發(fā)布時間：2020-01-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：2003年三峽水庫蓄水運(yùn)用后，長江中下游河道對新水沙條件的自適應(yīng)調(diào)整十分復(fù)雜。本文重點(diǎn)關(guān)注河道橫斷面形態(tài)調(diào)整問題，分析表明，在減沙效應(yīng)影響的河段內(nèi)，河道總體沖刷過程中斷面形態(tài)的變化可以分為3種模式：整體下切型、平移調(diào)整型和復(fù)合調(diào)整型。針對
摘要：2003年三峽水庫蓄水運(yùn)用后，長江中下游河道對新水沙條件的自適應(yīng)調(diào)整十分復(fù)雜。本文重點(diǎn)關(guān)注河道橫斷面形態(tài)調(diào)整問題，分析表明，在減沙效應(yīng)影響的河段內(nèi)，河道總體沖刷過程中斷面形態(tài)的變化可以分為3種模式：整體下切型、平移調(diào)整型和復(fù)合調(diào)整型。針對長江中下游大部分為受控型河道的現(xiàn)狀，提出采用形心相對深度指標(biāo)對斷面形態(tài)變化進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，在河道沖刷過程中，斷面形態(tài)既存在沖灘為主的坦化現(xiàn)象，也存在沖槽為主的銳化現(xiàn)象。結(jié)合水沙條件變化分析，闡述了3種斷面形態(tài)調(diào)整模式的水沙作用機(jī)理，指出在新水沙條件下河道轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷型后，斷面形態(tài)的調(diào)整方向由主流區(qū)的強(qiáng)沖刷效應(yīng)所主導(dǎo)，且因中水流量級的造床作用凸顯，洪水流量級的造床作用被明顯削弱。在原始深槽走向與優(yōu)勢流量級主流傾向位置差別較大的河段，河道橫斷面優(yōu)先表現(xiàn)出平移調(diào)整模式;在深槽走向相對平順的河段，河道橫斷面的調(diào)整以復(fù)合調(diào)整模式為主，呈現(xiàn)出沖深淤淺的銳化特征。
關(guān)鍵詞：河床演變;造床作用;三峽工程;斷面形態(tài);水沙條件
1 研究背景
能夠自由發(fā)展的沖積河流的河床，在水流長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應(yīng)的某種均衡狀態(tài)，在此均衡狀態(tài)下，河道形態(tài)指標(biāo)與水沙邊界條件等特征物理量之間的函數(shù)關(guān)系即為河相關(guān)系，長期以來，沖積河流河相關(guān)系是對其進(jìn)行演變分析與河道整治的重要依據(jù)[1]。驅(qū)動河相關(guān)系形成的內(nèi)在物理機(jī)制是水沙過程的造床作用，因此，大型樞紐下游水沙變異后，其造床作用的變化直接決定河相關(guān)系的調(diào)整方向。
一般認(rèn)為，樞紐下游來水條件的變化主要表現(xiàn)為洪峰流量減少，枯水流量增大，徑流的年內(nèi)年際變幅減小，以及接近恒定流狀態(tài)的流量持續(xù)時間延長[2];來沙條件的變化一般表現(xiàn)為樞紐建設(shè)期的增沙效應(yīng)以及建成后的減沙效應(yīng)[3-4]，后者是研究關(guān)注的重點(diǎn)。雖然樞紐對水沙條件的調(diào)節(jié)在定性上具有相對明顯的一致性，但樞紐修建后下游河道河相關(guān)系發(fā)生的調(diào)整變化卻千差萬別，以本文重點(diǎn)關(guān)注的橫斷面形態(tài)調(diào)整為例，樞紐下游的橫斷面調(diào)整基本都包含了下切的共性過程[5]，不過斷面寬度既有展寬的現(xiàn)象[6]，也有縮窄的現(xiàn)象[7]，還有先縮窄、后展寬的現(xiàn)象[8]，而且有的河流在建庫后橫向調(diào)整速度要小于建庫前[9]，也有河流出現(xiàn)了建庫后河道橫向調(diào)整速度較建庫前明顯增加的情況[10]。這主要是因?yàn)椋煌暮恿鳌屑~下游河段距壩址距離、水沙變異幅度、河床組成、河型等因素有明顯差異，河床演變的基本規(guī)律必然有不同的外在表現(xiàn)形式。
長江三峽水庫蓄水運(yùn)用后，水沙條件的劇變同樣也伴隨著造床作用的顯著調(diào)整，對此，當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)主要是來沙減少后的沖刷效應(yīng)[11]，也有研究成果對不同流量級在荊江河段的沖刷效率開展了分析[12]。但是，長江中下游沙質(zhì)河段斷面形態(tài)的調(diào)整變化遠(yuǎn)非“沖刷”可以簡單概括，即使是位于長江沙質(zhì)河段首端的太平口水道，在強(qiáng)烈沖刷的總體特征下，斷面形態(tài)仍會發(fā)生復(fù)雜的沖淤調(diào)整。由于斷面上的沖淤分布直接決定了航道條件的變化趨勢，分析研究斷面形態(tài)的變化特點(diǎn)以及新水沙條件所發(fā)揮的造床作用，對于長江干線“黃金水道”建設(shè)以及河道治理，均有十分重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價值。
