关于泥沙模型试验的可信性和溃坝洪水问题

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一、前言 规划中的三峡工程位于长江干流宜昌市上游44公里处的三斗坪（图略）。在可行性研究阶段中考虑的开发方案将坝顶布置在185米高程，相应的最大坝高为175米。各开发方案均采用三种特征库水位，即（1）汛期限制水位，在每年约6月开始的汛期，将水库水位消落至这一高程；（2）正常蓄水位，也就是通常在10月枯季开始时的水库蓄水位；和（3）枯季控制水位，即在下一次汛期到来之前，为了满足发电和坝上、下游航深的要求而将水库消落至此水位。一些主要测站的多年平均输沙量和迳流量见下： 输沙量的主要组成部分为悬移质，其多年平均中值粒径，在宜昌断面为0.033毫米。在悬沙的年输沙量中，粒径小于0.1毫米的占88％。推移质在总输沙量中仅占很小部分。现将寸滩和宜昌两站的年推移质输沙量如下： 宜昌站的多年平均流量为14300立方米/秒。长江的洪水可以达到很大的数值。例如，根据各处洪水痕迹推算结果，1870年的洪水，在宜昌断面处的流量达到令人吃惊的105000立方米/秒。寸滩断面各种频率的洪水如下： 二、水库的长期使用 三峡大坝坝体内布置有许多中孔和底孔，因此，在库水位低于溢洪道堰顶高程150米时，大坝仍具有巨大的泄水能力。对于175—145—155方案，当库水位低于150米时，不同水位情况下的泄水能力如下： 由于库水位较低时大坝已有较大的泄水能力，而且长江的迳流丰沛，因此水库可以采用我国总结为“蓄清排浑”的运用方式。汛期，即6—9月，川江的输沙量为年输沙量的88—90％，迳流量为年迳流的61％。采用“蓄清排浑”运用方式时，要求在汛期将水库水位消落至防洪限制水位，以便下泄大流量，为排沙创造有条件。下泄的流量以不影响下游堤防的安全为限。当入库洪水流量超过此值并要求水库蓄洪时，下泄流量将按预定调度方案控制，以尽量减少下游地区的洪灾损失。洪峰过后，水库将再次消落至防洪限制水位。在大多数年份里，如能使水库水位在汛期的大部分时间中消落至防洪限制水位，则可使淤积上限位于以防洪限制水位为起点的回水曲线以下（图略）。枯季河流挟沙量很小，但水量却占年迳流量的39％，通过宜昌断面的迳流为1710亿立方米。此时，水库将蓄水，以备发电和航运之用。水库蓄至正常蓄水位所需要的水量随所采用的方案而异，但一般不超过220亿立方米，仅占枯季迳流量的很小一部分。由于宜昌断面的最小流量约为2770立方米/秒，变动回水区上游末端的单宽流量估计为5—6立方米/秒，因此，这时长江仍有很大的输沙能力，在枯季回水变动区内，预计不会有大量泥沙淤积。最终在库区以防洪限制水位为起点的回水曲线下方（图略）将形成一个新的冲积河槽。由于有效库容位于上述回水曲线之上，即新冲积河槽的水面之上，因此，水库的该部分库容可以长期保留。原有调节库容可保留多少，除其它因素外，还取决于水库的形态。三峡水库在平面上呈带状（图略）。700公里的水库，宽度相当均匀，大部分都小于1000米。只有大约1/7的库段，即从石宝寨至丰都，或从338公里至432公里段，当水库蓄水位至正常蓄水位175米时，库面宽度为1000—1700米。按三峡水库水文条件估计，平衡河槽宽度约为1300米，因此，在三峡水库库区内，沿主河槽不会形成大的河漫滩。所以，防洪库容和枯季调节库容大部分均可长期保留。 曾对三峡水库淤积问题采用一维数学模型就下列调度方案进行了数值计算： （1）在本方案中，水库下泄流量与三峡坝址至沙市的区间入流量叠加下泄时，要求沙市水位不超过45.0米。这一下泄限制流量约为56700立方米/秒。只要满足了这一要求，水库水位便保持在防洪限制水位。如果入库流量较大，且在不提高库水位的条件下，不能将水库的下泄流量限制在上述数值以下，水库便须蓄水。因大洪水的多年平均年持续期较短，蓄洪时间也较短。（参阅下表）： 上述均值系依据1877至1980年的纪录计算。从以上所述可以看出，在本调度方案中，即使出现1954年型洪水，水库的年蓄水期也只约17天。 （2）水库仍按第一种方案调度，所不同的是在维持沙市水位不超过45.0米的同时，维持洞庭湖出口处成陵矶站的水位不超过34.4米。 （3）本方案为水库运用中的极端情况，但不一定具有实用意义。在可行性研究中考虑这一方案是为了预测可能发生的最不利的泥沙淤积情况。根据这一方案，在出现1954年型洪水时，水库按方案（2）中的标准运用，但水库蓄洪后，高水位不再降低而一直维持到旱季，然后根据下一年的发电和航运需要控制消落。“长办”和水科院均曾进行过计算。第三方案的计算特点是，在水文系列中作为边界条件包括了1954年的流量资料和随后的1955年流量资料。1954年寸滩站的年迳流量为4475亿立方米，为1952至1985年间的最大值。由于1954年洪水的重现期大约为40年，因此，1954年的流量资料在上述水文系列中按106年内出现三次考虑。组成边界条件的时间序列由下列年序的流量纪录组成： 在第三个方案的计算中，除1954年洪水外，其余各年的洪水均按与第一方案相同的方法处理。按175—145—155年方案运用106年以后水库的淤积量计算值见下表。 从表列计算成果可以作出以下分析： （1）各种调度方案对水库的泥沙淤积总量没有什么影响。虽然在第三方案中淤积总略大于第一和第二方案，但从上表可以看出，到第85年，三者之间的最大差值仅为第一方案总淤积量157.3亿立方米的2.5％。这一差值，不仅小于泥沙计算中可能出现的误差，而且呈现随时间逐渐减小的趋势。在第106年，相应的差值减至1.3％。从而可以得出这样的结论，三种水库运用方案的库区泥沙淤积量可以看作是相同的。 （2）比较相应于下列各组年份的数字也会发现，即使在按假定出现了1954年洪水以后的次年，泥沙淤积差别的减少趋势也是明显的： （第21、22年）；（第43、44年）；（第85、86年）。 （3）在任一水库调度方案中，在1954年型洪水发生后的次后，上游发生冲刷，下游发生淤积。例如，在第三方案中，水库运用第21年后，上、下游的淤积量分别为2.01和60.9亿立方米。而在第22年末，则分别为1.45和64.3亿立方米。 （4）随着时间的推移，各种不同运行方案所造成的淤积趋于相同。例如，在第32年，即在设想1954年型洪水出现后的第十年，相应于三种调度方案的上游淤积量分别为1.65，1.67和1.73亿立方米，其平均值为1.68亿立方米。最大值与均值之间的偏差仅为均值的2.6％，比泥沙淤积计算误差要小得多，因此，差别并不重要。第54年和第106年的泥沙淤积情况也与此类似，相应的偏差分别为2.4％和1.8％。 根据以上分析，可以得出结论，即无论采取上述三种调度方案中的哪一种，水库内的泥沙淤积总量及其分布基本上是相同的。即使在发生1954年型洪水时要求水库长时间蓄洪，结果也只是暂时改变库区内泥沙的淤积分布。对库区淤积的扰动在以后的运用过程中将被消除，因此，泥沙淤积在库区内实际最终将形成一个唯一的平均河床。这一平均河床代表库区泥沙淤积的上限。因此，位于这一平均河床以上的水库有效库容不受泥沙淤积的影响，从而可以长期保留。计算表明，原有的防洪库容的枯季控制库容，分别有85％和91.5％可以保留下来。有人笼统地坚持认为，由于泥沙淤积，每个水库都只有一定的使用年限，这是不正确的。应该将库水位消落至低水位后仍具有巨大泄流能力的坝与没有这样泄流能力的坝区别开来。 坝内底孔的巨大泄水能力为保留水库的有效库容提供了额外的安全余度。如果由于某些预想不到的原因，如气候的变异和误操作等，使库区发生了意外的严重淤积，便可考虑将坝前水位消落至130米，以增加水库的冲沙能力。在此水位下，通过大坝的泄水流量仍可达到45000立方米/秒以上。水库水位消落不仅可加大库区下段的水面坡降和流速，还可缩短回水曲线，从而使部分变动回水区的上段恢复到天然河道情况，比降和流速都将因之增加，对河床的冲刷能力也将相应加大。这意味着，沿整个库区都将发生冲刷，其中包括在库区下段可能出现的溯源冲刷。 通常在汛初或汛末冲刷强度最大，因为，此时入库流量一般为10000立方米/秒，而且挟带的泥沙很少。