老木孔库区河段动床物理模型试验研究

倪志辉,易 静,张绪进,杜宗伟 ,王云莉

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2. 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

0 引 言

由于我国有许多河流是含沙量高、输沙量大的多泥沙河流，库区的泥沙淤积问题异常严重且相当普遍，河工动床模型试验成为解决江河治理及大型水利工程泥沙问题的主要手段，并大有日益受到重视的势头[1-2]。国内在河工动床模型试验方面的研究起步较晚，但近年来众多学者对此展开了大量研究并获得了宝贵经验。唐峰，等[3]采用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河段的冲淤变化过程；余明辉，等[4]通过建立动床实体模型，从三维空间角度详细研究了取、排水河段水流泥沙运动及河道冲淤演变趋势、取水口附近底沙运动情况等问题；陈孟荣，等[5]采用动床物理模型试验，对黄金埠电厂补给水取水口局部区域的水流、泥沙运动及地形冲淤规律进行了研究；张胜利，等[6]通过动床物理模型试验，探讨了引滦入津工程中黎河输水运用后河道演变规律、河道抵御洪水能力以及河道治理措施等内容。此外，还有其他学者通过动床物理模型试验研究河床冲淤规律、泥沙淤积[7-10]。

老木孔航电枢纽工程是岷江乐山—宜宾段航电梯级开发方案中的第一级。枢纽成库后，库区河床边界条件显著改变，另外岷江、大渡河若干大型水库相继建成运行，进入老木孔库区的水沙条件也相应变化。由于大坝的壅水作用，库区流速减缓，上游来沙在库区淤积是必然的，其淤积速度、淤积分布、淤积量与库区航道水流条件、河道行洪能力、大桥防冲及建港环境等关系极为密切，对工程的成败有重大影响，因此需要通过动床试验研究库区泥沙淤积及其影响问题。

1 河段的水沙特性

岷江是长江上游的一级支流，干流全长735 km，流域面积135 811 km2。岷江流域为降水补给河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨最早出现在4 月，主要集中在6—9月，其中特大暴雨主要出现在6月下旬—8月中旬，洪水陡涨陡落。据五通桥站实测洪水资料统计，多年平均流量2 510 m3/s。年最大洪峰流量发生在6—9月，其中7—8月份最多，占全年的90.6%，6、9月出现的频次大致相当。年最大洪峰最早出现在6月27日(1987年，洪峰流量16 900 m3/s)，最晚出现在9月5日(1982年，洪峰流量22 300 m3/s)，历年实测年最大洪峰流量的最大值为35 300 m3/s(1955年7月14日)，最小值为9 640 m3/s(1969年8月11日)。

根据五通桥水文站实测及插补延长后的1953—2005年悬移质泥沙资料统计，并考虑大渡河下游的龚嘴及铜街子水电站的水库拦沙作用后，五通桥水文站多年平均悬移质年输沙量为5 240万t。根据干支流的入库悬移质年输沙量统计，老木孔航电枢纽工程干支流的悬移质年输沙量之和为5 722万t。

老木孔航电工程的入库推移质泥沙将主要来自大渡河的支流青衣江流域。岷江上游干、支流无推移质输沙率实测资料，老木孔航电工程推移质输沙量采用推移质输沙率公式计算。采用五通桥水文站河段水力要素，用分组输沙率公式计算流量与推移质输沙率关系，推算岷江下游老木孔河段多年平均推移质年输沙量为27万t。

老木孔航电工程坝址位于乐山市五通桥区，岷江与大渡河汇口下游约12.3 km处的岷江干流河段。乐山至宜宾段，天然落差97 m，河道平均比降0.59‰，水面宽400 ～1 000 m左右。沿河两岸分布有较宽的台地及漫滩，河谷呈箱形，两岸为低山起伏的丘陵地形。库区河段洲滩发育、汊浩纵横、河床宽浅、水流分散、流态紊乱，工程所在河段水沙运动十分复杂。本模型试验河段范围是岷江干流府河大桥—老木孔河段(长约14 km)，包括支流大渡河大件码头～汇流河口(长约3 km)，总长约17 km，如图1。

图1 模型布置Fig.1 Model layout

2 模型设计与相似性验证

2.1 模型设计

模型设计除确保水流条件相似外，还须确保泥沙运动、河床冲淤的相似。

合适的模型沙是确保模型冲淤相似的重要条件。模型采用平面比尺λL=200和垂直比尺λh=100，并采用比重γs=1.33 t/m3的荣昌精煤作为模型沙，各相似比尺要求均能得到较好的满足，详见表1。

