三峡水库蓄水后娄溪沟河段河床演变分析

李 旭，周海霞，陈 晴，陈 李，吴卓尔

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.中交二公局萌兴工程有限公司，宜昌 湖北 443000）

1 河段自然条件

1.1 地理位置、平面形态

娄溪沟河段上起苏家湾，下至舀鱼背，全长8.5 km，河段平面形态较为平顺，上接倒钩碛急弯，下连九龙滩细沙浅滩，中间有砖灶子、粗柄碛等暗礁伏于河心，右岸有乱掘地、舀鱼背向航槽凸伸（图1），航道条件十分恶劣，是重庆主城河段主要滩险河段之一［1］，枯水航深不足而影响通航能力。

1.2 地质条件

娄溪沟河段属川江大比降山区河流，河岸岩石组成较为坚硬，河床变形主要以推移质为主。当江水流经“向斜”地段，由于页岩和砂岩的抗侵蚀能力弱，易受破坏，故江流向两侧扩张，河床逐渐被侵蚀为宽谷。整个河段的河床形态主要呈U形或V形［2-3］。

河段两岸地质构造位于高坪~曹家湾背斜核部及南西翼，研究区未见断层发育。高坪~曹家湾背斜轴向北西西向，东端转为北西向，核部为寒武系中、上统地层，两侧产状对称，产状较平缓［4-7］，延伸长度>12 km，核部宽度>2 km。

1.3 河道特性及冲淤规律

三峡大坝蓄水前，库区回水末端位于重庆主城以下，整个娄溪沟河段不受回水影响，呈天然河道特性，河段内洪冲枯淤，年际间冲淤平衡［1］。蓄水175 m后，回水末端位于重庆江津，整个河段处于回水区内，水位抬升，水面比降、流速放缓，流速呈水库特性［8］，冲淤规律也发生重大变化。

图1 娄溪沟河段河势图

2 河段二维数模的建立及验证

2.1 模型建立

本文采用Aquaveo.SMS（地表水系统模拟软件）进行模拟计算，建立娄溪沟河段二维数学模型，选用FESWEMS（有限单元法）模块。为保证精度，网格间距设为10 m，全河段共有80 521个节点及39 808个网格（图2）。

图2 娄溪沟河段网格示意图

2.2 模型验证

根据蓄水前后的多次实测资料，验证模型计算精度，部分结果见表1，验证断面位置见图1。从表1可见，大部分水位值数据点计算误差小于0.1 m，流速值数据点误差小于0.1 m/s，可见本文建立的娄溪沟河段二维数学模型计算精度较高，适用于该河段水流条件的模拟计算。

表1 数模验证结果

3 蓄水后娄溪沟河段河床演变分析

3.1 水动力条件变化

为比较蓄水前后娄溪沟河段水动力条件变化，选择该河段最大频率流量Q=3 520 m3/s作为计算流量，蓄水前后的尾水位由相应的流量确定（长江上游水文局实测资料），分别为166.52 m和174.89 m。根据实测资料，建立娄溪沟河段的二维水流数学模型，见图3。由图3可知，三峡大坝175 m方案蓄水后，娄溪沟河段尾水大幅抬高，水位上升，水面比降放缓，过水面积大幅增加，流速急剧下降，水动力条件变化较大。其中，蓄水后整个过水断面都处于缓流状态［9］，流速分布较为均匀，因此流速、水动力条件变化最大的区域主要集中在主航槽处。

图3 蓄水前后娄溪沟河段流场图

根据收集的实测资料及二维数模计算结果，得到蓄水前后娄溪沟CY38断面的水动力条件变化，见表2。其中，推移质输沙率选用苏家湾上游1 km处落中子水文站实测资料，水流功率参照文献［1］进行计算。

由表2可知，蓄水后，娄溪沟河段各水力因子发生大幅变化，并综合影响导致水流功率急剧下降，水流挟沙能力减小，同时，上游来沙量也大幅下降，相当于减少了上游来沙补给，由于水流功率的减小幅度大于上游来沙量的减小幅度，因此断面将呈淤积趋势。

