研究三峡水库变动对回水区航道的影响

（一）建库前变动回水区河道的概况

三峡水利枢纽正常蓄水位为175m，防洪限制水位为145m，枯水期消落低水位为155m。初期按正常蓄水位156m，防洪限制水位135m，枯水期消落低水位140m运用。枢纽运用各时期水库变动回水区的范围从坝址上游约440km的丰都，至嘉陵江入汇口以上的油溪，全长约270km（图3-53）。

图3-53　三峡水库变动回水区河道的示意图

三峡水库变动回水区河道流经丘陵和山区，地势陡峻，坡陡流急。平均比降约0.2‰～0.3‰，滩险局部比降可达13.3‰。峡谷段中、洪水期水面流速可达5m/s以上，浅滩段枯水期水面流速为3～4m/s。河床由基岩、卵石组成，河岸甚不规则，石盘和岩石突嘴伸向江中。河道内宽谷和峡谷相间，峡谷河段最窄处河宽仅250m，宽谷河段洪水期河宽可达800～1500m，有较大的卵石和基岩碛坝，形成江心洲或边滩。

1.建库前变动回水区河道的演变

建库前变动回水区河道的演变特性，受河道边界条件的制约，以及来水来沙条件的影响，具有如下6个特点。

（1）河道两岸为山岩组成，河道宽窄相间，岸线参差不齐，石盘山嘴突入江中，且河槽为基岩组成，上覆卵石和砂。因此，河道演变过程中，河床边界条件对河道冲淤和河势变化起着控导作用。

图3-54　羊角背弯道的示意图

（2）由于河床边界条件的控导作用，水流运动受到约束，川江的弯道段和汊道段，泥沙冲淤变化具有许多与冲积平原河道不同的特点，如距坝址460km的丝瓜碛河段为一大弯道，深槽靠弯道凸岸（图3-54），汛期主流居中，凸岸深槽受五羊背岸嘴的挑流作用，土脑子一带长约3km的深槽泥沙淤积，1985年实测汛期淤积量达728万m3，最大淤积厚度可达30余m，汛后水流归槽，至当年12月底，淤积物即全部被水流冲走（图3-55）。

图3-55　丝瓜碛河段的1号断面图

汊道段的特点是，主、支汊长期相对稳定。如坝址上游410km的兰竹坝汊道段，左汊为主汊。支汉口门汛期迎流，主汊发生泥沙淤积，航道改在支汉（图3-56、图3-57）。1983年实测汛期主汊淤积量达420万m3，汛后水流集中主汊，淤积物至当年11月底即全部被水流冲走，航道又复走左汊。

图3-56　兰竹坝河段的示意图

图3-57　兰竹坝河段1号断面的变化图

图3-58　臭盐碛河段的示意图

（3）年际间各河段的冲淤部位和冲淤规律保持不变，年内冲淤基本平衡。由于河道岸线稳定，控制了河段内的泥沙冲淤部位，且河道水流挟沙能力富余，一个水文年内泥沙冲淤平衡。一般说来，由于峡谷段的壅水作用，或者凸出岸线的阻水作用，均会导致其上游或下游段发生局部淤积；但在汛末水位下落期，流量较大而水位较低时，即形成所谓走沙水，淤积物被全部冲走。如瞿塘峡上游的臭盐碛河段（图3-58），为川江三大淤沙区（臭盐碛、兰竹坝、土脑子淤沙区）之冠，汛期峡谷壅水较强，加以水流漫滩取直，深槽泥沙淤积，1962年和1963年实测汛期淤积量分别为1718万m3和1583万m3，当年汛后落水期泥沙即被全部冲走（图3-59）。

