摘要 河流是人類文明的搖籃 河流既需要開發 又需要維護 在開發河流賦予人們豐富 資源的同時 也要通過維護以減少這種開發的負面效應 建設航電樞紐 導致下游河床 沖淤變形 同時也影響了通航 為了使預期的目標和遠景規劃一致 就要研究樞紐下游 河床的變形對通航的影響 并有針對性地提出防護和治理對策 以保障上 下游以及河 流功能的整體和諧 河流系統是特定流域環境條件下的開放型復雜系統 河床的調整是 與水文 泥沙過程 地貌環境 地質組成相關的復雜行為 河床的調整與演變規律是科 學有效的整治措施的基礎 許多情況下還需要根據河段上出現的新現象提出不同常規的 整治措施 興修水庫 開發水能是最常見的引起河床變形的人類行為 水庫下游的河床 演變及整治一直是流域管理的核心問題之一 也是有待深入研究的領域 本論文以嘉陵 江草街航電樞紐下游為對象 利用物理模型試驗開展相關的研究 研究樞紐下游局部沖 刷對河床的影響和不同頻率洪水下游河床沖淤變化對通航的影響 以及用商用軟件s m s 進 行數值模擬計算 從而預測樞紐建成2 6 年后的下游河床沖刷情況 通過物理模型試驗和 數學模型試驗的結合使用 最后得出的結論是樞紐建成后普遍沖刷 使河槽加深 至此 導致的河床變形對通航影響很小 關鍵詞 航電根紐 河床演變 物理模型 數值模擬 a b s t r a c t t h er i v e r st h a tn e e dt od e v e l o pa n dm a i n t a i na r et h eh u m a nc u l t u r ec r a d l e w h i l et h er i v e r s d e v e l o p st o e n t r u s tw i t ht h ep e o p l et h er i c hr e s o u r c e s a l s om u s tr e d u c et h i sk i n do f d e v e l o p m e n tt h r o u g ht h em a i n t e n a n c e t h e n e g a t i v e e f f e c t t h en a v i g a t i o n e l e c t r i c i t y c o n s t r u c t s t h a tc a u s e st h ed o w n s t r e a mr i v e rb e dt of l u s ht h es i l tt od i s t o r t s i m u l t a n e o u s l ya l s o a f f e c th a sb e e no p e nt on a v i g a t i o nw i t ht h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n i no r d e rt oc a u s et h e a n t i c i p a t e dg o a la n dt h el o n g t e r mp l a n n i n gi sc o n s i s t e n t t h a th a dt os t u d yt h ek e yp o s i t i o n d o w n s t r e a mr i v e rb e dt h ed i s t o r t i o nt ob eo p e nt on a v i g a t i o nw i t ht h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n i n f l u e n c e a n dh a d p o i n t e du p s t r e a mp r o p o s e d t h e p r o t e c t i o na n dt h eg o v e r n m e n t c o u n t e r m e a s u r e s a f e g u a r d e d t h ed o w n s t r e a ma sw e l l a st h er i v e r sf u n c t i o nw h o l ea r e h a r m o n i o u s t h ef i v e rs y s t e mi su n d e rt h es p e c i f i cb a s i ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no p e n t y p e c o m p l e xs y s t e m a n dt h er i v e rb e da d j u s t m e n ti s a n dt h eh y d r o l o g y t h es i l tp r o c e s s t h e l a n d f o r me n v i r o n m e n t t h eg e o l o g i c a lf o r m a t i o nr e l a t e dc o m p l e xb e h a v i o r t h er i v e rb e d a d j u s t m e n ta n dt h ee