这种水流具有很大的冲刷能力。由此可以看出，当三峡水库消落至防洪限制水位或更低时，冲刷决不仅仅局限在靠近南前的区域，在水库上游末端肯定也将发生冲刷，认为水库消落冲刷仅对坝附近有效的成见可能来自泄水孔在低水位下泄水能力不大和河流迳流量不像长江这样大的水库。 三、重庆洪水位 确定重庆市洪水位是一个困难的问题。由于重庆朝天门港区距坝址大约602公里，因此，水力坡降计算中的任何微小误差都会对朝天门及其上游的水位产生较大的影响。库区回水曲线的计算受很多因素影响，其中糙率系数可能是最难于精确确定的。首先，无法确定那些原来在水面以上，而水库蓄水以后又被淹没的两岸具有什么糙率系数。三峡水库底部或为裸露的岩石，或为砾石所覆盖。随着泥沙的落淤，床面逐渐为细颗粒泥沙所覆盖，最终形成冲积河床。在向冲积河床过渡中，河床糙率变化规律很复杂，只能对它作出粗略的分析。在计算中假定了两种糙率过渡形式。“长办”采用线性过渡，水科院则采用曲线过渡，其结果“长办”采用的糙率在大多数情况里小于水科院的数值，其次，库区回水曲线也受库区淤积量及淤积分布影响，此二者不仅与糙率有关，而且与计算中选用作为边界条件的水流流量和泥沙输沙率有关。但是，边界条件的选定在很大程度上取决于经验。因此，应该明白计算求得的重庆洪水位是近似的，有一定的误差。如果最初10年按156—145—135方案运用，以后的90年按175—155—145方案运用，则“长办”的计算表明，当寸滩的1％洪峰流量为88700立方米/秒时，朝天门处的洪水位可能达到199米，估计误差为±1～3米。 在某些情况下，这一计算水位可能会被超过。例如，上面已指出，水科院在计算中假定糙率遵循曲线过渡从而采用了较高的糙率系数，因此，水科院给出的洪水位高于“长办”计算的结果。根据水科院的计算。在175—153—145方案中，在水库投入运用109年以后出现83400立方米/秒洪水时，朝天门的洪水位为199.1米，修建三峡工程以前，发生同样的洪水时，朝天门水位为192.7米。因此，由于库区泥沙长期淤积而导致的水位抬高值约为6.35米。因流量83400立方米/秒较1％洪水仅小约5％，可以设想，在长期运用以后，库区内的泥沙淤积将使1％洪水位也以相同数值抬高，因而可以根据水科院的计算估计朝天门处的1％洪水位为略低于201米。此值与199米之差在估计的偏差3米以内。另一方面，根据长办最近的计算，如糙率系数有±10％的误差则水库运用30年后，朝天门处1％洪水位的误差将分别为2.1米和2.8米。但两单位所采用的糙率系数差值小于10％，由此估计由于水科院在计算中采用了较高的糙率系数而引起的水位抬高当在上文所说的3米以内。最近在南京进行了涪陵到江津段800米长模型的试验。试验表明，在水库运用100年以后，朝天门处的1％洪水位为201米±0.5米。需要考虑的另一问题是寸滩到宜昌区间段的来沙影响。为了计入这一来沙的影响韩其为等假定在乌江和长江汇合处附近的武隆每年有2630万吨泥沙输入，然后对一些方案进行了为期120—123年的计算。根据计算结果估计，增加的泥沙输入最终将使整个水库水面上升大约不到0.9米，其中也包括朝天门水位。 当遇1％洪水时，据了解重庆不容许洪水位超过200米。然而，这一水位仅在水库投入运用大约100年以后，而又遇1％洪水时才会出现。这一机会是相当遥远的。而且，在这100年间，国民经济的发展将要求在三峡工程上游兴建许多水库。这些水库投入运用后会带来削减进入三峡水库洪峰流量的永久好处。单这一项已足以降低重庆市的洪水位。此外，随着长江干流和邻近干流的每一座水库投入运用，在一个相当长的时期内，进入三峡水库的沙量将会减少。这将打破三峡库区泥沙淤积原来的平衡，预期三峡水库将出现冲刷现象。计算也证实了这一点。库区内泥沙淤积的减少又将使三峡库区沿岸，包括重庆市沿岸的洪水位降低。上游水库的另一永久效益是各水库的调节库容可对枯季流量起调节作用。这可增加枯季三峡水库的入库最小流量。从而可将更多泥沙从变动回水区的上端冲往下游。因而在同一洪水流量下，可预期重庆的洪水位将降低。