表1模型比尺汇总
Table.1Summaryofsimilarityscalesformodel

(续表1)

2.2 模型验证

2.2.1 水面线验证

河床糙率相似是实现河道水面线相似的重要条件之一，为满足模型相似的要求，保证模型与原型阻力相似，须进行水面线验证试验。为此，采用实测的三级流量(Q=14 030，8 500，574 m3/s)的瞬时水面线资料进行验证。经实测资料计算分析，原型河床糙率为0.026～0.043，相对应的模型河床糙率为0.017～0.028。同时模型采用小卵石梅花型加糙方式来满足河床阻力相似要求。试验结果表明：模型水位与原型水位相近，误差多在±0.1 m以内，达到了水面线相似的要求。由于瞬时水面线实际观测时间不一致，故此处只选取部分河段洪、中、枯三级流量同一时刻瞬时水面线验证情况，如图2。

图2 水面线验证Fig.2 Verification of water surface profile

2.2.2 流速流向验证

根据四川省交通厅交通勘察设计研究院2010-8-22T14：00在库区河段实测岷江流量8 500 m3/s(其中，岷江流量为Q=5 000 m3/s，大渡河流量为3 500 m3/s)时的流速流向资料，在模型上同样位置投放浮标，并观察浮标的运动轨迹，通过与原型比较，模型与原型浮标的运动轨迹相近，运动方向吻合，表明模型表水流流向与原型基本一致。

2.2.3 河床冲淤验证

在前述水流条件相似的前提下，还须通过动床验证试验，检验模型河床的冲淤数量、冲淤部位及冲淤过程的相似性。根据大渡河、岷江的水沙情况，并结合沙、卵石推移质运动特点对验证时段的水沙过程分别进行概化，其中大渡河划分为26个时段；岷江划分为22个时段。

模型试验模拟了老江坝左汊验证河段2008-8—2009-12两次实测河道地形冲淤变化情况，试验结果表明：模型与原型冲刷量和淤积量的相对误差分别为14.8%和9.6%，模型冲淤部位、断面形态和高程与原型实测基本相似。因此符合相关规程的要求，验证河段冲淤量对照情况如表2。

表2 验证河段冲淤量对照

综上所述，模型的水面线、流速流向、流速分布及河床冲淤变化等均与原型基本相似，本模型较好的复演了老木孔河段的水沙运动与河床演变情况，可以用来预测老木孔枢纽库区泥沙淤积情况。

3 试验方案

笔者采用1 500 m堤距保留老江坝方案进行泥沙淤积动床试验，该方案两岸防洪堤均起于库尾附近，至下游与老木孔枢纽闸坝岸坡段以及船闸上引航道右边墙衔接。堤线总长17.73 km，两岸防洪堤间距为1 500 m，保留老江坝。为不影响库区行洪能力，在老江坝河段适当加大河底开挖深度，其堤线布置、线形及河底疏浚高程具体布置见图3。根据国家防洪规范规定，老木孔枢纽库区两岸防护堤，防洪标准按20 a一遇洪水设计，设计流量Q=35 600 m3/s。

图3 方案布置Fig.3 Layout of program

4 试验成果及分析

4.1 库区泥沙冲淤量分析

老木孔枢纽建成运行后，库区河段水位升高，流速减小，比降趋缓，水流输沙能力降低，泥沙发生累积性淤积。库区泥沙淤积量变化见表3。老木孔枢纽库区左右两岸防护堤防洪标准按20 a一遇洪水设计，因此库区泥沙淤积试验只分析20 a内的淤积情况。

表3库区泥沙淤积量变化

Table3Siltationamountchangeatthereservoirarea

由表3可见，水库运用10 a和20 a全库区泥沙累计淤积量分别为750×104和1 233×104m3。后15 a平均年淤沙量为48.2×104m3，其年均淤积量仅为前5 a平均淤积量的47.2%。试验过程中，全程监测了出库沙量的变化情况，至水库运用20 a时，出库沙量为入库沙量的78%左右。表明库区河床冲淤尚未处于平衡状态。老木孔水库运用20 a，库区河段累计淤沙量1 233×104m3，泥沙淤积主要分布在老江坝以下河段(常年回水区)，而老江坝以上河段(变动回水区)淤积不多。