v o l u t i o nr u l ea r et h es c i e n c ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n tm e a s u r ef o u n d a t i o n s m a n ys i t u a t i o n sa l s on e e d st h en e wp h e n o m e n o nw h i c ha p p e a r sa c c o r d i n gt ot h es e c t i o no f r i v e ro nt op r o p o s et h ed i f f e r e n tc o n v e n t i o n a li m p r o v e m e n tm e a s u r e c o n s t r u c t i o no ft h e r e s e r v o i ra n dt h ed e v e l o p m e n th y d r oe n e r g yi sm o s tc o m m o nt h eh u m a nb e h a v i o rw h i c h c a u s e st h er i v e rb e dt od i s t o r ta n dt h er e s e r v o i rd o w n s t r e a mr i v e rb e de v o l u t i o na n dt h e i m p r o v e m e n ta l w a y si s o n eo fb a s i nm a n a g e m e n tc o r eq u e s t i o n s a l s oi ti st h ep e n d i n g t h o r o u g hr e s e a r c hd o m a i n t h ep r e s e n tp a p e rt a k et h ej i al i n gr i v e rg r a s ss t r e e tn a v i g a t i o n e l e c t r i c i t yk e yp o s i t i o nd o w n s t r e a m a st h eo b j e c t u s i n gt h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t d e v e l o p m e n tr e l a t e dr e s e a r c h s t u d i e st h ek e yp o s i t i o nd o w n s t r e a mp a r t i a lw a s h o u tt h e i n f l u e n c ea n dt h ed i f f e r e n tf r e q u e n c yf l o o dd o w n s t r e a mr i v e rb e df l u s h e st h es i l tc h a n g et ot h e r i v e rb e dt ot h ei n f l u e n c ew h i c hi so p e nt on a v i g a t i o n a sw e l la sc a r r i e so nt h ev a l u ea n a l o g c o m p u t a t i o nw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r es m s t h u sf o r e c a s tt h ek e yp o s i t i o nc o m p l e t e s2 6y e a r a f t e rt h ed o w n s t r e a ms c o u r i n gs i t u a t i o n s t h r o u g ht h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n ta n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e le x p e r i m e n tu n i o nu s e a f t e rt h ec o n c l u s i o nw h i c hf i n a l l yo b t a i n si st h ek e y p o s i t i o nc o m p l e t e sw a s h e so u tg e n e r a l l y m a k e st h er i v e r b e dt od e e p e n h e r ec a u s e st h ef i v e r b e dd i s t o r t st oi so p e nt on a v i g a t i o nt h ei n f l u e n c et ob ev e r ys m a l l k e y w o r d s h y d r o p o w e rj u n c t i o np r o j e