郭 華，張緒進，杜宗偉，王云麗

(1.重慶交通大學河海學院，重慶400074;2.重慶交通大學 西南水運科學研究所，重慶400016)

水庫泥沙淤積［1］是河流泥沙研究的一個重要方面，淤積對于庫區(qū)通航產(chǎn)生多種影響。國內(nèi)對庫區(qū)通航的研究比較多，如:盧漢才，等［2］總結(jié)了以汊流灘居多的西江航運建設(shè)一期航道整治經(jīng)驗;李云忠，等［3］統(tǒng)計比較了葛洲壩樞紐運行20年前后的灘磧演變和航道條件變化。長江航道局［4］從1992年開始對三峽工程變動回水區(qū)內(nèi)港道可能發(fā)生的礙航問題進行了研究。由于老木孔航電樞紐庫區(qū)河床寬淺，洲灘發(fā)育，河道地形與水流條件均十分復(fù)雜，且碼頭前沿岸線及老木孔防洪堤的布置均采用大挖大填的方式，對原河道地形與航道改變較大，庫區(qū)泥沙淤積進一步增加了河床演變與通航水流條件變化的復(fù)雜性，研究建港前后工程河段水流條件、河床演變規(guī)律及對策措施以確保工程修建后河道行洪安全、航道暢通和港口的正常使用，具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

1 河道概況及河床演變分析

1.1 河道概況

老木孔航電樞紐的庫區(qū)樂山港老江壩作業(yè)區(qū)河段河道長約24.9 km，天然落差20.8 m，河道平均比降0.84‰。該段河谷寬約3.5 ～4.8 km，多為復(fù)式河床，洲島發(fā)育，岔濠縱橫，水流分散。為研究其泥沙沖淤演變，將該段河道分為壩址—老江壩尾、老江壩尾—烏尤寺、烏尤寺—肖公咀及其他。烏尤寺—老木孔樞紐壩址河段長約11 km，該河段地處大渡河匯入口下游，枯水河寬300～400 m，九峰鎮(zhèn)以下河面逐漸展寬，洲灘發(fā)育，汊浩縱橫，至老江壩形成寬達960 m，長約2 400 m的巨大江心洲。河道在此分為左、右兩汊，左汊為主汊，分流量約占岷江總流量的3/4，是船舶航行的主航道。老木孔樞紐建成前后各級流量及壩址水位見表1。

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泥沙試驗選取五通橋水文站為老木孔航電工程壩址水文分析計算的設(shè)計依據(jù)站，岷江彭山、青衣江夾江、大渡河沙坪、銅街子、福祿鎮(zhèn)5個水文站為老木孔航電工程庫區(qū)水文分析計算的設(shè)計依據(jù)站，高場水文站和烏尤寺水位站為老木孔航電工程的設(shè)計參證站。老木孔航電工程的入庫輸沙量及含沙量直接采用五通橋水文站的相應(yīng)統(tǒng)計成果［5］。五通橋水文站懸移質(zhì)多年平均輸沙量4.240×107t，多年平均懸移質(zhì)含沙量538 g/m3。輸沙量年際變化較大，最大年輸沙量8.940×107t(1989年)是多年平均年輸沙量的2.11倍，是最小年輸沙量1.370×107t(2002年)的6.52倍。輸沙量年內(nèi)分配很不均勻，汛期(6～9月)輸沙量 4.010 ×107t，占年輸沙量的94.6%，其中的 7、8兩月輸沙量占年輸沙量的36.7%及30.4%。考慮上游水庫攔沙后老木孔航電工程干支流的懸移質(zhì)顆粒級配見表2。

表2 老木孔樞紐入庫懸移質(zhì)顆粒級配Table 2 The suspended particle gradation about the Old Wood Hole hub

1.2 河床演變分析

收集該河段1978年6月、2008年8月和2009年12月的實測河床地形圖進行比較，工程河段上段有老江壩江心洲分流，左汊平均高程較右汊低2～3 m，枯水期主流循左汊下泄，中、洪水期右汊過流。左汊深泓線居中，其走向、位置變化不大(僅擺動20 m)。老江壩下游，深泓線有向左偏移的趨勢，但更為順直。在上段長約6 km河段范圍內(nèi)，除老江壩上游350 m和老江壩下游蘿卜寺灘和牯牛灘深泓線平面位置稍有擺動(擺幅度均小于80 m)外，其余部位深泓線基本吻合，呈重疊或交錯狀。3次測圖深泓線縱剖面變化趨勢較為一致，說明該段河床在31年間未出現(xiàn)過較大幅度的淤積抬升和沖刷下切。工程河段深泓線不僅平面穩(wěn)定，縱向變化也較小。3次實測地形所繪制出的河床橫斷面均基本吻合，即河床斷面形態(tài)較為一致，斷面深槽雖有一定的沖淤變化，但變幅均小于1 m。

