三峽工程運用初期荊江河段調關彎道沖淤演變試驗研究

唐 峰，李發政，姚仕明，朱勇輝

（長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010）

三峽工程運用初期荊江河段調關彎道沖淤演變試驗研究

唐 峰，李發政，姚仕明，朱勇輝

（長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010）

三峽水庫修建后，由于水庫調蓄作用，進入壩下游荊江河道的水沙過程發生了顯著變化。荊江河道產生較明顯的沖刷，已引起局部河段的河勢調整，將在相當長時期內對兩岸堤防、已建護岸工程和河道整治工程及河道的穩定產生不同程度影響，進而影響該地區的防洪、航運、生態與環境，以及河流的綜合服務功能的正常發揮。采用長江防洪實體動床模型試驗，研究了三峽工程運用初期不同時期荊江重點險工段調關彎道的沖淤變化過程，并在此基礎上預測河勢調整趨勢。研究成果可為該段河道的治理和河勢控制工程規劃、設計等提供技術參考。

長江防洪實體模型；三峽工程；調關彎道；沖淤變化

1 概 述

三峽工程已于2003年6月開始蓄水至135 m，2006年9月蓄水至156 m，2010年10月26日水庫水位抬高至正常蓄水位175 m，實現防洪、發電、航運等綜合目標。三峽水庫修建后，由于水庫調節作用，上游進入水庫的泥沙將大量淤積在庫內，改變了壩下游的水沙條件與過程，下泄水流含沙量明顯減少，水流挾沙能力處于嚴重次飽和狀態，造成對壩下游河道長時間長距離的嚴重沖刷，從而引起壩下游水沙關系、江湖關系等發生變化，使壩下游面臨一系列新的問題。

三峽工程蓄水運用以來，由于荊江河道的沖刷與局部河段河勢的調整變化，荊江河段頻頻出現崩岸險情和新的險工段，直接威脅到堤防安全，對河岸與河勢的穩定極為不利；部分已護工程也因河床的劇烈沖刷而頻頻出險，同時也威脅到涉水建筑物的正常運用以及航運安全。其中，荊江河段受三峽工程蓄水運用的影響時間早、程度大，調關彎道歷年來一直是荊江河段的重點險工段，歷史上曾頻頻發生重大險情，因此，開展三峽工程運用后荊江河段調關彎道河道沖淤演變研究是十分必要的。

2 河道概況

荊江河段調關彎道上起寡婦夾，下迄八十丈，全長約23 km（見圖1），屬于典型的蜿蜒型河道，與下游緊鄰的中洲子彎道一起由3個連續反向彎道組成，河道蜿蜒曲折，深泓線橫向擺動較大，撇彎切灘頻繁。二十世紀60年代末至70年代初，調關彎道上段經歷了沙灘子自然裁彎，下段經歷了中洲子人工裁彎，河勢發生劇烈調整。由于近幾十年來下荊江實施了大量的護岸工程與河勢控制工程，河道擺動幅度明顯減小，岸線穩定性明顯增強，現已成為限制性的蜿蜒型河道。

圖1 調關彎道河勢圖Fig.1 The river regime of Tiaoguan bend reach

調關彎道段河床組成為中細沙，卵石層在床面以下埋藏較深，河段右岸組成主要為二元結構；左岸為沖積平原，河岸由下部沙層與上部黏性土層組成，抗沖能力差。自然條件下彎道凹岸崩塌、凸岸淤長是調關彎道變化的主要特征。

3 三峽蓄水運用后調關彎道水沙條件變化

調關彎道徑流和泥沙主要來自宜昌以上長江干、支流，同時受荊江三口分流分沙變化的影響。

沙市和監利水文站實測資料統計分析表明：三峽工程蓄水運用后2003－2009年較2002年前年均徑流量變化較小，其中沙市站減少5%，監利站增加1%。但年均輸沙量卻減少很多，兩站分別減少81%和74%（表1）。由于2003－2009年上游水流處于不飽和狀態，其攜帶泥沙的能力較2002年前平均情況要大很多，必將引起河床沿程沖刷直至達到飽和狀態。

表1 沙市站和監利站不同時段年均徑流量與輸沙量Tab le 1 The annual runoff and sediment load at Shashi Station and Jianli Station