c t b e de v o l u t i o n p h y s i c a lm o d e l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 重慶交通大學學位論文原創性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導下 獨立進行研究工作所 取得的成果 除文中已經注明引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體已經發 表或撰寫過的作品成果 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確 方式標明 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 學位論文作者簽名 了蠆荔日期 螄年加多日 重慶交通大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規定 同意學校保留并向 國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權重 慶交通大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文 同時授權中國科學技術信息研究所將本人 學位論文收錄到 中國學位論文全文數據庫 并進行信息服務 包括但不限于匯編 復制 發行 信息網絡傳播等 同時本人保留在其他媒體發表論文的權利 學位論文作者簽名 乏玩 指導教師簽名 竺黑竺2 量 三竺強 三 本人同意將本學位論文提交至中國學術期刊 光盤版 電子雜志社c n k i 系列數據 庫中全文發布 并按 中國優秀博碩士學位論文全文數據庫出版章程 規定享受相關權 益 學位論文作者簽名 蕊 日期 力唧年r 月歹日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 概述 草街航電概紐工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯級開發的第二級 是 一座具有航運 發電 旅游等綜合效益的水運水利樞紐工程 工程位于合川市草街鎮境 內 壩址上游距合川市約2 7 k m 下游距嘉陵江河口重慶朝天門約6 8 k m 實施西部大開發 加快中西部地區發展是中央的重大戰略決策 草街航電樞紐的建 設是實施西部大開發加快中西部地區發展的具體實施 是建設嘉陵江戰略航道 實現嘉 陵江全線渠化的關鍵工程 草街航電樞紐的建設關系到嘉陵江高等級航道能否全線貫通 關系到嘉陵江流域以及整個西部地區通江達海通道的暢通 對于促進西部地區的資源開 發 擴大對外交流 對于建設重慶航運中心 緩解重慶市能源緊缺局面具有十分重要的 作用 草街航電樞紐工程工f 常蓄水位2 0 3 o o m 有效庫容2 3 9 2 億m 3 樞紐由裝機容量 為5 0 0 m w 電廠一座和尺度為1 8 0 m x 2 3 m x 3 5 m 通航2 1 0 0 0 t 級船隊的i i i 級船閘一座組成 由于該樞紐位于重慶合川市下游嘉陵江干流上 嘉陵江在此納涪江 渠江入匯 有一閘 鎖三江之勢 在河流上興建水利樞紐 上游形成水庫 通過蓄水抬高上游水位 不僅可以獲取發 電效益 而且可以達到淹沒上游險灘 增加上游航道通航水深 改善通航條件的目的 是綜合利用水資源的一項重大舉措 然而水利樞紐的建成和運行 將白邊河流的天然屬 性 對其產生一定的影響 由于水庫攔截大量的泥沙 清水 下瀉將使水庫下游河床出 現長距離 長時段的沖刷與河床調整 伴隨水位下降 將可能帶來新的礙航淺灘段 因 此 進行水利樞紐下游河床演變分析 對下游河床沖刷做出預估 對河道的防洪和航均 有很大的意義 本研究將以 嘉陵江草街航電樞紐下游沖刷變形對通航發電的影響 為項目依托 開展研究壩下游局部沖刷和不同頻率洪水下游河床沖淤變化對通航的影響 在進一步用 商用軟件 m s 進行數學模型計算預測 1 2 研究現狀及存在問題 河床演變的學科性質決定了它應當是從工程技術的角度 考慮河流在較長期內但又 不是歷史時期的調整過程 因為在具體研究中分工過細 所承擔的任務往往只涉及一個 河段或者一個地區 工程技術人員容易注意局部河段而忽略流域整體 容易看到眼前而 忽略較長期的變化 正是由于這個原因 目前關于具體河段河床演變的研究比較多 這 些研究為解決實際問題而開展的目的比較明確 收集的野外觀測資料比較豐富 利用泥 沙運動和河床演變基本原理所進行的分析也比較深入細致 某些研究在理論概括和定量 分析上還做了某些有益的嘗試 這些 充分反映了河床演變研究中重視第一手資料 重 視在天然河流上直接研究天然河流的優良傳統 但是必須同時看到 針對某一類型普遍 現象的討論及規律總結不多 這說明盡管具體河段河床演變分析已在大多數場合指導了 三 第一章緒論 實踐 但是進一步的理論概括和經驗集成還不夠 這就不能不反過來嚴重影響河床演變 理論水平的提高 在學科發展的過程中 關于這些普遍規律的總結主要體現在河流自調 整機理 河型分類 各類河型演變特性 河相關系等方面 當前之所以對這些方面認識 比較深入 是在長期觀測資料累積的基礎上 對普遍現象深入總結的結果 而對于水庫 下游水沙變化后的河床演變 由于資料相對較少 規律總不多 實際上 當前河流普遍 受到人類干擾 