2 模型設(shè)計與驗證

模型的范圍為岷江干流府河大橋—老木孔壩址河段(長約14 km)，支流大渡河大件碼頭—河口(長約3 km)，模擬原型河道總長約17 km，這樣確保模型進口河段水流要素的相似性，也便于控制模型尾門的水位，具體布置見圖1。設(shè)計時考慮模型水流應(yīng)同時滿足阻力相似和重力相似;懸沙應(yīng)同時滿足沉降相似，揚動相似和挾沙能力相似;底沙須同時滿足起動相似、沉降相似和輸沙量相似。由于岷江上游干、支流建庫的攔沙作用，進入本庫區(qū)的泥沙以懸移質(zhì)為主，入庫沙量雖較前減少了60%左右，但仍是本庫區(qū)淤積的主要來源，推移質(zhì)進入本庫區(qū)的數(shù)量甚少。

圖1 模型范圍及河勢Fig.1 The model range and river regime

2.1 模型沙的選擇與比尺確定

考慮到河段的河岸多年來變化很小，故河岸為定床，河床采用動床。動床河工模型的平面比尺為λL=200，垂直比尺為 λh=100，模型變率為 η=2。原型河床糙率為0.026～0.043，相應(yīng)模型河床糙率為0.017～0.028，采用小卵石梅花型加糙。試驗選用榮昌精煤作模型沙，其容重為1.33 t/m3。

懸移質(zhì)粒徑比尺采用適合于滯流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū)的武漢水電學院公式［6］計算:式中:ω為泥沙沉速;d為泥沙粒徑;υ為動力黏滯系數(shù)。

原型懸沙 d50為0.022 mm，模型懸沙為 0.020 mm。懸移質(zhì)起動流速比尺，采用沙玉清公式和張瑞瑾公式［7］計算:

式中:δ為薄膜水厚度，δ=0.000 01 mm;ε為孔隙率，穩(wěn)定值為0.4;d為泥沙粒徑;h為水深。

式中:H為水深m。

我知道停尸房里每天有幾具死于手術(shù)中的尸體，在忙碌的手術(shù)室里我習慣性地記住他們的名字，通過尸身腳上懸掛的名牌把尸身從緊閉的不銹鋼冰箱門推出，移至解剖臺上。今天骨骼大軍即將迎來他們的第207個士兵，一個全膝關(guān)節(jié)。我會為死者替換他的膝蓋，完成全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)。追悼儀式后，死者與他的關(guān)節(jié)假體在他親人的嚎哭中被大火淹沒，而他真正的膝關(guān)節(jié)將永存于世。

為使式(2)、式(3)能統(tǒng)一到泥沙顆粒這一標準上來，參照以往對天然沙的試驗，該粒徑范圍的泥沙揚動流速Vf約為啟動流速的1.4倍，取其平均值作為天然狀態(tài)泥沙的揚動流速。對模型沙的揚動流速，由水槽試驗確定。模型沙實際揚動流速較模型沙要求的揚動流速偏大7.4% ～17.9%。懸移質(zhì)挾沙能力比尺 λs=0.398，懸移質(zhì)輸沙時間比尺 λt(懸)=157。模型沙與原型沙懸移質(zhì)級配見圖2。推移質(zhì)粒徑比尺、輸沙率比尺和推移質(zhì)運動時間比尺分別為:λd=21.6，λgb=348.0，λt(推)=167。模型比尺匯總見表3。

圖2 原型沙與模型沙的懸移質(zhì)級配曲線Fig.2 Gradation curves of suspended matter about prototype and model

表3 泥沙模型比尺匯總Table 3 Summary of sediment model scale

(續(xù)表3)

2.2 模型試驗控制

模型試驗流量分級及老木孔樞紐壩址處相應(yīng)水位系根據(jù)中國水電顧問集團成都勘測計研究院提供的天然河道和水庫建成后老木孔樞紐壩址處的水位流量關(guān)系確定，模型進口流量(岷江、大渡河)分別由兩個量水堰控制，模型尾水用翻板門，并安裝自動水位跟蹤儀調(diào)節(jié)。在進水口設(shè)置含沙量監(jiān)測點，每15 min采樣一次進行快速顆分和比重瓶測含沙量，持續(xù)時間在1 h以上的流量級進行全顆分實驗，實時進行含沙量及泥沙級配跟蹤，并通過攪拌池加水加沙及時調(diào)節(jié)。