图3-59　臭盐碛河段1号断面的变化图（1962年）

图3-60　重庆主城区河段的示意图

图3-61　1961年猪儿碛及金沙碛河段的冲淤过程

（4）上述汛期受下游狭谷河段壅水作用的宽谷河段，因岸线突出导致汛期主流线外移形成缓流与回流区，以及局部岸线突出形成的回流区，汛期均发生大量泥沙淤积，其数量高达1700多万m3，平均淤积为400万m3/km，但在汛末水位下落期形成所谓走沙水，淤积物即可大部分被水流冲走。根据实测资料分析，走沙期一般始于每年9月流量减小、水位下降阶段，初期冲刷量较大，以后逐渐减弱，一般持续到枯水期。各个河段的走沙期始末时间与河段形态特性、当年水沙变化过程、其下游壅水条件，以及支流入汇处干支流的汇流比等因素有关。例如臭盐碛河段1962年6月28日至9月12日淤积1718万m3，9月中旬流量降至2万m3/s左右，9月12日至10月23日，大部分淤积物即被水流冲走（图3-59）；位于嘉陵江入汇口附近干流的猪儿碛河段1961年6月12日至8月22日淤积167.2万m3，8月寸滩流量降至2.5万m3/s左右，8月22日至10月4日冲刷94万m3，10月4日至11月3日冲刷8.0万m3（图3-60、图3-61）；位于嘉陵江入汇口的嘉陵江金沙碛河段1961年6月13日至8月23日淤积276万m3，8月23至10月5日冲刷191.6万m3，10月5日至11月12日冲刷48.4万m3（图3-61）；位于嘉陵江入汇口上游10km的干流九龙坡河段，2001年9月寸滩流量降至2.5万m3/s左右开始走沙，9月12至12月12日共冲刷221万m3，其中9月12日至10月中旬冲刷189.4万m3，占总量的85.7%（图3-62）。由此可见，上述九龙坡等河段主要走沙期为每年9月中旬至10月中旬，冲走泥沙量占走沙期冲走泥沙总量的76%～91%，此时段内寸滩站流量为1.2万～2.5万m3/s。

图3-62　2001年重庆主城区河段的冲淤过程

（5）宽谷河段由于局部岸线凸出，分汊段两汊水流汇流点的变动，以及弯道深槽偏靠凸岸等因素，引起河道内主流线在年内汛、枯期较大幅度的摆动，河床相应发生冲淤变化，往往造成航深不足，成为碍航浅滩。例如丝瓜碛弯道的土脑子河段，深槽靠右岸，汛期水流漫滩，主流受五羊背突出岸线的控制而趋中，深槽淤积，航道左移（图3-55）；汛后落水时，航槽右移至原深槽处，若深槽的泥沙淤积物冲刷不及时，则发生碍航。又如上洛碛浅滩处于南屏坝与上洛碛之间的过渡段，汛期卵石淤积，而过渡段下游为一急弯，汛期因水流取直而成为缓流区，引起泥沙淤积（图3-63），若汛后泥沙来不及冲刷，则发生碍航。

（6）川江多处岸线过分局部凹进，形成回流区（俗称回水沱），泥沙冲淤年际和年内均基本保持平衡。如铜锣峡河段的唐家沱和郭家沱回流区，明月峡河段的明月沱，都是较典型的回流区（图3-64）。

图3-63　上洛碛河段的示意图

图3-64　唐家沱回流区的示意图

2.建库前变动回水区滩险的状况

建库前变动回水区河段共有滩险27处（图3-53）。其中嘉陵江入汇口以上11处，即燕子碛、苦竹碛、飘灯碛、红眼碛、小南海、渣角、胡家滩、砖灶子、九龙滩、铜元局和猪儿碛；其中除渣角为枯水险滩外，其余10处均为枯水浅滩。嘉陵江入汇口以下共16处，即铜锣峡、猪牙子、上洛碛、下洛碛、风和尚、王家滩、码头碛、钓鱼嘴、黄草峡、青岩子、和尚滩、土脑子、灶门子、朱字嘴、观音滩、蚕背梁16处。其中铜锣峡、黄草峡、和尚滩、朱字嘴和观音滩5处为洪水急流滩，灶门子和蚕背梁为中水险滩，土脑子为中水浅滩，猪牙子、风和尚和钓鱼嘴为枯水险滩，上洛碛、下洛碛、王家滩、码头碛、青岩子5处为枯水浅滩。

急流滩的形成是由于河床局部地形如岸壁伸出的石梁、河底的石盘，以及山溪泥石流、滑坡等形成的堆积物，造成一定来水条件下出现流速过急、比降过陡及不良流态而影响船舶航行。险滩一般分为两种：一是因河床存在礁石，使航道弯窄而影响船舶航行安全；二是因航道内存在不良流态（泡漩水、滑梁水、扫弯水）而影响安全通航。

枯水浅滩多位于宽阔河段中的顺直段、弯曲段和分汊河段。卵石组成的浅滩，多位于较顺直的过渡段，洪水和枯水航槽基本一致，汛期淤积，汛后冲刷；若汛期淤积量偏大，汛后冲刷不及，则会出浅碍航。沙质浅滩多位于放宽的弯道段和分汉河段的汊道内或碛坝尾部的汇流段内，这些河段洪水和枯水航槽不一致，枯水航槽汛期淤积，汛后冲刷，若汛后未能及时冲开，往往出浅碍航。因枯水浅滩的存在与河道形态和边界条件密切相关，故其冲淤部位和冲淤规律各年基本不变。

