三峡工程变动回水区泥沙淤积的试验研究(1)程

摘要：为研究三峡工程变动回水区的泥沙淤积.建造了长达800m的全沙试验模型.模型范围包括长江和嘉陵江约200km的天然河段.进行了清水、浑水验证以及蓄水位高程为175、180和156m的长系列模型试验.明确了各蓄水位方案下变动回水区河段的冲淤规律、泥沙淤积对该区航道和沿江港口的影响.为三峡工程的技术验证提供了科学依据。

关键词：变动回水区 全沙模型 泥沙淤积 冲淤平衡

　1 引 言

　　长江三峡工程于1994年正式动工兴建。在此之前.对工程可行性进行过全面深入的论证。在论证工作中.直接影响可行性的一个关键问题，是变动回水区的泥沙淤积及其对该区航运的影响。由于这个原因，对变动回水区的泥沙淤积进行了大量的模型试验和一、二维数学模型计算工作。由于问题的复杂性和重要性.需要建立一个变动回水区的长泥沙模型.以期对整个变动回水区的泥沙淤积及其对航运的影响作出全面深入的研究。变动回水区内上、下游河段之间有着内在的联系。下游河段的淤积将影响其上游河段的水位.从而影响上游河段的淤积量；而上游河段的淤积又将影响进入其下游河段的泥沙数量，从而影响其下游河段的淤积量。当进行河道整治试验研究时.这种上、下游之间的相互影响将更为强烈。进行变动回水区全河段长模型试验.就可较好地研究并解决这个问题。长模型的进口可置于变动回水区之上，不受囤水影响.其来沙量与天然情况下相同。模型的出口可做到变动回水区以下.位于常年水位之中。在常年回水区中，由于水面比降小.对河床糙率不敏感，因而，可由数学模型提供准确的模型出口水位。

　　由于泥沙运动的复杂性，在整个变动回水区长泥沙模型中准确地复演泥沙运动及冲淤变化是很困难的。我国于70年代围绕着长江葛洲坝工程泥沙的研究，开展了大规模的泥沙模型试验工作，使泥沙模型得到了迅速发展和完善。并能在一个模型中，同时复演悬沙和底沙（包括卵石在内）的运动，从而掌握了进行全沙模型的试验技术。然而，葛洲坝的泥沙模型（包括全沙模蟹）仅限于复演较短的局部河段中的泥沙运动和冲淤变化。故对于进行整个变动回水区的长河段泥沙模型试验是否可行，必然有不少疑虑。进行长河段泥沙模型在技术上的主要困难是对模型的相似条件要求非常严格。只有各种相似条件能相应得到满足时，才有可能达到全河段各个部位的冲淤相似。因此，需要进一步提高泥沙模型试验和操作技术，以便更好地研究三峡工程变动回水区全河段的泥沙淤积情况及对该区航运的影响。

　　模型范围上起江津附近的青草背（航行里程①725km），下至涪陵附近的剪刀峡（航行里程550km），并包括嘉陵江18km（见图1）。自1985年按受三峡工程变动回水区全河段泥沙模型试验任务以来，完成了近800m长的模型制做、水流和泥沙冲淤验证、三峡大坝蓄水175m方案80年长系列淤积试验、水库运行100年后重庆洪水位抬高问题、蓄水180m方案80年长系列淤积试验以及175m水位方案中前期按156m水位运行30年等试验工作，为长江三峡工程的技术论证工作提供了可靠的科学依据。