河床演變的迫切任務是預測水沙變化條件下的演變趨勢 包括河床的橫 向 縱向沖淤 以及由此引起的斷面形態變化 河型與河勢的調整等 這是防洪 航運 等各方面的要求 隨著水庫下游沖刷演變現象的普遍出現 國內外學者逐漸開始對此展 開調查研究 k o n d o l f 討論了水庫攔沙和人工采沙引起的河床下切 河型轉化乜1 n i c o l a s u r i a n 調查了意大利河流上普遍出現的河床下切和縮窄現象u 1 s h i e l d s 討論了水庫下 游的河道橫向擺動機理 并利用航片定量分析了美國m i s s o u r i 河下游建壩前后的河道擺 動情況h 1 國內先后在官廳水庫 三門峽水庫和丹江口水庫開展了較大規模的測驗工作 對工程影響下的演變過程取得了大量的實測資料 對水庫下游的再造床過程的問題 地 學界和水利學界從觀測資料分析 試驗模擬等多個方面開展了研究 探討了庫下游河道 沖淤變化 斷面形態調整 河床地貌再造等方面的變化規律 以下分縱向和橫向變化 對當前研究現狀進行總結 在河道上修建水利樞紐以后 其下游河床將發生兩種不同類型的沖刷 第一是對于 含沙量較小的河流 修建水庫后 由水流的紊動性加大 使壩下原處于臨界狀態的泥沙 起動機率增加 隨著流程的增加又由于邊界條件的制約 水流逐漸趨于平穩 起動的一 部份泥沙停止運動 使壩下游的一部份河段產生沖刷 另一部份河段產生淤積 當受水 流紊動影響較大的近壩河段泥沙沖刷平衡后 淤積河段挾沙能力轉化為主要矛盾時 整 個河段才轉為沖刷 第二是對于含沙量較大的流 由于修建水庫 使大量泥沙淤積于庫 內 改變了水庫下游河流含沙特性 引起下游河道的再造床過程 而引起長距離沖刷 現有研究成果在揭示水庫下游河道水沙變化及河床沖刷特性等方面進行了大量的研究工 作 然而在機理方面研究則不足關于水利樞紐下游河床沖刷現象主要有 河床自上而下普 遍沖刷 含沙量顯著降低 河床顯著粗化 縱比降調整等方面 同樣的水沙條件變化 對于不同的河床邊界可能造成不同的響應 而且這種響應由于沖刷歷時的長短也可能動 態變化 關于這種動態性 一般的研究認為水庫下游河床與水沙條件兩者之間的不適應 性在建庫初期達到最大 因此 河床變形也以初期最為顯著 并因時遞減沖刷過程中 隨著河床及岸灘抗沖特性的變化 形態調整也產生變化 根據w l i a m s 等對美國河流的 統計畸1 截流后初期河床下切沖刷幅度最大 之后隨著河床粗化和比降調平 沖刷幅度逐漸 減緩 許炯心以同流量的清水沖刷原始河床來模擬建庫后的河床沖刷 發現初期以下切 為主 之后出現以側蝕為主的階段 寬深比先減后增 1 對于縱剖面比降的變化 一般資 料均顯示是初期以近壩段河床迅速調平為特征 之后逐漸向下游緩慢發展口1 水庫下游的 調整在趨向平衡的過程中 還會因為水文條件的變化出現問歇性的變緩和加速現象 完 第一章緒論三 全達到平衡狀態甚至需要上百年時間啊1 從減小挾沙能力和流量調平兩種作用來看 文獻 陽1 認為 在建庫初期以減小水流能量而引起的河床變形為主 而隨著時間延續 斷面形態 逐漸向適應調節后的流量過程發展 河床沿程沖刷的深度受到泥沙補給條件 河床抗沖性變化等的影響 隨著河床沖刷 的進行 下伏卵石層可能會逐步暴露 或者床沙粗化形成保護層 從而對河床調整過程 產生深遠的影響 埃及尼羅河上阿斯旺水壩修建以后 大壩下游河段實際上觀察到的下 切深度僅為0 7 m 比不同的研究者所預測的數值 2 0 8 5 m 都要小得多 等認為這與河 床以下埋藏著不連續的卵石層有關 許炯心運用地貌學方法對漢江丹江口水庫下游河床 調整過程中下伏卵石層的作用進行了系統的分析 下伏卵石層使河床下切受到抑制 隨 著卵石層的暴露 河床糙率將急劇增大 局部河床可能采取加大比降的方式進行補償 關于水庫下游沖刷發展的預測 目前存在著概念型模型 機理型模型等兩類 概念 型模型通過大量觀測資料建立各影響因素與河床縱剖面或沖刷深度之間的關系 具有一 定預測功能但經驗性強 機理型模型也叫數學模型 是通過求解描述河床沖刷過程的封 閉方程組得到沖淤的沿程變化 目前得到了大量應用 在三峽論證過程中 對下游長河 段沖淤發展的預測即采用了這種方法 雖然數學模型是水流運動 泥沙輸移和河床變形 方程為基礎的 但其中仍存在經驗成分 對于含沙量恢復 河床粗化過程的模擬 還需 要借助一些經驗模式和參數 計算機性能的快速提高和數值計算技術的發展促進了數學 模型的推廣 由于不僅能夠提供河床變化的最終幅度 而且能夠詳細描述出沖淤在空間 上的分配以及時間上的發展過程 數學模型在大壩下游河床變形預測中得到了大量應用 毛繼新 韓其為 町根據泥沙起動及河床粗化理論公式 建立了水庫下游河床粗化數學模 型 以研究水庫下游河道極限沖刷深度及粗化層級配 該模型計算簡捷方便 對研究水 庫下游局部河段沖刷 具有重要意義 在實際應用方面 張耀新等通過建立一維非恒定 懸沙數學模型 對贛江萬安水電站下游河床沖刷的發展趨勢及其對航道的影響進行了預 報計算和分析n 李義天 高凱春應用一 二維嵌套水流泥沙數學模型對三峽建庫后宜 昌至沙市河段河床沖刷及其對卵石淺灘的影響進行了數值模擬研究 水庫下游的橫向變形涉及主流擺動 河勢變化 河寬尺度 河道曲率 河型的調整 等 橫向調整可能威脅沿岸工程設施 但又對維持生態多樣性起著重要作用 河流橫向 的穩定性和變化規律是許多領域研究的焦點 包括河流地貌學界 河流工程界 河流生 態學界等 一般地說 