2 三峽水庫壩下游河道斷面形態(tài)變化模式與斷面形心深度分析方法
2.1 壩下游河道橫斷面形態(tài)總體變化特征與調(diào)整模式 三峽水庫蓄水運(yùn)用以后，壩下游河道沖刷十分劇烈，據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，截至2015年，從宜昌自上而下，宜枝河段、上荊江、下荊江、城漢河段、漢口至湖口河段的累積沖刷強(qiáng)度分別約為262萬、279萬、202萬、99萬和138萬m3 /km，如圖1 所示，相應(yīng)累積沖刷總量分別為1.59億、4.78億、3.54億、2.49億和4.08億m3 。
總體而言，距大壩較近的砂卵石河段在橫斷面形態(tài)的調(diào)整方面以可沖層的逐漸剝蝕為主要特點(diǎn)，而砂卵石河段以下的沙質(zhì)河段橫斷面形態(tài)調(diào)整則較為復(fù)雜，灘槽調(diào)整的方式與幅度多種多樣。通過歸納分析，壩下游河道在總體沖刷的過程中，斷面形態(tài)的調(diào)整變化可以分為三種模式(重點(diǎn)考察湖口以上河段)：①整體下切型，主要表現(xiàn)為斷面整體不均勻下切，橫向沖淤調(diào)整較為少見，如圖2 (a)所示;②平移調(diào)整型，主要表現(xiàn)為斷面某一側(cè)大幅沖刷，而另一側(cè)有一定幅度的回淤，深槽的橫向調(diào)整有明顯的趨向性，如圖2(b)所示;③復(fù)合調(diào)整型，因其斷面變化復(fù)合了斷面上不同部位的沖淤調(diào)整，深槽的橫向調(diào)整沒有明顯的趨向性，該調(diào)整模式涵蓋了包括偏V型斷面在內(nèi)的多種斷面，其中部分?jǐn)嗝嬗贋_槽的現(xiàn)象較為明顯，如圖2(c)(d)所示。這三種調(diào)整模式在空間分布上有一定的差別，第一種模式主要出現(xiàn)在近壩砂卵石河段以及荊江中上段河寬較窄的河段，第二、三種模式主要出現(xiàn)在長江中下游的沙質(zhì)河段。
一般來說，寬深比(采用 B /H)作為定量刻畫河道斷面形態(tài)的指標(biāo)，是河相關(guān)系的重要組成部分。但是，對長江中下游河道而言，近年來因岸灘的守護(hù)控制日趨完備，河道側(cè)蝕已受到了明顯限制，洪水位河道寬度的變化是較為有限的。因此，隨著河道的沖刷，平均水深增加，寬深比也就隨之減小，可見對于展寬受限的受控型河道，寬深比實(shí)際上已退化為平均水深的變化指標(biāo)。尤其是第二、三類調(diào)整模式，斷面橫向調(diào)整逐漸局限于平灘水位以下的形態(tài)調(diào)整，很難應(yīng)用寬深比定量反映斷面幾何特征的變化。
2.2 斷面形心深度分析法 為克服寬深比指標(biāo)在刻畫受控型河道斷面形態(tài)變化上所存在的不足，準(zhǔn)確反映新水沙條件下長江中下游受控型河道的斷面變化特點(diǎn)，本文提出以斷面形心深度Hc與平均深度 H 的比值 Hc /H(稱之為形心相對深度)來刻畫斷面形態(tài)的變化：Hc /H 增大，說明形心深度相對加大，形心下沉;Hc /H減小，說明形心深度相對減小，形心上浮。這一指標(biāo)的優(yōu)勢在于，因形心體現(xiàn)了面積矩的作用，所以形心深度的變化能在一定程度上反映斷面沖淤的空間分布，深槽的沖、淤對應(yīng)了相對比值的增大、減小;相應(yīng)的，低矮灘地和淺水區(qū)的沖、淤則對應(yīng)了相對比值的減小、增大。
2.3 典型河段斷面形態(tài)變化分析
2.3.1 太平口水道 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，如圖4所示，太平口水道不同區(qū)段形心相對深度指標(biāo) Hc /H的變化有不同的特點(diǎn)，結(jié)合表1中的寬深比變化情況，可以較為清晰地勾畫斷面形態(tài)的變化特點(diǎn)：第①段Hc /H值相對穩(wěn)定，但寬深比持續(xù)減小，即斷面變化基本呈現(xiàn)為整體下切;第②、③、④ 段Hc /H值均先增大，再減小，形心先下沉、再上浮，即斷面形態(tài)先銳化、再坦化，相應(yīng)的寬深比先增大，再減小，說明斷面變化先以淤灘沖槽為主，而后又以沖灘為主;第⑤、⑥段的Hc /H值在三峽水庫蓄水運(yùn)用之初明顯減小，形心上浮，隨后Hc /H值逐漸增大，形心下沉，即斷面形態(tài)先坦化、再銳化，相應(yīng)的寬深比持續(xù)減小，說明斷面變化先以沖灘為主，而后以淤灘沖槽為主。
相關(guān)期刊推薦：《中國三峽建設(shè)》是由中國長江三峽工程開發(fā)總公司主辦，張立先主編，屬于雙月刊物。全方位報道三峽工程建設(shè)進(jìn)展和重要科技成果，系統(tǒng)推介中國七大江河流域文明和水電建設(shè)成就，評介國際水資源開發(fā)和水利水電工程的成敗得失。
