三峡工程运用初期荆江河段调关弯道冲淤演变试验研究

唐 峰，李发政，姚仕明，朱勇辉

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

三峡工程运用初期荆江河段调关弯道冲淤演变试验研究

唐 峰，李发政，姚仕明，朱勇辉

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

三峡水库修建后，由于水库调蓄作用，进入坝下游荆江河道的水沙过程发生了显著变化。荆江河道产生较明显的冲刷，已引起局部河段的河势调整，将在相当长时期内对两岸堤防、已建护岸工程和河道整治工程及河道的稳定产生不同程度影响，进而影响该地区的防洪、航运、生态与环境，以及河流的综合服务功能的正常发挥。采用长江防洪实体动床模型试验，研究了三峡工程运用初期不同时期荆江重点险工段调关弯道的冲淤变化过程，并在此基础上预测河势调整趋势。研究成果可为该段河道的治理和河势控制工程规划、设计等提供技术参考。

长江防洪实体模型；三峡工程；调关弯道；冲淤变化

1 概 述

三峡工程已于2003年6月开始蓄水至135 m，2006年9月蓄水至156 m，2010年10月26日水库水位抬高至正常蓄水位175 m，实现防洪、发电、航运等综合目标。三峡水库修建后，由于水库调节作用，上游进入水库的泥沙将大量淤积在库内，改变了坝下游的水沙条件与过程，下泄水流含沙量明显减少，水流挟沙能力处于严重次饱和状态，造成对坝下游河道长时间长距离的严重冲刷，从而引起坝下游水沙关系、江湖关系等发生变化，使坝下游面临一系列新的问题。

三峡工程蓄水运用以来，由于荆江河道的冲刷与局部河段河势的调整变化，荆江河段频频出现崩岸险情和新的险工段，直接威胁到堤防安全，对河岸与河势的稳定极为不利；部分已护工程也因河床的剧烈冲刷而频频出险，同时也威胁到涉水建筑物的正常运用以及航运安全。其中，荆江河段受三峡工程蓄水运用的影响时间早、程度大，调关弯道历年来一直是荆江河段的重点险工段，历史上曾频频发生重大险情，因此，开展三峡工程运用后荆江河段调关弯道河道冲淤演变研究是十分必要的。

2 河道概况

荆江河段调关弯道上起寡妇夹，下迄八十丈，全长约23 km（见图1），属于典型的蜿蜒型河道，与下游紧邻的中洲子弯道一起由3个连续反向弯道组成，河道蜿蜒曲折，深泓线横向摆动较大，撇弯切滩频繁。二十世纪60年代末至70年代初，调关弯道上段经历了沙滩子自然裁弯，下段经历了中洲子人工裁弯，河势发生剧烈调整。由于近几十年来下荆江实施了大量的护岸工程与河势控制工程，河道摆动幅度明显减小，岸线稳定性明显增强，现已成为限制性的蜿蜒型河道。

图1 调关弯道河势图Fig.1 The river regime of Tiaoguan bend reach

调关弯道段河床组成为中细沙，卵石层在床面以下埋藏较深，河段右岸组成主要为二元结构；左岸为冲积平原，河岸由下部沙层与上部黏性土层组成，抗冲能力差。自然条件下弯道凹岸崩塌、凸岸淤长是调关弯道变化的主要特征。

3 三峡蓄水运用后调关弯道水沙条件变化

调关弯道径流和泥沙主要来自宜昌以上长江干、支流，同时受荆江三口分流分沙变化的影响。

沙市和监利水文站实测资料统计分析表明：三峡工程蓄水运用后2003－2009年较2002年前年均径流量变化较小，其中沙市站减少5%，监利站增加1%。但年均输沙量却减少很多，两站分别减少81%和74%（表1）。由于2003－2009年上游水流处于不饱和状态，其携带泥沙的能力较2002年前平均情况要大很多，必将引起河床沿程冲刷直至达到饱和状态。

表1 沙市站和监利站不同时段年均径流量与输沙量Tab le 1 The annual runoff and sediment load at Shashi Station and Jianli Station

4 模型及试验条件

4.1 实体模型

长江防洪实体模型模拟范围为长江干流枝城至螺山，并且包括其间的主要支流、洞庭湖区及分蓄洪区等，其中干流河道长约380 km。模型设计平面比尺αL＝400，垂直比尺αH＝100，模型变率e＝4。其水流运动相似比尺：流速比尺αV＝10，糙率比尺αn＝1.08，流量比尺αQ＝400 000，时间比尺αt＝40。

动床模型模拟范围上起金鱼沟弯道入口处（荆110），下迄盐船套附近（荆170），全长约78 km，模型长约195 m。模型沙采用长江科学院研制的新塑料合成沙，质量密度设计为1.38 t／m3，模型按照2008年10月实测地形制作。

4.2 试验条件

采用1991－2000年系列年进库水沙条件和三峡水库泥沙淤积后出库水沙过程进行坝下游长河段长时段一维水沙数学模型计算，其计算成果为本模型试验提供了边界条件。根据数学模型计算成果，对试验河段沿程水位、进口流量与输沙量等水沙条件进行了不同时段步长的概化，模型模拟进口的输沙取大于0.05 mm粒径的泥沙。