修建水利樞紐以后各種條件的變化是有利于使下游河道朝較為穩 定的方向轉化的 流量過程的調平和比降的減緩 將使河道的輸沙強度減弱 下泄沙量的 減少將使原來的堆積型河道轉為侵蝕下切 灘槽高差的加大和床沙的粗化 將增加河床的 抗沖能力 這些都是有利于削弱河道演變強度的 然而 河型是否能發生轉化 還取決 于清水下泄的過程 歷時長短和復雜多樣的區域邊界條件 同樣的水沙條件變化 對于 不同的河床邊界可能造成不同的響應 而且這種響應由于沖刷歷時的長短也可能動態變 化 s h i e l d s 曾對美國m i s s o u r i 河上f o r t p e c kd a m 下游的側向變化與各因素進行了相 4 第一章緒論 關分析 建庫后橫向調整速度與寬度 距離大壩距離緊密相關 b e g i n 從理論上分析 隨 著水流能量增加 低能量順直微彎河流發生側蝕而趨于蜿蜒 隨著能量進一步增加 河 流動力半徑增大 凸岸邊灘遭切割 曲率將重新減小而趨于分漢游蕩 當前的研究對于 解釋水庫下游出現的復雜河床變形有一定的幫助 結合各種影響因素的變化過程 以及 河流自身特有的邊界條件和平面形態特征 深入研究水庫下游動態變化過程中的一般性 規律還是十分必要的 河床整治的發展先于河床演變 這是由實際生產要求決定的 在 我國 以堤防及護岸工程為主要手段的治河工程早就發展起來 歐美的河床整治則是以 發展航運為先導 傳統的河道整治目的在于影響河勢及水流流態 所要實施的傳統性工 作是將有代表性的河流參數如河道走向與坡降 深度 寬度 流速 調整到實際要求的標 準 水庫修建后 河床受到劇烈的沖刷 破壞了河流的平衡 引起了下游沖積河流的再 造床作用 對防洪 航運 灌溉 灘地利用等很多方面帶來了一系列的影響 很多情況 下 應該預防或至少應該控制這些影響 所以對不利的演變進行防護和采取適當的補救 措施是必要的 整治工程正是通過人工作用來改變河床邊界 從而改變水沙條件和河床 邊界可動性的對比關系 達到防護的目的 修建整治工程以后 形成不可沖動的硬邊界 必然加強邊界對水流的控導作用 如果工程的布置符合挾沙水流的運動規律 則河道將 向穩定的方向發展 由此看來 通過總結已建成工程經驗和一些河流動力學原理 分析 和預測不同情況下河床的演變規律 不但是對工程下游演變利弊評判的前提 也是防護 措施合理可行的保證 大壩下游的河床縱向調整 最常見的是不斷發展的長距離刷深 河床劇深不僅是高水頭大壩下游常見的現象 而且對低水頭徑流式水電站的下游河道也 有很大的威脅 哪 國內外一些河流在防沖 穩定河勢等方面積累了一定經驗 這些方法 采用不同方式抑制河床的刷深 通過設堰或潛壩奎水產生回流影響而減小流速 通過使用 強度足以抵抗進一步侵蝕的粗粒物質覆蓋河床使河床人工粗化 人工投放與水流輸沙能 力 即相應顆粒尺度和輸沙率 一致的泥沙 例如密西西比河上所采取的措旌是在河道薄 弱處 如河灣外側 鋪設鉸接混凝土墊層 以穩定河勢 并保證最小航深 該方案約從1 8 年起開始實施 采用編織柳條席摯 利用石頭沉入河底來抵御湍急的水流 穩定河床 水庫修建后 對沿程水面比降以及水流流態的影響是首當其沖的 河流適于航行必須要 滿足一定的必要條件 如來水能夠滿足規定的通航保證率 最小水深 水流流速 流態 都要在規定的范圍 河道沖刷造成下游水位下降過大 影響壩下通航建筑物的正常使用 如水位下降使得引航道口門相對過高 會出現船舶擦底現象等等 陳一梅 李奕瓊u 糾定 性和定量地分析了水位下降對船閘出口門檻水深的影響 建議在船閘設計時應充分考慮 蓄水后壩下沖深水位下跌的幅度 針對目前己建船閘出口門檻水深不足的情況 建議在 窄深處選擇合適的地點修筑潛壩抬高水位 或則采用非工程措施 改變水庫調度 增加 船閘出口門檻水深 以保證船閘下游河段正常航行 在對于葛淵壩樞紐下游水位變化的 研究中 清華大學 長江科學院等單位對此做了初步的研究 針對葛洲壩樞紐至虎牙灘 第一章緒論三 河段進行了正態 變態物理模型實驗研究以及一些數模計算 3 1 提出了葛洲壩船閘閘檻 水深及下引航道枯水航深不足問題 可在窄深河槽中修筑潛壩以抬高上游水位的措施來 解決 此外 清華大學還提出了壩下游河道人工加糙 回填凹坑方案 即在深槽河段回 填卵石等材料 以增大河床水流阻力 減小過水斷面面積 除了研究三江下引航道水深 的工程措施外 長科院則還提出了一些非工程措施 嚴禁在宜昌至枝城河段開采砂石骨料 改善三峽水庫調度 即在枯水期最低水位出現期間 增大下泄流量5 0 0 m 3 s 左右 提高枯 季水位 補償下游沖刷的影響 由于航道對河道 水流等要求的嚴格性 在沖刷劇烈 河床組成復雜的河段如何針對出現的復雜演變問題采取有效 可行性強的防護措施保證 通航等多方面要求是值得進行進一步深入研究的課題 在水庫下游河道沖刷和變形方面 我國已經進行了大量的原型觀測和分析研究 很多學者對水庫下游的河床演變規律進行 了分析總結 其中有代表性的成果為水利水電科學研究院河渠所對官廳水庫下游永定河 1 8 2 0 錢寧乜卜2 引 錢寧和麥喬威 1 李保如和華正本乜4 1 麥喬威和趙業安瞄1 劉月蘭和張 永昌 劉月蘭和韓少發 許炯心嘶1 等對三門峽水庫下游黃河 韓其為和童中均乜7 1 許炯 心但哪3 賈銳敏口 長劉東生和熊明b 2 1 等對月 江口下游漢江 均做了全面深入研究 此外 韓其為 陸永軍 李義天等 1 對三峽工程建成后長江中游河床演變及其對葛洲壩樞紐下 游近壩段水位與航道影響 