上述指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析較好地定量刻畫了太平口水道演變過程，第①段位于太平口水道進(jìn)口，緊鄰砂卵石河段，且河寬不大，基本表現(xiàn)為斷面整體不均勻下切，為前文所述的第一類調(diào)整模式。第 ②、③、④段位于太平口心灘分汊段，該段先是心灘淤積，心灘兩側(cè)的南、北槽沖刷下切，斷面變化呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式(第三類)，與斷面形態(tài)指標(biāo)所反映的沖槽淤灘的銳化過程相對應(yīng);隨后心灘沖刷萎縮，南、北槽趨于穩(wěn)定，此時斷面變化主要表現(xiàn)為整體不均勻下切，偏向?yàn)榈谝活愓{(diào)整模式，與沖灘為主的坦化過程相對應(yīng)。第⑤、⑥段位于三八灘分汊段，該段先是以三八灘大幅沖刷萎縮，南汊深泓北移為主要演變特征，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為平移調(diào)整模式(第二類)，與沖灘淤槽的坦化過程對應(yīng);該段在三八灘相對穩(wěn)定后，南槽大幅沖深，而楊林磯邊灘與臘林洲灘尾大幅淤漲，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式(第三類)，與沖槽淤灘的銳化過程對應(yīng)。
2.3.2 界牌河段 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，由圖5可見，界牌河段Hc /H值變化的規(guī)律性要好于太平口水道，基本上所有區(qū)段均表現(xiàn)為增加，形心整體下沉，斷面形態(tài)持續(xù)銳化;而界牌河段寬深比的變化幅度相對較小，部分區(qū)段寬深比減小，反映出斷面有所沖刷，如表2所示，兩者結(jié)合來看，界牌河段斷面形態(tài)變化總體上呈現(xiàn)淤灘沖槽的特點(diǎn)。
近年來，界牌河段螺山以上的右邊灘、螺山至界牌段的心灘、界牌以下的左邊灘持續(xù)淤積長高，深槽相應(yīng)有所沖深，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式(第三類)，對應(yīng)了斷面形態(tài)指標(biāo)所反映的沖槽淤灘的銳化過程。
從太平口水道、界牌河段的斷面形態(tài)統(tǒng)計(jì)分析可見，結(jié)合寬深比的變化，形心相對深度指標(biāo)Hc /H 在反映斷面沖淤垂向分布方面有較好的性能。就典型河段內(nèi)所包含的三種斷面形態(tài)調(diào)整模式而言，整體下切模式可能因沖灘為主而出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化，也可能灘槽均沖使得形心相對深度基本不變;平移調(diào)整模式可能因劇烈沖灘引發(fā)深槽回淤，出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化;復(fù)合調(diào)整模式的斷面形態(tài)變化值得關(guān)注，兩個典型河段均出現(xiàn)了這一調(diào)整模式，且斷面形態(tài)均呈現(xiàn)出銳化特征，即傾向于沖深淤淺，甚至出現(xiàn)了淤灘造灘的現(xiàn)象。通過上述歸類以及相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，有助于結(jié)合水沙條件變化分析理解斷面形態(tài)調(diào)整機(jī)理。
3 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來新水沙條件造床作用變化分析
3.1 來沙條件變化分析 三峽水庫運(yùn)行后截?cái)嗔松嫌蔚慕^大部分來沙，壩下游河道水沙條件最根本的變化是來沙量的大幅減少(圖6)，宜昌、沙市、漢口和大通4站近10年(2006—2015年)平均輸沙量較多年平均分別偏少94 %、88 %、73 %和67 %。由于壩下游水流挾帶的泥沙主要來自于河床床面的沖刷，壩下游各河段的來沙條件隨大壩距離遠(yuǎn)近的不同而不同，且會隨時間發(fā)生調(diào)整。因此，來沙條件的造床作用在不同河段、不同時段也是不同的，由圖6可見，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，壩下游沿程各站懸沙輸移量自上而下逐漸增加，同時均隨時間逐漸減小。
從河床演變的角度來看，來沙條件的變化主要關(guān)注粒徑較粗，能夠有效參與造床的造床質(zhì)。圖7 顯示，三峽水庫蓄水運(yùn)用以后，沿程各站0.031 mm0.125 mm 粒徑組的泥沙恢復(fù)程度總體較高，蓄水之初，監(jiān)利和漢口兩站基本恢復(fù)至蓄水前的平均水平，且沿程自上而下各站輸移量并非單向增加，而是有增減起伏，說明該組泥沙因沿程補(bǔ)給沙源充足，且粒徑偏粗，對水流條件較為敏感，發(fā)生在河床床面的沖淤交換較為劇烈。