4 模型及試驗條件

4.1 實體模型

長江防洪實體模型模擬范圍為長江干流枝城至螺山，并且包括其間的主要支流、洞庭湖區及分蓄洪區等，其中干流河道長約380 km。模型設計平面比尺αL＝400，垂直比尺αH＝100，模型變率e＝4。其水流運動相似比尺：流速比尺αV＝10，糙率比尺αn＝1.08，流量比尺αQ＝400 000，時間比尺αt＝40。

動床模型模擬范圍上起金魚溝彎道入口處（荊110），下迄鹽船套附近（荊170），全長約78 km，模型長約195 m。模型沙采用長江科學院研制的新塑料合成沙，質量密度設計為1.38 t／m3，模型按照2008年10月實測地形制作。

4.2 試驗條件

采用1991－2000年系列年進庫水沙條件和三峽水庫泥沙淤積后出庫水沙過程進行壩下游長河段長時段一維水沙數學模型計算，其計算成果為本模型試驗提供了邊界條件。根據數學模型計算成果，對試驗河段沿程水位、進口流量與輸沙量等水沙條件進行了不同時段步長的概化，模型模擬進口的輸沙取大于0.05 mm粒徑的泥沙。

5 模型試驗沖淤演變分析

5.1 深泓及近岸沖刷坑變化

模型試驗結果表明（見圖2）：三峽工程蓄水運用至2022年，調關彎道深泓高程變化總體表現為沿程繼續沖刷下切，各河段深泓平面變化主要表現為深泓貼岸，特別是彎道段貼岸距離下延、彎道的迎流頂沖點下移以及深泓過渡段位置下移，在彎道的進口段凸岸邊灘有所沖刷，沖刷坑范圍有所擴大。2022年末近岸局部沖刷坑變化情況如下。

金魚溝彎道近岸深槽繼續沖刷拓寬，其中0 m深槽（CS938附近）沖刷拓寬并向上游發展，沖刷坑范圍增大到0.38 km2左右，深槽最大沖深約1.3 m；調關附近0 m深槽（荊122附近）沖刷拓寬并向下游發展，其0 m深槽最大展寬約25 m，沖刷坑范圍增大到0.39 km2左右，彎道深槽最大沖深約9.2 m。

圖2三峽工程運用初期（2008－2022年）北碾子灣至鹽船套河段0m沖刷坑平面變化圖Fig.2 Changes of the scouring pit at 0m of the Jingjiang River from Beinianziwan to Yanchuantao at the initial operation stage of Three Gorges Project

5.2 河勢變化

三峽工程運用至第10年、第15年及第20年后，調關彎道段河勢基本上仍維持現有格局，即主流由右岸寡婦夾過渡至金魚溝彎道凹岸深槽后貼左岸下行，出金魚溝彎道后向右岸連心垸過渡進入調關彎道，沿主流貼岸段下行。與初始地形（2008年10月）比較，該河段河床沖淤變化特征表現為河床整體下切趨勢明顯，深槽沿程沖刷拓寬，2017年以前受彎道進口段凸岸邊灘沖刷加劇的影響，進口過渡段主流下挫，彎道頂沖點下移，深泓逐漸向凸岸擺動，彎道上游雖繼續維持左右雙槽形態，但凹岸深槽逐漸淤積萎縮，靠近凸岸一側深槽進一步沖刷、展寬而逐漸發展為主槽。根據下荊江北碾子灣至鹽船套段模型試驗成果分析可知，2017年以前調關彎道段有發生“撇彎切灘”的趨勢，但2012年后趨勢有所減緩，三峽工程運行至2022年末，主流不再沖刷凸岸邊灘而改為沖刷凹岸上游淤積的河床，主流頂沖點略有上提（見圖3）。

圖3 三峽工程運用至2012年末調關彎道段河勢變化圖Fig.3 The river regim e of Tiaoguan bend reach from the operation of TGP to the end of 2012