林振大臼鉑對拓溪水庫日調節時下游河道 王秀云和施祖蓉等 對水庫下游永寧江感潮河段 以及李任山 朱明聽對鬧得海水庫下游柳河等也都進行了 相當研究 對于水庫下游河道沖刷和變形中的幾個專門問題 均有較深刻的成果和規律 性的揭示 對下游河道清水沖刷時床沙粗化 尹學良給出了相應的計算方法 韓其為口踟 提出了交換粗化現象和兩種機理 并且給出了詳細的計算方法 對于水庫的水沙過程及 數量改變后對下游河床演變的各方面的影響 韓其為 童中鈞也都專門做了論述 錢寧 研究了灘槽水沙交換現象 認為其是導致水庫下游河道沖刷距離較長的基本原因 這些 成果對于現在和將來的航道整治都是值得借鑒的 1 2 1 水庫下游河床演變規律 水庫對水沙條件的顯著改變之一體現在含沙量的明顯減少 河流的泥沙輸移能力由 水流決定 但實際的輸移量卻與河床的實際組成有關 由于下泄 清水 水流將通過沿 程沖刷達到沙量的補給 河床組成決定河床的泥沙補給能力 河床上泥沙越細 河床的 可沖性就強 床面下降較多 相反 對于山區型河流 床面多為卵石粗沙等推移質 河 床的可沖性就差 床面的下降幅度就小 河道的沖刷 將引起河床粗化 河床粗化過程 隨原河床組成的不同而有不同的特點 河床為卵石夾沙時 粗化過程進行的迅速而明顯 在沖刷過程中 沙粒被沖走 卵石逐漸集聚于床面 形成阻止沖刷發展的抗沖粗化層 河床為細砂組成時 其粗化過程與上述情況不完全相同 它的粗化是在沖刷過程中因懸 沙和床沙的交換而造成的 因此 粗化發展沒有那么迅速 但河床逐年變粗的現象是很 明顯的 沙質河床的粗化會使河床糙率增加 也會使水流挾沙能力減少 盡管它不像沙 卵石河床那樣形成抗沖粗化層而遏制河床的沖刷下切 但由于水流挾沙能力的降低 河 6 第一章緒論 床沖刷速度將會明顯減慢 沖刷也會受到限制 目前 大量的水庫在不同河流上興建和使用 它們下游的沖刷演變體現了不同河床 組成在 清水 下泄情況下的演變情況 對于河床抗沖性較強的河段 以葛洲壩下游的 蘆家河河段為例 近四十年來 蘆家河河段岸線穩定 其主要原因是河岸大部分由抗沖 性較強的基巖質 土石質或硬土質組成 河槽與債壩近年來比較穩定 年際間沖淤基本 平衡 這也與其河床組成有關 債壩心灘主要由卵石組成 灘面平整 枯水期裸露于江 中 枯水期的河床地形 基本上反映了卵石層面的形態特征 盡管每年年內河床有沖有 淤 由于卵石的遏制作用 在年際之間沒有大幅度的沖淤變化 蘆家河河段年內的變化 規律是漲水淤積 退水沖刷 淤積厚度在平面上的分布隨主流位置而變 年內河床沖淤 變化 也影響到河床組成的變化 河床組成的平面分布及其沿時間的變化 也是河床演 變的寫照 而 清水 下泄造成的床面粗化則可從葛洲壩樞紐運用頭幾年的情況中得到 反映 1 9 8 0 年至1 9 8 8 年 床沙中值粒徑d 5 0 逐年粗化的規律十分明顯 1 9 8 1 年至1 9 8 5 年 歷年5 月及1 0 月的中值粒徑逐年變粗 1 9 8 5 年以后變化不大 至1 9 8 8 年3 月 d 5 0 仍為0 2 5 4 m m 這一變化j 下是葛洲壩樞紐運用致使下游河段產生沖刷 床沙粗化的表現 水庫下游懸沙和床沙之間的不等量交換 已被許多觀測資料所證實 如丹江口下游1 9 7 4 年皇莊與仙桃兩站間各組粒徑泥沙沖淤情況顯示 兩站間總沖刷量為7 5 3 萬t 但d 0 1m m 的淤下1 5 3 萬t n 引 這個粗化過程沿程發展緩慢 所以含沙量恢復緩慢 沖刷距離可以達到很長 襄陽 皇莊 仙桃站建庫前的中值粒徑 分別為0 1 5 0 1 2 0 1 i m m 1 9 8 0 年分別為0 8 2 0 1 8 0 1 3 m m 1 9 8 5 年粗化為1 0 8 2 0 2 4 0 1 5 m m 這說明距離壩址較遠的位置床面粗化比較緩慢 從沿程沖刷幅度來看 除黃家港至光華段沖刷達2 1 8 m 之外 其他河段沖深均在0 5 1 m 之間 沖刷深度并不大 沖刷的發展速度也要視不同河床組成而異 卵石夾沙組成的河床 其沖刷發展十分迅速 如官廳水庫下游河道僅 r 年內便完成沖刷而達到穩定 細沙組成的河床 其開始階段 的沖刷過程也是十分迅速的 以后才逐漸減緩 直至達到相對平衡為止 如紅山水庫蓄 水運用6 7 年內下游河道的一般沖刷發展迅速 很快達到距壩約1 5 0 k m 的范圍 尤其是 在5 0 k m 左右范圍內沖刷更為顯著 往后的沖刷過程逐漸減緩 水庫下游河床變形可分為 三個階段 沖刷階段 回淤階段 平衡 或接近平衡 階段 至于這三個階段中前兩個階段 的長短 在各個水庫可能差別很大 例如水庫淤積時間很長的蓄水水庫 前兩個階段均 較長 而對于淤積時間很短的水庫 前兩個階段很短 至于第三個階段 一般可能很長 常常要維持到來水來沙條件發生新的變化 例如上游修建新的水庫 為止 在第一 二階 段 特別是清水沖刷階段 常常與天然河道河床演變差別很大 而使河道發生一些帶根 本性的變化 因此是研究的重點 水庫蓄水初期 由于庫內淤積下泄沙量常常很低 甚至下泄清水 下游河道一般發 生沖刷 沖刷常常是長時間 長距離的 水庫對下游的影響主要是通過下游的再造床作 用的一系列演變引起的 例如沖刷引起的河床整體下切 沖刷引起的灘槽演化 沖刷引 第一章緒論 三 起的側向沖蝕和河道擺動 河床下切引起的支流侵蝕基準面變化和漢道分流分沙變化問 題 水沙條件的變化甚至引起河型的轉化 例如 黃河三門峽水庫控制了進入黃河下游 水量的8 9 和沙量的9 8 