相对而言老木孔库区泥沙淤积量不大，分析其原因在于：①岷江上游干、支流建库拦截了大量泥沙，使老木孔库区的入库悬沙总量大量减少，且粒径变细，推移质泥沙主要来源于青衣江，数量较少；②左右两岸防洪堤缩窄了库区河道的宽度，使库区水流仍能保持一定的流速，从而具有一定的输沙能力，使泥沙不易落淤；③流量大于10 000 m3/s时，水库处于敞泄冲沙状态，库区流速、比降较大，部分淤沙被冲走，尤其是主槽冲沙效果显著，使其基本保持微淤状态。

4.2 库区泥沙淤积分布分析

成库后库区河道普遍淤积，但淤积分布极不均衡。限于篇幅，列举了CS50和CS65断面冲淤变化情况，如图4。

图4 库区断面冲淤变化Fig.4 Variance of cross-section erosion at the area of reservoir

淤沙主要集中在边滩开挖区、岸边缓流带、回流区、弯道凸岸及河面放宽处等。而河道主槽淤积却较少。重点淤积部位在老江坝尾至坝址河段左右两岸边滩开挖区和涌斯江口附近(包括疏浚后的江心滩)。右岸边滩淤积厚度普遍达到2 m以上，对老江坝码头一期工程、船闸上引航道及乐山港规划岸线的利用带来了不利影响。涌斯江口附近淤积厚度也达到3 m左右，增大了生态电站的维护清淤量。其次，弯道凸岸(杜家场)及岷江河口段等(缓流区)处也有一定淤积。

针对老木孔库区泥沙淤积分布不均，分析其原因在于：与水库运行方式、库区河床形态及流场分布等密切相关。两岸防洪堤修建后，库区河道规顺，边滩降低(因开挖)，中、小流量时河床普遍淤积，但当入库流量大于10 000 m3/s电站停机敞泄冲沙时，由于滩、槽高差较大(达5 m左右)，水流大部分集中到主河槽内，造成主槽流速加大，边滩流速减小的态势。结果是主槽淤沙大部分被带走，而边滩淤沙几乎未动，即主槽河床呈现冲淤交替的微淤状态，而边滩则成累积性淤积的态势。

表4重点部位泥沙淤积情况

Table4Siltationconditioninkeyparts

4.3 泥沙淤积对乐山大佛、乐山城的影响

根据国家防洪规范规定，乐山城的城市防洪标准为50 a一遇，设计洪水流量Q=43 200 m3/s(P=2%)。模型实测了岷江遭遇各级频率洪水时库区左岸的沿程水面线，限于篇幅，仅列举了2级流量库区河段水面线，见图5。

图5 建库前后库区河段水面线 Fig.5 Water surface profile of reservoir area before and after the reservoir construction

据物理模型试验成果分析，水库运行20 a末，在乐山大佛处，当岷江遭遇20 a一遇洪水时，淤积后的洪水位为363.86 m，较同频率下的天然水位低0.03 m；当岷江遭遇50 a一遇洪水时淤积后的洪水位为364.84 m，较同频率下的天然水位低0.01 m；当岷江遭遇100 a一遇洪水时淤积后的洪水位为365.76 m，与同频率下的天然水位齐平。在乐山城(肖公咀)，当岷江遭遇20 a一遇洪水时，淤积后的洪水位为364.66 m，较同频率下的天然水位低0.02 m；当岷江遭遇50 a一遇洪水时，乐山城(肖公嘴)水位为365.83 m，与该处天然水位一致；当岷江遭遇100 a一遇洪水时淤积后的洪水位与同频率下的天然水位一致。

由分析可知，老木孔枢纽按拟定的水库调度方式运行20 a，库区泥沙淤积后各级频率洪水的洪水位仍未超过建库前同频率下的天然洪水位，表明库区泥沙淤积对乐山大佛及乐山城区的影响不大。

5 结 论

1)通过建立老木孔枢纽库区河段泥沙冲淤模型，利用实测资料分别从水位、流速变化和泥沙淤积分布等方面，验证了模型的相似性符合要求，可以用来预估库区河道范围内相应变化情况。

2)枢纽建成运行后，库区河段水位有所升高，流速有所减少，比降将逐渐趋于平缓，水流输沙能力也会随之降低，泥沙沿河道发生累积性淤积，但淤积分布不均匀。泥沙淤积主要集中在岸边缓流带、河道边滩开挖区、回流区、弯道凸岸、河面放宽处等，而主槽河床呈现冲淤交替的微淤状态，而边滩则成累积性淤积的态势。

3)老木孔枢纽按拟定的水库调度方式运行20 a，库区泥沙淤积后各级频率洪水的洪水位仍未超过建库前同频率下的天然洪水位，表明库区泥沙淤积对乐山大佛及乐山城区的影响不大。

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