（二）建库后变动回水区航道治理的研究

1.三峡水库变动回水区航道问题的研究过程

20世纪60年代初，有关单位开始进行原型观测调查、泥沙数学模型计算和泥沙实体模型试验，研究三峡水库变动回水区航道、港区泥沙问题以及改善措施。1960～1963年长江流域规划办公室荆江河床实验站（现为荆江水文水资源勘测局）对重庆猪儿碛、金沙碛河段和奉节臭盐碛河段河道演变进行观测研究。1960～1964年长江水利水电科学研究院和武汉水利电力学院主持，水利水电科学研究院、南京水利科学研究所、成都工学院和武汉水运工程学院等单位协作，在武汉水利电力学院露天试验场兴建平面比尺500、垂直比尺100的重庆河段模型。试验河段干流从合江至涪陵，长320km，嘉陵江从北碚至河口长60km，研究三峡水库正常蓄水位200m方案卵石推移质淤积对重庆市主城区河段港区、航道的影响。(www.xing528.com)

1983年以来，为配合三峡工程可行性研究和论证，长江水利委员会和长江航道局等单位加强川江河段和长江葛洲坝水库、汉江丹江口水库变动回水区的观测分析，以及国内已建水库的实地调查；有关单位结合三峡水库泥沙淤积和变动回水区河道演变数学模型计算，开展变动回水区泥沙实体模型试验研究，先后兴建9座实体模型（表3-37），对三峡工程建成后重庆市主城区河段、铜锣峡、洛碛—长寿、青岩子、丝瓜碛、兰竹坝等重点河段航道与港口的泥沙问题和整治措施进行试验研究，取得了大量研究成果。

表3-37　三峡水库变动回水区泥沙实体模型概况

2.三峡水库建成后变动回水区的河道演变

通过对丹江口水库、葛洲坝水库以及其他已建水库变动回水区河道演变的长期观测和调查分析，结合多年来有关单位对三峡水库变动回水区河道演变的实体模型试验和数学模型计算研究，对变动回水区河道演变基本特点取得如下认识。

（1）变动回水区河段的河道演变具有天然河道和水库两重属性。汛期由于上游来流量增大，坝前水位因调洪需要而降低，河段呈天然河道状态；非汛期坝前水位抬高至正常蓄水位，河段则处于水库壅水状态。

（2）建库后因汛末水库即开始蓄水，原来天然河道情况下汛末的走沙期缩短，汛期泥沙淤积物不能被水流全部冲走，待翌年汛前坝前水位消落时形成第二次走沙期，泥沙淤积物才能全部或部分被冲走，后者将使河段内发生累积性淤积。

（3）变动回水区汛期河道处于天然非壅水状态，河岸边界条件对河道演变仍起着控制作用，而汛期又是河道冲淤变化最剧烈的时段。因此，建库后变动回水区泥沙冲淤部位与建库前基本相同，宽谷河段浅滩的部位也基本未变，仅冲淤过程与建库前有所不同，当年汛期淤积物要在次年汛前库水位消落时才被冲走。

（4）建库后来水来沙条件的改变对变动回水区河道演变的影响，突出地表现在非汛期河道受壅水影响，河岸边界条件对水流的控制作用减弱，建库前许多为河岸突嘴控制的河段，建库后水流按自身运动规律流动而趋于规顺，河势相应有所调整。例如：建库前主流靠凸岸的弯道段，建库后主流趋中或偏靠凹岸，主流线弯曲半径增大，年内摆动幅度变小，河弯流态趋于规顺；分汊河段建库后也可能因河岸或河床局部地形控制作用减弱，出现主汊和支汊易位，主汊淤塞，分汊河段转变为单槽河段。影响分汊河段主、支汊易位的主要因素为水位壅高程度、主支汊河床高差大小、主支汉口门与来流方向交角即迎流情况、主支汊长度比及汊道段上游河势有无变化等。建库后汛期壅水值大（一般超过4m以上），发生泥沙累积性淤积；主支汊河底高差较小，且支汊处于迎流状态的汊道，发生主支汊易位的可能性较大。