2.3 動床模型驗證

2.3.1 水面線、分流比及流速分布驗證

采用現(xiàn)有實測的洪、中、枯 3級流量(Q=14 030、8 500和574 m3/s)的瞬時水面線資料(圖3)，作為校核模型與原型河床阻力相似的依據(jù)?？菟炞C誤差在±0.1 m以內(nèi)，中水驗證最大誤差為0.12 m，洪水驗證誤差在 ±0.1 m。流向采用浮標法，各級流量下主流位置與原型基本一致;垂向速度以烏尤寺斷面垂向流速進行驗證(圖4)，誤差在±10%，老江壩左右汊分流比見表 4，誤差為2.47%。模型驗證成果符合模型試驗規(guī)程的要求。

圖3 水位驗證Fig.3 Water level verification diagram

圖4 烏尤寺上斷面垂線流速驗證(Q=4 200 m3/s)Fig.4 Vertical flow velocity verification of Wuyou Temple section

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2.3.2 河床沖淤驗證

以2008年8月實測地形制模，施放2008年8月至2009年12月之間的水沙過程。對照2009年12月地形檢驗?zāi)Ｐ秃哟矝_淤的相似性。模型尾門水位按兩江匯合后的總流量由水位流量相關(guān)曲線控制。原型沖刷量為5.12×105m3，淤積量為9.61×105m3，模型相同河段同一時期內(nèi)的沖刷量為4.36 ×105m3，淤積量為為8.69 ×105m3。模型與原型沖刷量和淤積量的相對誤差分別為14.8%和9.6%，符合相關(guān)規(guī)程的要求。驗證河段模型沖淤分布如圖5，其沖淤部位與原型基本一致。水流與河床沖淤驗證結(jié)果表明本泥沙模型設(shè)計、選沙及各項比尺的確定是合理的，模型相似性較好。

圖5 驗證河段沖淤分布Fig.5 Scouring and silting distribution of validation

3 試驗分析

通過正常蓄水水位、流場分布和洪水淹沒比較，試驗方案采用定床試驗成果［8］，即1 500 m堤距保留老江壩方案。

3.1 入庫水沙條件

3.2 淤積過程及淤積量

老木孔樞紐建成運行后，庫區(qū)河段水位升高，流速減小，比降趨緩，水流輸沙能力降低，泥沙發(fā)生累積性淤積。水庫運行初期庫區(qū)河床淤積較快，前5a累計淤積量5.10×106m3，每年平均淤積1.02×106m3。隨著水庫運用年限的增長，泥沙淤積量逐漸增大，但淤積速率逐漸放慢。

由表5可見，水庫運用10a，15a和20a試驗庫區(qū)河段泥沙累計淤積量分別為 7.50×106m3、1.009×107m3和1.233 ×107m3。后 15a平均年淤沙量為4.82×105m3，其年均淤積量僅為前5a平均淤積量的47.2%。后15a平均年淤沙量為4.82×105m3，其年均淤積量僅為前5a平均淤積量的47.2%。試驗過程中，全程監(jiān)測了出庫沙量的變化情況，至水庫運用20a時，出庫沙量為入庫沙量的78%左右，表明庫區(qū)河床沖淤尚未達到平衡狀態(tài)。老木孔水庫運用20a，庫區(qū)河段累計淤沙1.233×107m3，泥沙主要淤積在水庫常年回水區(qū)(老江壩以下河段)，而變動回水區(qū)(老江壩以上河段)淤積甚少。水庫運用20a，壩址—老江壩尾河段泥沙累計淤積量為9.78×106m3，占庫區(qū)累計淤沙總量的79.3%;老江壩尾—烏尤寺(老江壩右汊)河段泥沙累計淤積量為1.82×106m3，占庫區(qū)淤沙總量的14.8%，烏尤寺—肖公咀河段泥沙累計淤積量為2.0×105m3，占庫區(qū)累計淤沙總量的1.6%。

