m3，见表4。

从年际间看，各年冲淤情况如下：

1998年是大江截流后的第一年，导流明渠开始过流。

由于特大洪水的影响，坝区河道出现剧烈的冲刷。

总冲刷量达到1413.7×104m3，其中深槽冲刷了929.1×104m3，滩上冲刷484.7×104m3，滩槽冲刷比例为1：

1.96。

冲刷大的部位为坝河口至乐天溪段，长度仅3.93km，但占了总冲刷量的44.9%，均以冲槽甚至冲刷深泓为主。

冲深最大的是DX14断面，和1997年的深泓相比较，冲深达29.9m。

1999年，虽然来水量也较大，但由于受1998年洪水剧烈冲刷的影响，坝区河床冲深，过水面积增大，同流量下水流流速减缓，因而本年度处于回淤状态，总淤积量达513.39×104m3，淤积主要以深槽为主，其淤积量为345.93×104m3，占总淤积量的67.4%。

淤积较多的河段位于导流明渠以上壅水段（DSX02-DS10）和坝河口至乐天溪段（DX21-DX14），占全年总淤量的77.2%。

2000年虽然河段仍表现为淤积，但其量很小，为13.29×104m3。

冲刷部位主要在隔流堤以上河段（DX14-DS10），全年共冲刷-65.01×104m3。

主要以冲槽为主，槽冲刷量占总冲刷量的75%，冲刷原因主要是2000年来水量较大而沙量较少。

2001年由于来水来沙均较少，河段全年均淤积，淤积总量为350.6×104m3，其中滩淤151.9×104m3，槽淤198.7×104m3，滩槽淤积比例为1：

1.31，主要淤积段位于隔流堤段及导流明渠以上河段，这两段淤积总量占整个坝区河段淤量的76%。

2002年全年水量及沙量偏少，河段仍以淤积为主，淤积总量为168.86×104m3，其中槽淤积量为147.65×104m3，占淤积总量的87%，主要淤积在隔流堤段和导流明渠以上河段，其余河段冲刷了24.74×104m3。

表41998～2002年三峡坝区河段冲淤量统计表

冲（-）淤（+）单位:

104m3

时段

部位

尾部段

DX21～DX14

隔流堤段

DX14～DX3

导流明渠段

DX3～DSX02

明渠以上段

DSX02～DS10

全河段DX21～DS10

1997.11～1998.12

滩

-347.70

-133.20

23.10

-26.80

-484.60

槽

-286.70

-472.10

-99.40

-70.90

-929.10

合计

-634.40

-605.30

-76.30

-97.70

-1413.70

1998.12～1999.11

滩

54.54

32.76

0.80

79.36

167.46

槽

126.40

78.93

4.43

136.17

345.93

合计

180.94

111.69

5.23

215.53

513.39

1999.11～2000.11

滩

44.66

-9.51

-1.73

-4.87

28.55

槽

33.64

-29.17

0.50

-20.23

-15.26

合计

78.30

-38.68

-1.23

-25.10

13.29

2000.11～2001.11

滩

24.40

68.70

1.70

57.00

151.90

槽

53.30

70.30

4.70

70.40

198.7

合计

77.70

139.00

6.40

127.40

350.60

2001.11～2002.10

滩

14.85

-6.50

-10.91

23.77

21.21

槽

-21.68

82.44

-7.00

93.89

147.65

合计

-6.83

75.94

-17.91

117.66

168.86

1997.11～2002.10

滩

-209.25

-47.75

12.96

128.46

-115.48

槽

-95.04

-269.60

-96.77

209.33

-252.08

合计

-304.29

-317.35

-83.81

337.79

-367.56

总淤积率104m3/Km

-77.43

-69.44

-30.37

93.31

-24.70

3.2纵横断面演变

3.2.1纵断面变化

图2反映了三峡坝区河段河床深泓高程的沿程年际间变化情况。

其深泓的变化特点充分反应了河床的冲淤形势，随着年际间来水来沙和工程施工的影响，深泓的变化非常敏感，其变化幅度较大的部位主要集中在明渠下游河段DX7～DX21。

从1997年11月到1998年12月间，由于大洪水的影响，坝区河段深泓普遍冲深，冲深最大的断面是西陵大桥附近的DX14断面，冲深达29.9m。

从1998年12月后则深泓基本处于逐年回淤状态，但隔流堤以下河段有些部位还远未回复到1997年的河底高程。

从图2中可看出导流明渠段深泓高程明显高于其它河段的河底高程，深泓最低点在河段尾部的DX21断面。

图2三峡坝区河段深泓沿程变化图

3.2.2横断面变化

三峡坝区河段冲淤情况，同样反映在横断面的变化。

其中冲淤量大的河段断面横向剖面图的变化也大，见图3。

受坝区河段横断面的冲淤变化过程有以下特点：

（1）大部分断面以冲淤深泓为主，较典型断面如DX14。

1997年11月该断面深泓高程为29.8m，到1998年12月其深泓冲深到-0.1m，其后随着河床的调整回淤，2000年11月为2.6m，而到2002年10月为13.9m。

（2）大江截流后，明渠出口段（DX3-DX6），由于主流偏右下行，在左岸二期围堰下游形成较强的回流区,使该河段左岸发生累积性淤积。

典型断面如DX3。

该段左岸淤积宽度从岸边到江心大约400m，平均高程从1997年12月的41.8m淤高到2002年10月的58.4m，年平均淤高3.32m。

（3）坝区尾部段靠近左岸有一股水流较集中，1998洪水将边滩冲出一个小槽，其后几年虽有回淤，但速度非常慢，如DX17断面。

（4）导流明渠以上河段由于深泓高程低，加之明渠壅水有一定抬高水位和促使水流分散的作用，故年深泓冲淤变化较小，年冲淤速度较缓慢,但河段从1998年后仍表现为累积性的淤积（区别于较快的淤积）。