虽然，理论上，在上游水库的泥沙淤积达到平衡时，三峡水库的入库泥沙量最终将恢复到其原有数值，但是，削减三峡水库入库最大洪水流量的能力，以及提高枯季入库最小流量的能力都可长期保持。因此，随着上游各水库的建成，重庆的洪水位可以降低，而且其中的部分降低将是永久性的。 综上所述，根据分期开发方案，即前10年为156—135—145，以后，175—145—155，在水库投入运用100年以后，朝天门处的1％洪水位按199米±1至3米估计是合理的。如果在100年内，上游没有大水库建成，那么应对库区的泥沙冲淤和水位变化进行严密的监视和认真分析，必要时，应采取上节末尾中所指出的一些措施，以减少库区淤积，同时，三峡水库也应按较低的水位方案运用，以避免过高地抬高重庆的洪水位。 四、变动回水区泥沙淤积 在变动回水区泥沙淤积研究中，要论证两个主要问题，即（1）泥沙冲淤是否会形成一个允许万吨级船队通航的航道；（2）重庆港区码头周围是否能避免发生妨碍港区作业的泥沙淤积。 关于第一问题，模型试验研究表明，所有各方案都可基本上满足通航万吨船队对航道的最低要求，即水深3.5米、宽100米、曲率半径1000米。但在有些地点需要采用一些疏浚和整治措施，不过规模一般都较小。回水变动区下段河槽一般趋向于较顺直和较深。在这里不妨探讨一些具体的事例。例如，青岩子河段，有一较宽的弯道段。本段由江心洲（金川碛）分为左右两槽。在天然条件下，枯季时主流由金川碛右侧的凹岸深槽通过。汛期，流量增大后，原来影响流向的一些地形被淹没，加以大流量又由于具有较大的动量或惯性，流向趋于顺直，使主流轴线左移670米。于是在原来的右河汊便形成了一个缓慢的涡流区。在该区内粒径大于0.1毫米的悬沙大量淤积。在汛末，河流流量逐渐减少，更多的水流又被导向右叉，使该区发生急剧冲刷，沉积的泥沙，最后将被冲走，使右叉恢复为主河槽。因此，就全年而言，实际不存在累积性冲刷或淤积。当三峡水库按175—145—155方案运用时，在运用的最初几年里，在此弯道内的水位壅高不到2米，该段内的水流条件与天然河流无甚差别。然而，水库运用10年以后，库区内的泥沙淤积将使上述水位壅高超过4米。一旦发生这种情况，汛期右汊泥沙淤积进程将加速，而汛后被冲走的泥沙则将减少。于是，右叉将出现累积性淤积，最终将右叉堵塞。由于金川碛右右两河叉的高程相差不多，主航道较易从右侧转向左侧。但左侧新航道河床原为碛滩，河床有较多的石梁和礁石，水流紊乱，影响航道安全。因此，要么进行清障工程，要么修建导水工程，将水流导向其原来的主河槽。不过，这些工程的规模相对来讲都比较小。在长寿河段的忠水碛和木鱼碛也将出现航槽易位的情况。从原理说，航槽易位是汛期弯汊淤积增加和汛末（有时也在汛初）冲刷相互消长的结果。如果淤积超过冲刷，则最终将导致航槽易位。引起累积性淤积所需要的洪水位壅高值，与河流的局部条件有关，特别是与两汊河床高程差有关。在青岩子河段，上述水位壅高值为约4米。在青岩子和重庆之间的铜锣峡河段，则由于两个河汊床底高差很大（约11米），所以，即使水位壅高值达到5米以上，也未导致航槽易位。 另一种需要采取工程措施，以保证良好通航条件的情况可以长寿河段的上洛碛说明。根据模型试验，如果水库按156—135—140方案运用，10年后，由于主流流线在汛期和枯季的不同，导致在水下淤积成两道纵向砾石梁，间距为60米，其间形成一道2.0米的深槽。研究人员建议将该槽疏浚至深4米，宽100米，长960米，使其下游端与一自然深槽相接。为使主流沿新的深槽流动，还建议在右岸修建三道丁坝。为此，共须从槽内疏浚180000立方米，筑堤抛石15万立方米。 就港区周围泥沙淤积问题而言，重庆港是大家关注的中心。这里的泥沙淤积与水库蓄水位的选定，以及水库调度方案有关。最近的试验结果表明，172—142—152方案与水库推迟蓄水相结合大约是重庆港无累积性泥沙淤积的最高方案。如果水位进一步提高，将导致重庆港区发生累积性淤积。但是，由一些单位进行的初步试验研究结果表明，可以采取一些整治措施使港区不出现碍航淤积，当然，这需要一定的投资。