三峡枢纽：坝区河势规划与布置优化

葛洲坝水利枢纽运行20年的实践证明，研究枢纽所在的坝区河段建坝前后的河势变化规律，制定坝区河势规划，据此进行枢纽总体布置，才能充分发挥枢纽的综合效益。三峡水利枢纽是大型水利枢纽，在不考虑其上游干支流新建水库和水土保持工程拦沙效果的条件下，枢纽运用约70年，水库淤积方达到初步平衡，坝区河段的河势调整将经历较长的过程。1970年12月葛洲坝工程动工兴建以来，结合葛洲坝枢纽蓄水后的可能变化，研究三斗坪坝址（现选用坝址）和太平溪坝址的枢纽布置方案。汲取葛洲坝水利枢纽设计经验，将坝区河势规划与枢纽布置研究紧密结合，同步进行。1983年选定三斗坪坝址后，枢纽可行性论证和设计过程中，开展坝区泥沙实体模型试验，进一步从坝区河段水流、泥沙冲淤和河势变化等方面研究枢纽布置方案。

（一）坝区河段的特性

三峡水利枢纽坝区河段的范围是根据枢纽运行后对其上下游影响程度和河道特性等因素确定的。枢纽所在的三斗坪弯道为一河谷开阔的右向弯道，其上游为庙河—太平溪左向弯道，其中庙河至偏岩子段河谷较窄，偏岩子至太平溪河谷较开阔；庙河稍上为崆岭峡，河谷宽仅400m，建坝后仍具有较强的控制河势作用。三斗坪弯道下游为河谷开阔的乐天溪左向弯道，弯道末端至莲沱为峡谷顺直段，也具有控导河势作用。因此，坝区河段范围确定为上起庙河，下至莲沱的晒经坪，全长32km（图4-17）。

坝区河段内有众多碛坝和礁石。三斗坪弯道的中堡岛分江流为两汊，右汊为支汊，枯季断流。坝区河段内两岸均有多处溪沟入汇，沿岸有山嘴、礁石形成控导水流或挑流节点，如九岭山和狮子包，燕长红和垭子冲均为对称的节点。

坝区河段处于葛洲坝水库常年回水区的中段，葛洲坝水利枢纽建成初期1981～1982年，淤积量最大，以后年淤积量减少，1986年坝前水位抬高至66.0m后，淤积量又明显增加，1990年开始达到冲淤相对平衡。按伍相庙至乐天溪长13.23km河段统计，1979～1993年断面平均淤积面积4385m2，占1979年原河道平均断面面积的17.8%。平均淤积厚度5.85m，主河槽最大淤积厚度达45m，断面淤积形式多为沿湿周淤积。河段冲淤达到相对平衡后，年内冲淤变化呈汛期冲刷、枯期淤积的规律，年际冲淤变化呈大水年冲、小水年淤的规律。

（二）坝区河势规划与枢纽布置

1.坝区河势规划

三峡水利枢纽由大坝、电站和通航建筑物三个主要部分组成。选定的坝轴线位于三斗坪弯道的中段，从坝区河势的角度枢纽布置应考虑如下因素。

（1）为保持三峡水库大部分有效库容可以长期使用，水库调度方式为汛期降低坝前水位至防洪限制水位，并利用泄洪建筑物泄洪排沙。由于泄洪建筑物泄洪量大，排沙数量大，而且包括悬移质和推移质在内的不同粒径泥沙，泄洪坝段宜布置在主河槽内，并采用孔口高程较低的深孔结合溢流表孔泄流。

（2）坝区河段主河槽的走向与河谷走向基本一致，近坝段河谷两岸无突然放宽和收缩段，泄洪坝段布置在主河床，可使建坝后坝区上游主流线位置总体上不至于出现重大改变，同时有利于保持坝区下游段主流线与建坝前基本一致。