5 模型试验冲淤演变分析

5.1 深泓及近岸冲刷坑变化

模型试验结果表明（见图2）：三峡工程蓄水运用至2022年，调关弯道深泓高程变化总体表现为沿程继续冲刷下切，各河段深泓平面变化主要表现为深泓贴岸，特别是弯道段贴岸距离下延、弯道的迎流顶冲点下移以及深泓过渡段位置下移，在弯道的进口段凸岸边滩有所冲刷，冲刷坑范围有所扩大。2022年末近岸局部冲刷坑变化情况如下。

金鱼沟弯道近岸深槽继续冲刷拓宽，其中0 m深槽（CS938附近）冲刷拓宽并向上游发展，冲刷坑范围增大到0.38 km2左右，深槽最大冲深约1.3 m；调关附近0 m深槽（荆122附近）冲刷拓宽并向下游发展，其0 m深槽最大展宽约25 m，冲刷坑范围增大到0.39 km2左右，弯道深槽最大冲深约9.2 m。

图2三峡工程运用初期（2008－2022年）北碾子湾至盐船套河段0m冲刷坑平面变化图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 河势变化

三峡工程运用至第10年、第15年及第20年后，调关弯道段河势基本上仍维持现有格局，即主流由右岸寡妇夹过渡至金鱼沟弯道凹岸深槽后贴左岸下行，出金鱼沟弯道后向右岸连心垸过渡进入调关弯道，沿主流贴岸段下行。与初始地形（2008年10月）比较，该河段河床冲淤变化特征表现为河床整体下切趋势明显，深槽沿程冲刷拓宽，2017年以前受弯道进口段凸岸边滩冲刷加剧的影响，进口过渡段主流下挫，弯道顶冲点下移，深泓逐渐向凸岸摆动，弯道上游虽继续维持左右双槽形态，但凹岸深槽逐渐淤积萎缩，靠近凸岸一侧深槽进一步冲刷、展宽而逐渐发展为主槽。根据下荆江北碾子湾至盐船套段模型试验成果分析可知，2017年以前调关弯道段有发生“撇弯切滩”的趋势，但2012年后趋势有所减缓，三峡工程运行至2022年末，主流不再冲刷凸岸边滩而改为冲刷凹岸上游淤积的河床，主流顶冲点略有上提（见图3）。

图3 三峡工程运用至2012年末调关弯道段河势变化图Fig.3 The river regim e of Tiaoguan bend reach from the operation of TGP to the end of 2012

6 结 论

通过分析荆江调关弯道段近期河道演变规律，并结合长系列水文条件下该河段动床模型试验研究成果，对该河段的河势变化趋势进行预估，主要得出以下几点认识：

（1）荆江调关弯道段自然条件下为典型的蜿蜒型河道，易发生自然裁弯，河道摆动幅度大。20世纪60年代末至70年代初，该河段经历了沙滩子自然裁弯和中洲子人工裁弯，河势发生了剧烈调整，裁弯后又不断实施了河势控制工程和大量的护岸工程，河道摆动幅度明显减小，岸线稳定性明显增强。三峡工程运用初期，本河段总体河势不会发生大的变化，但河床随三峡工程运行年限延长呈沿程逐步整体冲刷下切的趋势，深槽刷深拓展明显，过渡段主流下挫，弯道顶冲点下移，主流贴岸距离下延，过渡段间主流平面摆动将比较大，局部河势仍将有所调整。

（2）三峡工程蓄水运用以来，下泄水流含沙量明显减少，水流挟沙能力处于严重次饱和状态，造成对坝下游河道长时间长距离的严重冲刷，荆江河道原有的冲淤平衡势必将被打破。河道为了适应这种变化会进行自我调节，其表现形式为冲深展宽以弥补水流挟沙能力的不足，在一些典型的弯道段，凹岸深槽多年来已处于较稳定状态，只有凸岸边滩冲刷才能满足不饱和水流的要求，以上河势变化能够从三峡蓄水以来近几年的河道地形资料分析以及近几年现场实地查勘中得到验证。

三峡工程运用初期，调关弯道段主流仍将贴弯道凹岸下行，近岸深槽继续冲刷拓宽，受弯道进口段凸岸边滩冲刷加剧的影响，进口过渡段主流下挫，弯道顶冲点下移，深泓逐渐向凸岸摆动，弯道上游虽继续维持左右双槽形态，但凹岸深槽逐渐淤积萎缩，靠近凸岸一侧深槽进一步冲刷、展宽而逐渐发展为主槽。根据下荆江北碾子湾至盐船套段模型试验成果分析可知，三峡工程蓄水运行至2012年时3个弯道段有发生“撇弯切滩”的趋势，运行至2017年时趋势有所减缓，运行至2022年末，主流不再冲刷凸岸边滩而改为冲刷凹岸上游淤积的河床，主流顶冲点略有上提。

［1］ 余文畴，卢金友.长江河道演变与整治［M］.北京：中国水利水电出版社，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］ 长江水利委员会长江科学院.长江防洪模型利用世界银行贷款项目实体模型选沙报告［R］.武汉：长江科学院，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］ 孙贵洲，李发政.三峡工程运用后初期上荆江重点河段冲淤变化试验研究［R］.武汉：长江科学院，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） ）

（编辑：刘运飞）

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，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事河流泥沙与河道整治研究，（电话）027 84238177转806（电子信箱）helaozi＿001＠163.com。