6 結 論

通過分析荊江調關彎道段近期河道演變規律，并結合長系列水文條件下該河段動床模型試驗研究成果，對該河段的河勢變化趨勢進行預估，主要得出以下幾點認識：

（1）荊江調關彎道段自然條件下為典型的蜿蜒型河道，易發生自然裁彎，河道擺動幅度大。20世紀60年代末至70年代初，該河段經歷了沙灘子自然裁彎和中洲子人工裁彎，河勢發生了劇烈調整，裁彎后又不斷實施了河勢控制工程和大量的護岸工程，河道擺動幅度明顯減小，岸線穩定性明顯增強。三峽工程運用初期，本河段總體河勢不會發生大的變化，但河床隨三峽工程運行年限延長呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢，深槽刷深拓展明顯，過渡段主流下挫，彎道頂沖點下移，主流貼岸距離下延，過渡段間主流平面擺動將比較大，局部河勢仍將有所調整。

（2）三峽工程蓄水運用以來，下泄水流含沙量明顯減少，水流挾沙能力處于嚴重次飽和狀態，造成對壩下游河道長時間長距離的嚴重沖刷，荊江河道原有的沖淤平衡勢必將被打破。河道為了適應這種變化會進行自我調節，其表現形式為沖深展寬以彌補水流挾沙能力的不足，在一些典型的彎道段，凹岸深槽多年來已處于較穩定狀態，只有凸岸邊灘沖刷才能滿足不飽和水流的要求，以上河勢變化能夠從三峽蓄水以來近幾年的河道地形資料分析以及近幾年現場實地查勘中得到驗證。

三峽工程運用初期，調關彎道段主流仍將貼彎道凹岸下行，近岸深槽繼續沖刷拓寬，受彎道進口段凸岸邊灘沖刷加劇的影響，進口過渡段主流下挫，彎道頂沖點下移，深泓逐漸向凸岸擺動，彎道上游雖繼續維持左右雙槽形態，但凹岸深槽逐漸淤積萎縮，靠近凸岸一側深槽進一步沖刷、展寬而逐漸發展為主槽。根據下荊江北碾子灣至鹽船套段模型試驗成果分析可知，三峽工程蓄水運行至2012年時3個彎道段有發生“撇彎切灘”的趨勢，運行至2017年時趨勢有所減緩，運行至2022年末，主流不再沖刷凸岸邊灘而改為沖刷凹岸上游淤積的河床，主流頂沖點略有上提。

［1］ 余文疇，盧金友.長江河道演變與整治［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.（YUWen chou，LU Jin you.Evolution and Regulation of the River Channel of the Yan gtze River［M］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［2］ 長江水利委員會長江科學院.長江防洪模型利用世界銀行貸款項目實體模型選沙報告［R］.武漢：長江科學院，2005.（Yangtze River Scientific Research Institute of CWRC.World Bank Loan Project：Model Sand Selection of the Changjiang River Flood Protection Physical Model［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institu te，2005.（in Chinese））

［3］ 孫貴洲，李發政.三峽工程運用后初期上荊江重點河段沖淤變化試驗研究［R］.武漢：長江科學院，2009.（SUN Gui zhou，LIFa zheng.Physical Modeling of Mor phological Changes in Major Reaches of Upper Jingjiang River at the Initial operation Stage of Three Gorges Project［R］，Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institu te，2009.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Physical M odeling of M orphological Changes in Tiaoguan Bend Reach of Jingjiang River at the Initial Operation Stage of Three Gorges Project

TANG Feng，LIFa zheng，YAO Shi ming，ZHU Yong hui
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Both the process and the amount of the water and sediment load flowing into the Jingjiang river reach downstream of the Three Gorges Project（TGP）have changed significantly due to the regulation and storage of the reservoir.Conspicuous erosion in Jingjiang river channel has resulted in river regime changes in parts of the reach，and will consequently influence the embankments and bank protection works along both sides，the river regulation projects and the stability of riverbed，thereby further affecting the flood control，navigation，ecology，environment and the integrated service function of the river in these areas.In this study，movable bed model of the Changjiang River Flood Protection Physical Model was used to study the changes of erosion and sedimentation in this reach at the initial operation stage of TGP.The tendency of river regime changes were predicted as well.Research results will offer technical reference for the planning and design of river regulation and river regime control projects in this river course.

Changjiang River Flood Protection Physical Model；Three Gorges Project；Tiaoguan bend reach；chan ges of erosion and sedimentation

TV 149.2

A

1001－5485（2011）08－0077－03

2010 06 17

唐 峰（1978 ），男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事河流泥沙與河道整治研究，（電話）027 84238177轉806（電子信箱）helaozi＿001＠163.com。