其攔沙運用期洪峰流量大幅度削減 中水流量續時間延長 流 量過程趨于均勻 含沙量明顯降低 床沙質泥沙淤積在水庫內 細顆粒泥沙進入下游河 道 下游河道的沖刷自上而下發展 在京廣鐵路橋以上 河段在沖刷發展過程中受南岸 鄺山的約束 河床沖刷以縱向下切為主 河道斷面趨于窄深 京廣鐵路橋段 河床邊界 控制性差 河床以展寬為主 主槽縱向下切 漢河干涸 沙洲出露 水流集中形成單一 河槽 漢江丹江口水庫從1 9 5 9 年底截流 1 9 6 0 1 9 6 7 年為滯洪運用 水庫對水量調節作 用不大 僅起削峰作用 滯洪重點淤粗排細 懸沙級配變細加大了下游河道的水流挾沙 能力 使滯洪一開始河道就受到沖刷 1 9 6 8 年以后為蓄水運用期 蓄水后水量受到調節 首先洪峰流量削減 枯水流量增大 年內流量變幅減小 且由暴漲暴落型變為較長時段 內變幅不大的流量過程 其次是懸移質和推移質泥沙大部分被攔截在庫內 出庫多年平均 含沙量僅0 0 3 0 k g m 3 為建庫前多年平均含沙量2 9 2 k g m 3 的l 水庫下泄水流基本上 為清水 下游河道劇烈沖刷 且河道沖刷部位逐步下移 上段沖刷量不斷減小 沖刷最 強烈的河段不斷下移 從1 9 8 0 年左右丹江口水庫下游河道資料看 茨河以上由于河床粗 化 懸移質沖刷基本上被遏制 沖刷較強烈的河道向下移至茨河至皇莊段 沖刷沿時間 和河長都是持續的 蓄水后黃家港至皇莊 碾盤山 段年年均沖刷 皇莊至仙桃除沒有資料 的年份及1 9 7 5 年襄陽至皇莊間因唐白河特大洪水帶來了很多泥沙 使皇莊略有淤積外 其他各年均沖刷 各年的沖刷量變化不大 黃家港至阜莊大都在8 0 0 2 8 0 0x1 0 t 之間 水庫修建后 下游河道沖刷 同 n 站的含沙量較建庫前大幅降低 丹江口建庫前后 下游各站含沙量發生較大變化 滯洪期較建庫前有所減少 建庫后又較滯洪期大為降低 建庫前含沙量由上游至下游沿程遞減 滯洪期規律較為混亂 建庫后含沙量由上游至下 游沿程遞增 丹江口水庫出庫站黃家港含沙量僅為建庫前的1 其他如襄陽 皇莊 仙 桃也只有建庫前的8 一4 3 口1 可見含沙量的減少是很大的 這種現象在官廳水庫下游永 定河沖刷階段也很突出表現出來 例如在距壩1 8 6 m 的石佛寺站同期含沙量只有建庫前的 2 4 7 8 舊1 造成樞紐下游河道含沙量顯著降低的原因 除了由于樞紐的攔蓄作用使出庫 水流含沙量顯著減少外 還與下游河道的沿途補給條件和水流挾沙力的變化有關 就沖 瀉質而言 雖然水流挾帶這部分泥沙的能力很大 基本上都能向下游輸送 但是 由于 這種泥沙大量被水庫攔截 而下游沿途又無足夠的補給 特別是灘地沖刷殆盡后更無補 充的可能 因而其含沙量顯著減小 就床沙質而言 由于水庫的削峰作用使下泄調平和 減少 加之下游河床的粗化和比降減緩 使水流挾沙力較建庫前降低 因而含沙量隨之 減小 特別是沖刷達到基本平衡后 床沙質的補給將越來越少 其含沙量將更顯著減少 1 2 2 河道沖刷的物理模型方法 草街航電樞紐為一大型綜合利用航電樞紐工程 涉及樞紐布置 泄洪能力 航運條 件 電站引水防沙 閘下消能防沖 水庫泥沙等方面的多項關鍵技術問題 為減小模型 第一章緒論 縮尺影響 研究問題更能直觀反映工程前后的實際情況 模型按重力相似準則設計 采 用正態實體模型 結合模型場地和供水能力的實際情況 模型平面比尺采用入l 8 0 通 過動床模型試驗測得流速流量關系和地形特征來進一步研究 1 2 3 河道沖刷的數學模型方法 使得在數學模型計算過程中將計算河段和時間劃分得比較細 從而可大幅度提高計 算精度 其次 它可以根據實測資料對模型進行反復調試 正確地選擇計算模式及參數 以確保計算結果的合理性 而且 它還可以在短時間內計算出多方案 便于分析比較有關 河道沖刷的模擬方法啪刪 目前實踐中較成熟的可分為數學模型和物理模型兩類 它們各 有優缺點 物理模型相對成熟 具有直觀 概念簡單等優點 在模型設計及運行方面也 積累了極為豐富的經驗 實驗成果可靠 但物理模型往往要占用巨大的實驗場地 耗費 大量設備 材料和人力 費用高 物理模型的建造難以滿足模型在外界條件變化時多方案 比較的要求 就是設法改建模型進行多方案的比較 其周期也相當長 另外 為了滿足 場地要求 模型一般做成變態模型 而變態模型在比尺選取上存在一些問題至今仍未解 決 數學模型具有投資少 周期短 靈活性大且不受場地及儀器設備限制等優點 近幾 十年來 數學模型獲得了長足發展 首先隨著計算機貯存量增大 計算速度的加快 從 而選擇最佳方案 一維數學模型 3 4 明一般用于研究長河段長時期的河床變形 在理論及實 踐上都比較成熟 國內外使用很普遍 二維數學模型主要用于研究短河段短時期的河床 變形 經用野外實測資料檢驗 己能近似反映實際情況 現在比較常見的方法是一維 二維嵌套進行河段沖淤模擬h 6 刪對于水庫下游極限沖刷深度計算的經驗公式 國際泥沙研 究中心周志得利用2 6 條河流壩下游沖刷的資料的資料 建立了深漲最大沖刷深度與建壩 前后多年平均洪峰流量變化的關系 它可用來粗估壩下游河床深亂的沖刷深度 采用的 判斷指標為 a l 一 g q o 2 式 1 1 其中q 為天然情況下多年平均洪峰流量 q 為建庫后多年平均洪峰流量 當q 0 q 時 表明水庫對水流沒有產生影響 壩下游不會產生沖刷 即當口 0 時 沖刷下切 z 0 1 3 本文的研究內容和方法 1 3 1 研究內容 研究樞紐下游局部沖刷對通航的影響 