（3）电站布置在泄洪坝段的两侧。

（4）从上下游引航道进出口与主流线的衔接平顺要求考虑，通航建筑物宜布置在左岸。

2.枢纽总体布置

通过各时期对三斗坪坝址枢纽布置方案的研究，根据坝区河势规划、建筑物运行要求和坝址的地形、地质、水文特性，对枢纽总体布置得出下述结论。

（1）大坝宜采用混凝土重力坝，泄洪坝段位于主河床，并采用深孔结合表孔的布置，满足泄洪、排沙和河势的要求。

（2）施工导流采用分期导流方式，即利用中堡岛有利地形布置纵向围堰，右岸布置导流明渠，分期进行左、右岸大坝和电站建设。

（3）电站厂房从土建工程量和投资、施工和运行方便考虑，以充分利用两岸河滩分别布置坝后式厂房最为经济合理。

（4）从上下游引航道进出口条件及运行方便、节省工程量和投资出发，通航建筑物布置在左岸。

根据上述认识，1983年以来通过枢纽整体水工模型和坝区泥沙模型试验论证，最终选定枢纽总体布置方案为：溢流坝位于主河槽，设23个溢流深孔和22个表孔；溢流坝两侧为左、右电厂；左岸设五级双线船闸和升船机。位于升船机右侧的施工期临时船闸改建为冲沙闸（图4-18）^[3]。

（三）坝区河段的河势及泥沙冲淤的变化

三峡水利枢纽建成后，坝区河段河势及泥沙冲淤将经历较长时期的变化过程。长江科学院、南京水利科学研究院和清华大学的坝区泥沙实体模型对此分别进行了试验研究，取得了基本一致的认识［1、2］。

1.坝区的河势(www.xing528.com)

图4-18　三峡水利枢纽的平面布置图

枢纽运用后，坝前水位较建坝前抬高75m以上，原有部分山嘴节点控制河势的作用消失，深槽与礁滩逐渐被淤平，沿岸泥沙淤积物形成新的河床边界，坝上游河段整体河势朝平顺微弯方向发展；由于溢流坝位于原河床深槽，其上游来流受左岸偏岩子、太平溪和九岭山岸线的控导作用，近坝段形成左向弯道，随着深泓线逐步左移，蛋子石以下边滩相应淤长。枢纽运用76年，汛期主流线及深泓线距上游防淤隔流堤头约300m（表4-5、图4-19）。

表4-5　三峡枢纽坝区上游段的淤积量及其形态特征值

注　H为断面平均水深，B为断面河宽。

图4-19　三峡枢纽坝区上游段的主流线变化

2.坝区河段的泥沙淤积过程

从整个坝区上游段泥沙淤积过程分析，淤积速率在枢纽开始运用至54年间最大，以后淤积缓慢（表4-5、图4-20、图4-21）。

横断面淤积过程表现为：第一，枢纽运用开始至54年间，原河床深槽淤积相对最多，枢纽运用32年时已基本淤平，随后全断面继续淤积，形成新的深槽（图4-21、图4-22），枢纽运用54年后，断面调整幅度已较小；第二，在淤积过程中横断面形态包括宽度和深度等特征值均相应调整，特别是近坝的宽谷段，重新塑造出适应坝区来水来沙条件和枢纽调度运用方式的相对平衡断面，其边界均为淤积物组成。

图4-20　三峡枢纽坝区上游段的淤积量变化过程

图4-21　三峡枢纽坝区上游段平均过水面积的变化过程

图4-22　三峡枢纽坝区上游段典型横断面的变化

表4-5列出三峡水利枢纽运用各时期防洪限制水位145m下的坝区平均过水面积和宽深比，各模型的过水面积试验值相近，平均值为17500m2，河相系数以宽深比表示，各模型的数值有一定差异，为1.07～1.64。表4-6列出坝下游荆江河段自然情况下的断面过水面积和宽深比［17］。从水沙条件比较，坝区上游段与上荆江较为接近，但坝区河段在枢纽运用70年时的含沙量和悬移质粒径较上荆江小；而从边界条件比较，坝区上游段的河岸是在淤积过程中重新塑造的，其抗冲性较上荆江现状的河岸组成差，但坝前水位受枢纽泄水建筑物控制，汛期一般流量下均保持在防洪限制水位，来流增大时，坝区上游段一方面通过加大水面比降，另一方面通过河床冲刷以加大过水断面来增大过流能力；而一般天然河道汛期流量增大时，还可通过抬升水位来宣泄洪水。从以上分析总体来看，坝区上游段过水断面的面积将略大于上荆江，宽深比则小于上荆江。

表4-6　荆江河床形态的特征值

注按宜昌流量3万m3/s的水面线量算；B为平均河宽，H为平均水深。