表2 蓄水前后娄溪沟河段水动力条件变化

3.2 河段主要淤积部位及淤积量分析

根据实测资料，以2006年河床高程为基准高程［10-11］，2006年-2011年的河段淤积分布见图4。

图4 娄溪沟河段2006-2011年淤积分布图

对比分析娄溪沟河段发生淤积区域、各典型断面上的淤积部位及该河段水动力条件分布可发现，泥沙容易在弯道的回流、缓流区以及沱内、潜碛两侧糙率较大的粘滞区域淤积，淤积部位主要集中在水动力轴线另一侧的边滩处，主航槽内的淤积趋势则不明显。根据实测资料，以2006-05水下地形为基础数据，整理得到2006-2011年的淤积变化过程，见表3。

由表3可知，蓄水前天然情况下，娄溪沟河段年际间基本维持冲淤平衡，蓄水后，由于水动力条件突然改变，河段淤积明显。随着三峡水库维持175 m高水位运行，娄溪沟河段呈累积性淤积趋势，淤积速度逐渐下降。

表3 娄溪沟河段2006年-2011年淤积变化过程

3.3 河段演变趋势预测

（1）娄溪沟河段在天然情况下河床演变基本保持年际间平衡，河势较为稳定。三峡水库蓄水运行后，该河段位于水库回水区内，坝前壅水抬高了河段尾水位，极大地减小了水流流速、水面比降和水流功率，破坏了原有的泥沙运动规律，河段演变趋势发生变化。

（2）建库后，河段水流功率下降的幅度大于来沙量下降幅度，来沙量大于输移量，河段呈累积性淤积趋势。随着水库运行时间的增长，库区淤积速度减缓，累积性淤积增加，河床抬高，库水位增加。长期来看，常年库区河段呈累积性淤积的趋势不会发生改变。

（3）从淤积区域来看，蓄水后泥沙淤积区域与蓄水前天然情况一样，主要分布在开阔段，回流、缓流区以及碛坝、边滩的边缘。

（4）根据长科院的研究，三峡成库30年后，长寿—重庆段长87.42 km的河段总共淤积泥沙约为4.64亿m3，平均每公里的泥沙淤积强度为0.053亿m3［10-12］。按此计算，该河段8.5 km共累积性淤积泥沙约为0.45亿m3，平均淤积厚度约为3.65 m。由此来看，该河段在三峡水库正常运行以后，河道演变的趋势将以累积性淤积为主，具体表现为：建库初期，河道泥沙将大量落淤，库区河床将逐年抬高，河道过水断面的逐年减小又将使水流流速不断增加；而水流流速的增加，又会使泥沙淤积速度变缓，直至河段达到新的冲淤平衡状态。

4 结论

（1）蓄水后，该河段淤积主要发生在苏家湾左侧边滩及郑家沱右侧缓流区，淤沙抬升河床，并逐渐向航槽移动，束窄航道；而主航槽与深泓线附近水流功率远大于边滩区域，淤积趋势并不明显。

（2）该河段在三峡大坝蓄水前后淤积速度变化较大，蓄水前，该河段年平均落淤厚度为0.04 m，局部河段最大落淤厚度为3.17 m，而在蓄水后，该河段年平均落淤厚度达0.23 m，局部河段最大落淤厚度可达6.12 m，泥沙落淤量为蓄水前的5.57倍，淤积速度迅猛提升。

（3）建库初期，河道水动力条件骤然改变，泥沙大量落淤，该河段长期呈累积性淤积状态的趋势；随着上游来沙的减少以及航槽束窄、流速增大，泥沙输移能力增强，又使泥沙淤积速度变缓，直至呈新的冲淤平衡，届时河段的高程分布将发生大幅改变，其中，两岸边滩淤积量最大，航槽内淤积量次之，河床断面由U形向V形发展。

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