研究不同頻率洪水下游河床沖淤變化對通航的影響 通過s m s 商用軟件進行數值模擬 計算2 6 年末的河床變化 1 3 2 研究方法 數學模型發展的歷史并不長 但隨著近年來計算機技術的不斷發展 利用數學模型 進行河流模擬的效率和精度也大大提高 數值計算已逐漸成為一個重要的研究手段 但 模型試驗也是研究航電樞紐下游河床沖淤變形的非常重要途徑 以理論分析為基礎 用 第一章緒論 9 一 模型試驗和數學模型成果進行理論驗證是本文的主要研究方法 在模型實驗的基礎上 通過測下游流速 結合理論和實踐 進行深層次分析 l o 第二章河段的白然條件及草街樞紐概況 第二章河段的自然條件及草街樞紐概況 2 1 河段自然條件 2 1 1 河道特點 嘉陵江是長江上游左岸的一條主要支流 發源于陜西風縣東北的秦嶺山脈 經陽平 關入四川 南流至四川廣元市的昭化接納白龍江 在閬中市和南部縣境內分別有東河和 西河匯入 經南充武勝至渠河咀與渠江匯合 于重慶境內合川市又接納涪江形成扇形水 系 過合川后流經背斜地層 形成窄深河谷 自東南流經北碚抵重慶市主城區于朝天門 匯入長江 干流全長1 1 2 0 k m 總落差2 3 0 0 m 平均比降為2 0 5 流域面積1 5 9 8 0 0 k m 2 占長江流域的9 2 1 2 水文泥沙特性 工程河段為嘉陵江下游段 河道由丘陵進入川東山區峽谷地帶 具有典型的山區河 流特征 河道彎曲 寬谷相間 水流湍急 水量豐富 特別是在其上游合川納涪江 渠 江入匯后水量大增 據北碚水文站實測資料統計 該河段最大流量為4 4 8 0 0 m 3 s 最小流 量2 4 4m 3 s 最大流量為最小流量的1 8 3 6 倍 變差系數c v 在o 3 以上 說明嘉陵江河 段洪水來流量變化較大 見表2 1 嘉陵江7 天洪量占1 5 天洪量的6 6 說明嘉陵江洪 峰流量變幅大 嘉陵江一般枯水在1 2 月到次年3 月 中洪水期在4 月到1 1 月份 枯水 流量小 洪水期暴雨集中 來水主要集中在汛期 據北碚水文站統計6 月至1 0 月平均來 流量占全年來流量的7 5 2 可見嘉陵江河段年內水量分配極不均勻 表2 1北碚水文站不同頻率洪峰流量計算成果表 項目洪峰流量m 3 s 均值2 4 6 0 0 參數 c o 3 6 c c 2 5 0 0 2 7 1 7 0 0 0 0 5 6 7 1 0 0 計0 1 6 3 4 0 0 0 2 5 9 7 0 0 算 1 5 0 8 0 0 值 5 4 1 1 0 0 1 0 3 6 5 0 0 2 0 3 1 4 0 0 第二章河段的自然條件及草街樞紐概況旦 2 1 3 河段地形特征 嘉陵江重慶段長1 5 4 m 為嘉陵江中下游段 其中合川至重慶9 5 k m 處于下游段 河道 由丘陵進入川東山區峽谷地帶 樞紐河段上游有鬼見愁峽谷 牛鼻孔峽谷 下游白羊背 峽谷和瀝鼻峽等狹谷 河道彎曲 灘潭相間 兩岸石咀石梁比比皆是 樞紐布置在牛鼻 孔 象鼻子和草街三個連續彎道上 由于處于連續彎道 彎道水流特征明顯 在樞紐上 游河段又有筏平石 方家石磐 三聰等眾多石梁伸入江中 汛期水流紊亂 泡漩洶涌 河段兩岸為基巖構成 河床為基巖和沙卵石組成 河床及河岸穩定 2 2 草街航電樞紐工程概況 2 2 1 工程布置 草街航電樞紐工程是一座以航運 發電為主 兼具灌溉和旅游等綜合效益的樞紐工 程 樞紐建筑物主要由船閘 泄洪閘 沖砂閘 河床式電站廠房等組成 電站裝設四臺 機組總裝機容量為5 0 0 m w 根據選定壩址的地質條件和地形條件 考慮樞紐建筑物的特點和各種綜合因素 設 計單位擬定了三個樞紐布置方案即 1 左廠房 左船閘方案 2 左船閘 右廠房方案 3 左廠房 右船閘方案 綜合樞紐河段地形 地質 施工難易及投資等多種因素 在工 程可行性研究報告審查意見中 推薦采用方案一即左船閘 左廠房為初步設計方案 本 階段水工模型試驗亦以該方案作為試驗的基礎 該方案主要建筑物由船閘 電廠和泄水閘 等組成 從左至右依次為船閘 電站主副廠房 沖砂閘 泄洪閘 固定壩段等建筑物 現對各主要建筑物特征分述如下 船閘 船閘為i i i 級 閘室有效尺寸為1 8 0 m x 2 3 r e x 3 5 m 上閘首為主要擋水建筑物 長4 5 m 頂高程為2 2 2 5 0 m 上閘首門檻高程為1 8 9 2 5 m 閘室長1 8 0 m 寬2 3 m 閘墻頂 高程2 0 7 8 0 m 閘室底高程1 7 4 o o m 下閘首長4 5 m 頂高程與閘墻一致 上引航道長約3 6 0 m 采用對稱型布置 依次布置了1 8 0 m 導航段 1 6 0 m 調順段然 后以r 6 7 0 m 半徑向左偏轉與上游主河道相接 引墻頂高程2 0 7 8 0 m 引航道底高程 1 8 9 2 5 m 引航道口門寬7 8 m 下引航道亦呈對稱型布置 同樣由導航段 調順段 停泊 段組成 引墻頂高程為2 0 6 7 0 m 內導墻長約4 6 0 m 外導墻長約3 4 0 m 口門寬7 8 m 下 引航道底高程為1 7 4 o o m 船閘輸水型式 采用側墻長廊道兩區段縱支廊道頂縫加消能蓋 板出水型式 船閘上游最高通航水位 根據 船閘總體設計規范 j t j 3 0 5 2 0 0 l 的要求 采用洪水頻率1 0 的水位 其相應流量為3 6 5 0 0 m 3 s 相應上游最高通航水位為2 0 6 1 4 m 下游最高通航水位采用相應頻率1 0 的相應