（5）变动回水区河段河道演变综合表现为，建库后均有不同程度的累积性淤积，其淤积量随各段汛期壅水程度不同而异；局部河段发生河势调整，淤滩留槽，河道向单一、规顺、微弯形态发展，航道、港区较建库前有较大改善，少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况。

3.建库后175m蓄水运用初期变动回水区的碍航河段

根据各有关单位对三峡水库正常蓄水位175m运用期变动回水区重点河段河道演变的研究成果，按航道尺度为3.5m×100m×1000m（航深×航宽×弯曲半径）的通航条件，三峡水库正常蓄水位175m运用初期30年变动回水区可能出现碍航的河段和部位，就其碍航性质可分为以下3类［27］。

（1）受泥沙累积性淤积影响，航槽位移或易位，航道或港区水域淤浅，造成碍航需要整治的浅滩有铜元局、猪儿碛、野土地、水葬、大箭滩、洛碛、青岩子共7处；造成码头前沿水深不足影响港区作业而需整治的有朝天门和九龙坡两处港区（表3-38）。

表3-38　三峡水库175m蓄水初期可能发生碍航的河段

（2）由于河床中有礁石和石梁，航道宽度不足200m，或因有滑梁水等碍航水流而影响航行安全，不能满足万吨级船队双线通航条件，可能需要实施炸礁的有重庆主城区、铜锣峡和王家滩等河段江中的碍航礁石。

（3）为实现万吨级船队渝汉直达及相应保证率目标，小于流量2万m3/s时流速、比降即超过万吨级船队自航上驶允许值的碍航河段，有剪刀峡、黄草峡、明月峡、铜锣峡4处。

4.建库后变动回水区重点河段治理的研究

（1）重点河段治理的原则。重点河段治理原则为：“统筹兼顾，综合治理，远近结合，分期实施”。“统筹兼顾”是指变动回水区重点河段的治理应对防洪、航道、岸线利用等方面的要求全面规划，提出河段综合治理规划，以充分发挥河段治理的综合效益。

“综合治理”是指变动回水区治理应采取优化水库调度与整治工程相结合的综合措施。通过优化水库运用调度方案，可以从总体上控制河段的泥沙淤积部位和尽可能减少其淤积数量。三峡工程可行性论证和设计阶段确定三峡水库正常蓄水位175m，防洪限制水位145m，枯水期消落低水位155m调度运用方案中，对于与水库淤积影响最为密切的汛期水库调度方式，有待结合三峡水库的来水来沙特点和其上游干支流新建水库的运用作深入研究；在三峡水库实际运用过程中，还须结合当年的水沙预报，确定年度调度方案。对于影响航道和港区正常作业的局部淤积，则可通过修建整治建筑物和疏浚等措施加以改善。

“远近结合、分期实施”是指三峡水库变动回水区泥沙淤积过程长达数十年，加之其上游干支流还将陆续新建水库，这些水库将有效地延缓三峡水库淤积过程。因此，在选定各河段的治理方案时要远近结合，提出分期实施方案，以节约工程投资，尽快发挥工程效益。有的整治工程项目，例如碍航礁石则可以在水库蓄水前予以炸除，避免蓄水以后水下施工。

（2）重庆市主城区河段整治的设想。重庆市主城区河段从大渡口至唐家沱，全长约37km，包括铜元局、猪儿碛河段和九龙坡、朝天门港区。从大渡口到唐家沱为5个连续弯道，并有嘉陵江入汇（图3-60）。河道宽度汛期宽段一般大于1000m，最宽1400m；窄段一般600m，最窄仅300m，河床由卵石、基岩组成，石梁和礁石较多。

三峡水库坝前水位抬高至正常蓄水位175m运用10年后，重庆主城区河段的九龙坡和金沙碛两个局部河段在不利水沙条件下出现短时间碍航，主要原因是汛期和水位消落期主流线位置不一致，造成港区和航槽泥沙冲淤部位明显变化。汛期主流趋中，港区岸线一带形成大片回流缓流区，导致泥沙大量淤积，翌年遇枯水年水位消落期来流量较小时，淤积的泥沙来不及冲走，影响九龙坡和临江门港区的正常作业。九龙坡港区的整治设想是平顺左岸九龙坡码头区至滩脑壳的岸线，三角碛和九堆子突出的部分开挖至一定高程（图3-65）。嘉陵江金沙碛河段因建库后汛期和水位消落期主流线位置不一致，可能导致临江门码头区淤积和形成嘉陵江口门拦门沙妨碍航行，整治设想是通过在左岸金沙碛修建长顺坝或丁顺坝组合（图3-66），使河段内汛期和水位消落期主流线基本一致，减小右岸临江门码头区淤积，保持航道畅通和港区正常作业。