具代表性断面如DS6。

图3坝区河段典型断面冲淤过程图

3.3床沙组成变化

三峡坝区河段床沙粒径一般在枯期、汛期差别较大。

枯期基本上是细沙。

而汛期还有砾石、卵石。

从河段床沙组成看，也反映汛期冲刷河床粗化，枯期淤积河床细化。

表5反映了1998～2002年坝区河段床沙的变化情况。

1998年受大水冲刷的影响，河床组成中主要为粗砂、砾石或卵石。

1999～2001年坝区河床处于回淤状态，床沙主要由悬移质和沙质推移质组成，砾卵石很少。

2002年受二期围堰开挖和导流明渠截流的影响，河床在汛期和枯期均有砾石及卵石出现。

上下游二期围堰开挖形成的弃渣直接进入长江，以及导流明渠截流被冲到下游的石料，使得河床床沙组成发生改变，即床沙变粗（主要表现在近坝段）。

表5三峡坝区河段床沙中数粒径统计表单位:

mm

断面号

1998年

1999年

2000年

2001年

2002年

DS9

DS7

DS5

DS3

DX3

DX5

DX8

DX10

DX12

DX14

DX17

DX19

DX21

0.132

0.140

0.015

0.110

0.038

0.165

0.132

0.098

0.334

0.175

0.108

0.107

0.219

0.118

0.066

0.029

0.034

0.026

0.035

0.118

0.331

0.123

0.110

0.042

0.176

0.077

0.137

0.133

0.157

0.156

0.118

0.164

0.246

0.121

0.158

0.332

0.084

0.122

0.133

0.134

0.155

0.060

0.045

0.102

0.083

0.103

0.420

0.132

0.156

0.129

0.113

0.080

0.155

0.193

0.141

0.471

0.879

0.123

0.162

0.058

0.101

0.133

0.106

0.115

0.059

年平均

0.143

0.099

0.158

0.132

0.207

注：

各年度卵石级的床沙未参与平均值计算。

4.坝区河势变化分析

4.1大江截流前后河势变化

三峡坝区河段在大江截流前岸线很不规则，有中堡岛、望家坝、陈家坝三个江心洲形成三个支流，水流极其紊乱，回流多处。

三峡工程动工后，使整个坝区河势发生很大的改变。

包括支流的消失、后河的横向围堰、纵向围堰、隔流堤、临时船闸上下引航道推填、左岸护岸工程以及右岸高家溪至大沱一带的推填，这些项目的施工使河段边界条件发生很大变化，河宽大幅度缩窄，但整个河段主流居中，流向顺直，流速均匀，回流减弱或消失。

1997年是一期围堰向二期围堰过渡的时期，河床的变化主要是大江围堰不断进占，明渠建成并进水通航，到后来大江围堰合龙，水流经过了大江单一河道—分汊河道—明渠单一河道的变化过程。

大江截流后，二期围堰堵塞了大江，水流仅能从明渠单一下泄，过水河宽进一步大幅缩窄，在同流量下，河段流速增大较多，主流流向发生重大改变。

4.2明渠截流前后河势变化

平面地形如图1所示，导流明渠截流前后河势的变化。

从1998年至2002年5月前的期间，河势基本没有大的改变，明渠以上河段较为顺直，主流居中下行，没有回流出现，进入明渠河段后，由于二期围堰的阻流作用，水流急剧偏右下行并顶冲明渠右岸，同时流速增大很快，在明渠出口左岸出现强回流区，水流出明渠河段后，由于惯性作用仍靠右下行一段，才逐步居中并向左偏移，流速减小，趋于均匀。

明渠截流后，水流只能从导流底孔排出，水流集中。

4.5.   结论

通过以上分析，对坝区河床演变有以下认识：

（1）三峡工程坝区河段在两次截流期间，冲淤变化较大。

1998年大洪水冲刷坝区河床泥沙达1413.7×104m3。

之后的1999～2002年，坝区河床一直处于回淤状态，4年总计淤积了1046.14×104m3，仍未达到大江截流前的冲淤平衡状况。

（2）坝区河段的演变以深槽的冲刷为主，滩槽冲刷比为1：

2.18。

1998年冲刷主要集中在导流明渠以下河段，冲刷量达1239.7×104m3，最大冲深为29.9m。

（3）坝区河段因两次截流，河势也相应发生了改变，1997年大江截流，坝区水流经历了大江单一河道—分汊河道—明渠单一河道的演变过程，2002年导流明渠截流又经历了明渠单一河道—分汊河道—大坝底孔泄流的演变过程，使坝区水流的主流线发生了较大的变化，出现了新的回流区和缓流区。

坝区水面线因受二期围堰壅水，1998～2001年导流明渠以上段水面线抬高，2002年因二期围堰拆除和底孔泄流导致明渠以上段水面线又有所下降，其余河段水面线变化不明显。

（4）由于1998年大洪水后坝区河段一直处于累积性淤积，床沙细化，坝区河段床沙组成年内及年际间都在发生改变。

年内一般是枯期床沙粒径明显小于汛期的床沙粒径。

年际间则受来水来沙及工程施工的影响粒径发生变化。

作者简介

牛兰花（1972.07——），女，湖北云梦人，工程师，长江委长江三峡水文局科研室。

参考文献：

[1]《长江三峡大江截流工程》编辑委员会.长江三峡大江截流工程.中国水利水电出版社.1999.12

[2]韩其为李云中《三峡工程第一二期围堰阶段坝区河床演变研究》，泥沙研究2001.10