探讨坝区泥沙问题的研究内容和方法

坝区河段以坝轴线为界，分为坝区上游段和坝区下游段。坝区上游段是水库的组成部分，一般指坝址至其上游一定长度的库段，该库段的泥沙淤积和河道演变除了受水库水位壅高和水库运用方式的制约外，还直接受到枢纽布置和建筑物运行方式的影响。坝区下游段是指坝址至其下游一定长度的近坝段，该河段的冲刷和河道演变除了因水库下泄水沙条件与建库前不同而发生冲淤变化外，还直接受到枢纽布置和建筑物运行方式的影响。坝区上游段与下游段的长度因枢纽不同而异，与枢纽所在河道特性、水库规模与运用方式、枢纽布置和建筑物运行等因素有关。

坝区泥沙问题研究内容包括坝区河段的河势变化与枢纽总体布置，泄洪排沙建筑物布置，电站引水防沙措施，通航建筑物引航道泥沙淤积及防治措施，港口码头和取水建筑物布置，以及施工期与通航、取水等有关的泥沙问题。

研究坝区泥沙问题，一般采用泥沙实体模型试验、泥沙数学模型计算，以及原型观测调查相结合的研究方法。坝区泥沙问题涉及枢纽泄洪排沙、电站、通航与取水等建筑物的设计、施工与运行有关的泥沙问题，而且坝区河段水流和泥沙运动三维性很强，河道冲淤变化幅度大。解决重大和复杂的水利枢纽坝区泥沙问题，仍应以泥沙实体模型试验作为主要研究方法。泥沙数学模型计算主要为实体模型试验提供试验河段进出口水沙条件和试验方案的筛选，以节省实体模型试验的工作量。对拟建枢纽所在河段的水流泥沙和河道演变特性的原型观测分析，结合对已建枢纽运行前后情况的观测调查，为泥沙实体模型试验和数学模型计算提供基础资料，以及进行同类型枢纽的类比分析。

新中国成立以来，在长江干支流修建了众多水利枢纽。其中长江葛洲坝、岷江映秀湾、嘉陵江宝珠寺、赣江万安等枢纽在建设过程中进行了坝区泥沙实体模型试验，研究有关的坝区泥沙问题。

葛洲坝水利枢纽是首次在长江干流上修建的水利枢纽。就坝区泥沙问题而言，葛洲坝工程的复杂性主要表现以下两方面：一是长江水量丰沛，年输沙总量大，而葛洲坝枢纽是首当其冲承受长江上游大量洪水和泥沙的径流式枢纽，泥沙问题暴露的时间早而且迅速；二是长江航运对航道水流条件的要求十分严格，解决泄洪排沙和电站泥沙问题的同时，必须满足通航标准的要求。20世纪60年代以来，在葛洲坝枢纽建设过程中，为解决坝区泥沙问题，长江水利委员会葛洲坝水利枢纽水文实验站（现为长江水利委员会三峡水文水资源勘测局）在坝区河段开展各项水文泥沙和河道观测，对南津关出峡卵石推移量、异重流、泡漩水和船闸引航道动水冲沙等项目进行了观测研究。同时，由有关科研单位和高等院校先后兴建5座坝区泥沙模型（表4-1），对枢纽布置、船闸引航道和电厂泥沙问题进行试验研究，为枢纽设计提供依据。葛洲坝枢纽运行20年的观测资料表明，坝区泥沙淤积和通航建筑物、电厂运行实际情况与试验研究成果基本一致。

表4-1　葛洲坝枢纽坝区泥沙的实体模型一览表

三峡水利枢纽坝区泥沙问题研究内容主要有：坝区河势变化规律与枢纽布置，通航建筑物引航道布置与防淤清淤措施，电站引水防沙措施以及施工期通航与取水的泥沙问题。坝区泥沙问题的复杂性主要表现在以下两方面：一是水库泥沙淤积达到平衡的历时近百年，增加枢纽泥沙问题预测的难度；二是长江航运对航道水流条件的要求十分严格，解决泄洪排沙和电站泥沙问题的同时必须满足通航标准的要求，例如按拦洪和排沙的要求，汛期坝前水位较正常蓄水位下降幅度较大，对坝区通航不利，加大解决通航问题的难度。(https://www.xing528.com)

1984年以来，为配合三峡工程可行性论证和工程设计，在进行坝区河段水文泥沙、河道观测工作的同时，有关科研单位先后修建6座不同模型比尺和模型沙的坝区泥沙实体模型（表4-2），同步进行试验研究，以便相互印证和相互补充［1、2］。其中长江科学院的模型考虑三峡枢纽与葛洲坝枢纽所在河段水流泥沙和河道特性相近，研究问题的性质相似，且葛洲坝枢纽坝区泥沙模型试验成果的可靠性已为建坝后的实际运行资料所检验，经过用本河段实测资料验证后，采用的各项比尺与葛洲坝枢纽坝区泥沙模型相同；为研究通航建筑物引航道的航行条件，在模型试验过程中还进行了遥控自航船模的航行试验。为研究引航道的防淤清淤和电站防沙工程措施，有关科研单位还建有3座局部泥沙实体模型。泥沙数学模型计算方面，长江科学院的三峡水库一维泥沙数学模型为各坝区泥沙实体模型提供进口水沙条件；清华大学的坝区二维泥沙数学模型对通航建筑物引航道的布置和清淤措施进行了多方案计算研究［1、2］。

表4-2　三峡枢纽坝区泥沙的实体模型一览表

通过葛洲坝枢纽和三峡枢纽工程实践，为坝区泥沙模型设计积累了较多经验。在坝区泥沙模型设计中，除按一般河工模型设计所应遵循的相似基本准则和模型设计原则外，还应注意如下问题。

（1）坝区泥沙模型应力求为正态模型。由于枢纽附近特别是过流建筑物局部水流泥沙运动剧烈，流态复杂，正态模型水沙运动与原型的相似程度较高。若为便于选择模型沙而选用变态模型，其变率宜小于2。

（2）坝区泥沙模型上游进口段位置的选择至关重要。进口段的位置和长度应能满足建库后模型进口段的主流线与原型相似。一般可将模型进口段布置在顺直微弯的狭谷段，该段两岸对水流的控制作用强，建库前后主流线变动幅度较小。

（3）坝区上游段处于水库的最下端，不同粒径的泥沙均可能落淤，坝区泥沙模型的模型沙应模拟入库的推移质和大部分悬移质泥沙，但选择其模拟粒径范围时应考虑细颗粒模型沙固结对起动流速的影响。

（4）对通航标准高的水利枢纽，坝区泥沙模型应力求进行船模试验。选择几何比尺适当的正态模型，在水库运用各阶段，将坝区淤积地形固定，即可进行船模试验，以判断通航建筑物引航道的通航水流条件。