图3-65　九龙坡河段整治工程的平面布置图

图3-66　金沙碛河段整治工程的平面布置图

（3）铜锣峡河段整治的设想。铜锣峡河段包括铜锣峡、明月峡两个峡谷河段以及广阳坝和中坝两个分汊河段（图3-67）。铜锣峡长约3000m，宽约300m；明月峡长约1500m，宽约450m。在两个峡谷段上下游有唐家沱、郭家沱、明月沱3处回流区。广阳坝和中坝汊道的主、支汊河床高差大，流量约1.5万m3/s时支汊才过流。河段内有水葬和木洞两处浅滩，分别位于广阳坝和中坝分汊河段下游，汛期主流取直，泥沙落淤，汛后若未能及时冲刷，则形成枯水浅滩。铜锣峡是控制船队直航重庆的峡谷段，汛期比降陡、流速大，当流量小于2万m3/s时方能满足万吨级船队的航行条件。

建库后泥沙淤积集中在边滩、支沟、支汊和回水区内，分汊河段主、支汊相对稳定，未出现航槽易位。建库后局部河段航槽移位，如野土地、杨柳沱、红花碛河段主流右移。建库前的枯水航槽淤成边滩，如遇特枯水年库水位消落期，航槽又将归原位。铜锣峡河段整治设想分如下3部分。

1）野土地河段，为改善水位消落期航槽流态，将饿狗堆、猪儿石及其下游的零散礁石炸低至通航要求高程。

2）水葬河段，为扩宽该段枯水航槽，将门闩子石梁炸低至通航要求高程。

3）大箭滩（木洞）河段，为一急弯河段，航道紧贴凸岸。左岸殷家梁突向江中，挑流作用强；右岸小箭滩、大箭滩和横梁等石梁礁石，造成急弯航线。为了改善建库后的航行条件，将上述几处石梁、礁石炸低至通航要求高程。

图3-67　铜锣峡河段的示意图

（4）洛碛—长寿河段整治的设想。洛碛—长寿河段长约31km，新场以上为两个微弯段，新场—木鱼碛为长寿弯道（图3-68）。南坪坝江心洲长3km，宽0.8km，左汊为主汊，右汊在流量1.5万m3/s时才分流。下段忠水碛为卵石江心洲，分江流为左右两汊，左汊为主汉，枯水期分流量达总流量的2/3。建库前本河段有上洛碛、下洛碛、风和尚、灶门子、码头碛5处浅滩及柴盘子、钓鱼嘴两处险滩。

图3-68　洛碛—王家滩河段的示意图

水库175m蓄水位运用后本河段处于常年回水区上段，汛后蓄水期水位较建库前抬高20～25m，汛期抬高4m以上，出现累积性淤积和河势调整。上洛碛和下洛碛浅滩段航槽趋于顺直；忠水碛左汊枯水航槽淤废，王家滩分汊河段转化为单一河段，航行条件均有所改善。本河段的整治设想是将上洛碛和下洛碛新航槽内的五金滩和金钱罐等礁石炸低至通航要求高程。

（5）青岩子河段整治的设想。青岩子河段上起黄草峡，下至剪刀峡，全长约25km（图3-69）。河段进出口均为峡谷段，中部宽谷段中有金川碛和牛屎碛两个分汊段。峡谷段最窄处河宽仅150m，宽谷段最大河宽1500m。河段内有沙湾、麻雀堆和燕尾碛3个主要淤沙区，分别位于宽谷段的回流缓流区、分汊段的洲尾汇流区和峡谷上游的壅水区，建库前汛期最大淤积量达100～200万m3，每年汛后走沙，年内冲淤基本平衡。黄草峡当流量小于2万m3/s时，方能满足万吨级船队的通航条件。

图3-69　青岩子河段的示意图

三峡水库175m正常蓄水位运用后，青岩子河段发生累积性淤积，河道向单一、规顺、微弯方向发展，金川碛汊道段的右汊航槽淤塞，主流移至左汊。由于左汊槽窄和礁石多，进出口均有石梁和暗礁，难以满足航行要求。青岩子河段整治设想是解决金川碛汊道主支汊易位导致的通航问题。设想整治方案有二：一是通过开挖、炸礁石工程措施，开辟左槽通航方案；二是在左汊修建整治建筑物封堵左汊，保持右汊通航方案。