在三峡水库建成以前，在上游的长江干流上修建大水库将为采取较高水位方案，而又不致在重庆港造成大量累积性淤积提供有利条件。 关于粒径1—10毫米的推移质在变动回水区上游末端淤积可能造成的后果也引起了一些关注。在南京进行的长模型试验和在水科院进行的短模型试验（175—155—145方案）均表明，推移质呈带状输移，淤积均发生在变动回水区的凸岸下游段及河床深槽等处。由于每年入库的砾石推移质大约仅为170000立方米，而且这种推移质的淤积分散在很长的河道范围内，因此，在任何一处的淤积必然相对较少，必要时是可以比较容易清除的。 五、坝区泥沙淤积 这一问题的研究目前还正在进行中，根据在南京和武汉迄今所得到的模型试验成果预计，水库投入运用后的前30年，坝前淤积很少。例如，在175—145—155方案中，升船机和临时船闸的上下引航道内清淤量分别为0—1万立方米，和2—18万立方米。其次，电站厂房设有冲沙底孔。即使这些底孔全部关闭，厂房前的泥沙淤积仍将低于压力钢管进口底缘。在以后的运用期间内，例如，自第81年至第90年，库区的泥沙淤积将趋向平衡。此时坝前的含沙量和泥沙粒径将与入库水流含沙量和粒径大致相同。船闸上游引航道的清淤量为36万至100万立方米，下游引航道的清淤量为47.6万至140万立方米。尽管年清淤量还不是大得无法应付，但除疏浚措施外，仍希望设置冲沙建筑物，以冲刷淤沙。这时如果电站厂房底孔仍然完全关闭，则坝上游45米处的淤沙顶部将高于左岸厂房6条发电钢管的进口底缘，和左岸厂房7条发电钢管的进口底缘。开启底孔当然可以降低淤沙高程。在设计阶段，应对底孔的适宜布置进行研究。 六、三峡水库下游的泥沙冲淤 三峡水库库区泥沙淤积将与下游河槽冲刷同时出现。在初步研究中，韩其为利用一维数学模型对冲刷范围或距离进行了研究。研究中考虑了非均质河床表面的粗化，床底上的细颗粒为淤积下来的较粗颗粒所置换，冲刷过程中糙率的改变，以及淤积物质的压实等因素。计算表明，冲刷范围将延伸到九江以下，即宜昌下游870公里处。不过，城陵矶（在洞庭湖出口）以下，由于存在砾质河床，冲刷量已较小。计算还表明，如果将上述河段作为一个整体看待，则最严重的冲刷将发生在第58年前后。其后，河床将逐渐回淤抬高。 有人推测认为，三峡水库的运用将严重影响长江河口。在长江河口段下游部分的铜沙采集的河床质，其粒径组成为，中值粒径0.007毫米，其中70％粒径小于0.028，518％粒径小于0.01毫米。计算表明，所有粒径小于0.01毫米的颗粒均将通过水库下泄。到武汉时，已有大量细颗粒泥沙从河床补充给水流，因此，细颗粒泥沙（＜0.025毫米）的输移量已没有很大变化。而且，汉水挟带细颗粒泥沙在武汉市汇入长江，再向下游，河床冲刷也将向水流补充细颗粒的泥沙，因此，在输至河口的泥沙中，小于0.025毫米的泥沙量不会有大变化，特别是小于0.01毫米的泥沙输沙量实际上已没有什么变化。由于较细泥沙的输沙量对河口的形态演变起着决定性作用，预期三峡工程不会对河口的河流形态起重要影响。 七、结论 在“长办”主持下，随后又在前水利电力部（现在的水利部和能源部）以及国家科学技术委员会制定的国家规划指导下，对三峡工程的泥沙淤问题进行了大量的室内试验，野外工作和计算研究。在这些研究和工作成果的基础上，作者试图阐明在可行性研究阶段所研究的主要问题和所得出的主要结论。数值模拟表明，85％防洪库容和91.5％枯季调节库容都可长期保留。模型研究表明，在变动回水区内，总的来讲，可以形成一个容许万吨级船队通航的航道，但是，在航道的少数地方需要进行小规模的整治和疏浚。试验还表明，通过优化特征水位方案，以及采取一些工程措施等途径，可以使港区不出现碍航淤积。虽然水库长期运用后的预期洪水位的计算，大家都认为是相当粗略的，但是，所采用的二阶段蓄水方案允许在水库蓄至较高水位之前，对计算中所做的各项假定加以检验。坝前的淤积可通过冲沙建筑物与疏浚相结合的方法将其冲往下游。由于小于0.01毫米的细颗粒将不会沉积在库区内，而且，三峡工程对长江河口地区预期不会有严重的影响。