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3.3 淤積分布

成庫后庫區(qū)河道普遍淤積，但淤積分布極不均衡，如圖6。淤沙主要集中在邊灘開挖區(qū)、岸邊緩流帶、回流區(qū)、彎道凸岸及河面放寬處等，而河道主槽淤積卻較少。重點淤積部位在老江壩尾至壩址河段左右兩岸邊灘疏浚區(qū)，老江壩右汊及涌澌江口附近(包括疏浚后的江心灘)，見表6。

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圖6 淤積平面分布Fig.6 Cholestasis plane distribution

老江壩右汊河床較左汊高2～3 m，天然情況下該汊的分流比較小(約25%)，且河道相對彎曲，加上在建的樂自公路大橋橋墩的阻水作用，使得建庫后右汊逐漸淤積，汊道上游進口、下游出口及中段靠近江心洲的河道淤沙較明顯。至水庫運行20a末，右汊泥沙淤積量已達1.06×106m3，占同期港區(qū)全河段淤沙總量的8.6%，而且呈現(xiàn)繼續(xù)淤積的趨勢。右汊出口以下右岸邊灘淤積厚度普遍達到2 m以上，影響老江壩碼頭一期工程、船閘上引航道及樂山港規(guī)劃港區(qū)的正常使用。涌澌江口附近淤積厚度也達到3 m左右，增大了生態(tài)電站進口河段的維護清淤量。其次，彎道凸岸及岷江河口段(緩流區(qū))等處也有一定淤積。

造成庫區(qū)泥沙淤積分布不均的原因與水庫運行方式、庫區(qū)河床形態(tài)及流場分布等密切相關(guān)。按設(shè)計擬定的水庫運行方式，當入庫流量小于5 000 m3/s時，壩前水位按358 m控制，此時庫區(qū)流速較小，泥沙普遍淤積，尤其是水庫的常年回水區(qū)泥沙淤積更為明顯，兩岸邊灘逐漸淤高，當入庫流量為5 000～10 000 m3/s時，老江壩尾以下河段仍處于常年回水區(qū)，水流緩慢，泥沙仍以淤積為主，只有當入庫流量大于10 000 m3/s，電站停機敞泄沖沙時，庫區(qū)淤沙才有沖刷的可能，但由于庫區(qū)河床灘、槽高差較大，水流大部分集中到主河槽內(nèi)，造成主槽流速、比降顯著大于邊灘流速、比降，其結(jié)果是主槽淤沙大部分被沖走，而邊灘淤沙則幾乎未動，即主河槽呈沖淤交替的微淤狀態(tài)，兩岸邊灘則成累積性淤積的態(tài)勢。主槽淤積粒徑較粗(0.031 mm ＜ d50＜0.042 mm)，邊灘淤沙粒徑較細(0.022 mm ＜d50＜0.033 mm)。

3.4 淤積對通航水流條件的影響

水庫建成運行后，庫區(qū)河床逐漸淤高，到水庫運用20a末，老江壩尾至壩址河床(主要是兩岸邊灘)普遍淤高2 m以上。該段過水面積較建庫初期略有減小，流速有所增加。當入庫流量為5 000 m3/s(壩前水位356 m)時，主槽流速較建庫初期增加0.1～0.2 m/s。當入庫流量為10 000 m3/s(壩前水位356 m)時主糟流速增加0.2～0.4 m/s。老江壩河段泥沙淤積部位主要分布在老江壩尾及左、右兩岸防洪堤前沿一帶，主槽淤積較少。但由于該河段處于水庫的回水變動區(qū)，泥沙淤積對流速的影響較為明顯。當入庫流量為10 000 m3/s時，主槽流速較建庫初期增加0.3～0.7 m/s。老江壩以上河床泥沙淤積較少，對流速的影響不大。

盡管有上述變化，但泥沙淤積對航道條件并未造成太大的影響，水庫運行20a，航道尺度仍十分富裕，航寬、航深及彎道半徑遠大于岷江Ⅲ級航道標準，通航水流條件(Q﹤10 000 m3/s)亦滿足設(shè)計船舶(隊)的通航要求。

4 結(jié)論

筆者以動床河工模型試驗研究老木孔庫區(qū)即將建設(shè)的樂山港港區(qū)河段泥沙沖淤演變及其通航影響。試驗結(jié)果表明水庫運行后泥沙普遍淤積，淤沙速率隨運用年限增加逐漸放緩，到運行20a仍未達到淤沙平衡，但對于庫區(qū)內(nèi)的通航影響較小，能滿足規(guī)劃設(shè)計的Ⅲ級航道要求，為樂山港的建設(shè)使用起指導(dǎo)作用。

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