　　①航行里程系指距离宜昌港的距离。

　　图1 三峡工程变动回水区河势

　　1、青草背 2、大中坝 3、大猫峡 4、渔洞溪 5、茄子溪 6、九龙滩 7、猪儿碛 8、重庆

　　9、寸滩10、铜锣峡11、明月峡 12、上洛碛13、下洛碛 14、长寿 15、黄草峡

　　16、金川碛 17、牛屎碛 18、剪刀峡

　　fig. 1 varying backwater zone of three gorges project

　　2 模型设计和验证

　　长江水量大，沙量也大。河道迂回多弯，河床宽窄相间.坡陡流急，岸边石嘴、石梁众多，地形和流态均十分复杂。据寸滩水文站实测资料统计，泥沙年输移量约4.6亿t.泥沙粒径分布很广，从0.005mm以下直至200mm以上［1］。各种粒径的泥沙.其运动形式不同，淤积部位也不同。只有在一个模型中同时复演各种粒径泥沙的输移，才能更好地反映建库后河道各部位泥沙淤积的实际情况，因此，采用全沙模型相似理论［2］设计泥沙运动的相似比尺。在模型设计中，除水流处于阻力平方区和满足重力相似、阻力相似，悬沙满足沉降、扬动和挟沙能力相似，底沙（包括卵石）满足起动、沉降和输移量相似外，还着重研究了悬沙和底沙级配相似。

　　计算表明，当模型的平面比尺λl选用250和垂直比尺λh选用100时，并采用比γs＝1.46t/m3的电木粉作为模型沙，各相似比尺要求能得到较好的满足（见表1）。

　　表1 模型比尺汇总表

　　注：冲淤时间比尺λt采用120；模型沙γs＝1.46t/m3；悬沙ｄ50＝0.026mm；底沙ｄ50＝0.12mm；卵石ｄ50＝3mm。

　　tab. 1 summary of similarity scales for model

　　悬沙和底沙级配相似是全沙模型试验的关键。为保证原型沙和模型沙级配相似，在设计模型沙级配时，采用了文献［3］中的统一沉降公式。将原型沙分为若干组，第i粒径组的直径为ｄp，i，相应沉降速度ωp，i，可由下列公式计算

　　其中，γs—泥沙比重；γ—水的比重；g—重力加速度；ｒei—沉降雷诺数。由沉降相似要求可得到第i粒径组原型沙相对应的模型沙的沉速ωm，i，并由（1）、（2）和（3）式进一步计算得到模型沙粒径ｄm，i 。因此，模型沙的粒径比尺λd与原型沙的粒径有关。当原型沙的粒径范围为0.005～1.0mm时，粒径比尺的范围为1.06～2.15。

　　在制模中，对于关键的局部微地形亦进行了精细的塑造，保证了几何相似条件。原型河床糙率约为0.03～0.10.模型的糙率为0.022～0.074。模型河床采用梅花形排列的橡皮加糙。水面线验证试验表明，在寸滩流量为3150～21810m3/s范围内.水位误差一般在10cm以内（已换算成原型水位）个别站最大误差不超过20cm。为了验证边壁糙率，施放了寸滩站85700m3/s洪水流量，模型水位误差小于22cm。三峡建岸以后，河床将发生累积性泥沙淤积，动床糙率能否保证相似也是一个至关重要的问题。动床糙率一般由沙粒糙率和沙坡糙率所组成。r.j.garde［4］在大量试验和原观的基础上，给出动床糙率系数frs在0.1～1.0范围：

　　其中，h—水深；v—流速；ｄ50—床沙中值粒径。在满足重力相似和采用满足相似要求的电木粉作为模型沙的条件下，由（4）式可得到λn＝1.31～1.38，与阻力相似所要求的糙率比尺1.36基本一致，因此，动床的阻力相似是满足的。

　　在江津至剪刀峡近200km长江河道中，有大中坝、中堆、九龙滩、上洛碛、王家滩、金川碛和牛屎碛等著名宽浅滩，支流嘉陵江上还有石门和金沙碛两个宽浅段（参见图1）。在这10个宽浅段上，在一个水文年内，实测了3～9月的泥沙淤积量和9～10月的泥沙冲刷量。在模型中，模拟了实测水文年的来水来沙过程，并在模型相应10个宽浅河段，实测了3～9月的泥沙淤积量和9～10月的冲刷量。试验结果表明，模型淤积量和冲刷量与原型基本一致，误差一般在30％以内。原型河道宽浅汛期淤积、汛后冲刷，并在一个水文年内基本平衡的冲刷规律在模型中得到了较好的模拟，模型设计能反映原型河道的河床演变过程。

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