建坝后坝下游的冲刷过程

水库蓄水运用后，部分泥沙淤积在库区，下泄水流的含沙量不同程度地减少，坝下游河道因来水来沙条件改变而经历较长时期的冲刷过程，主要表现在下列几个方面。

（一）河床的冲刷

水库蓄水运用后，坝下游河道发生长距离冲刷，冲刷最强的部位逐步下移，河床冲刷达到平衡后，随着水库来沙变化转为回淤或冲淤交替，河道经历冲刷—平衡—回淤—新的平衡过程。

水库下泄水流的含沙量较建库前河道水流含沙量减小，水流挟沙力有富余，冲刷河床，含沙量沿程恢复。一般说来，只要床面泥沙补给充分，水流含沙量从次饱和状态恢复至饱和状态的距离不长。

均匀沙不平衡输沙计算式为^[6]：

当水流挟沙能力沿程不变时，（5-1）式写为：

式中：S0和S为进口断面和计算断面的含沙量；和S*为进口断面和计算断面的水流挟沙力；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速；L为进口断面与计算断面间距；q为单宽流量。

图5-37　汉江中下游各站悬移质粒配的变化

设进口断面含沙量为零，即S0=0，则：

按式（5-3）估算，由进口断面水流含沙量为零恢复至挟沙能力基本饱和，所需距离也不太长。

由于河道的床沙组成不均匀，各组泥沙粒径变化幅度较大；另一方面，床沙组成沿程变化规律一般是由粗变细，而且变化幅度也较大；此外，水流沿程冲刷过程中悬移质与床沙会发生交换，粗颗粒泥沙淤下，床面细颗粒泥沙被带走，因此，水流挟沙力沿程增大，含沙量沿程恢复的距离很长，河道相应发生长距离冲刷。河道冲刷过程中，水流含沙量沿程增加，悬移质粒径沿程变细；同一断面的水流含沙量随着冲刷历时增长而变小，而悬移质粒径则变粗（表5-15、表5-18、图5-37）。自丹江口水利枢纽工程1959年施工截流以后，坝下游黄家港至皇庄段河床发生冲刷，冲刷河段长达240.2km；1968年水库蓄水运用以后，含沙量沿程增加，至1972年，皇庄至仙桃段河床已出现冲刷，坝下游冲刷段总长达464.7km（表5-19）。

表5-18　汉江中下游各站悬移质的中值粒径　单位：mm

注　表中均为相应粒径计法的粒径值。

表5-19　汉江中下游的冲淤量　单位：万t

续表

坝下游河道冲刷量与枢纽下泄水沙情况，以及坝下游河道河床形态、河床组成等多种因素有关。一般以坝下游河道冲刷量与水库淤积量的比值即冲淤比作为一项特征值来表示坝下游冲刷强度。若以水文站沙量平衡法分别估算水库淤积量和坝下游河道冲刷量，1968～1986年19年中，丹江口水库淤积量为9.5亿t，坝下游黄家港至仙桃段冲刷量为4.2亿t，冲淤比为0.44。

万安水利枢纽从1984年11月～1989年11月为第一期导流施工期，1984年11月一期右岸围堰建成，河宽缩窄至全河宽的2/3；1989年11月二期左岸围堰建成以后为第二期导流施工期，全部水流改由底孔下泄；1990年11月水库蓄水，首台水轮机组发电。枢纽施工以来，坝下游河道发生长距离冲刷，根据枢纽至老虎滩长72.5km河段1984～1996年（其中枢纽至百家为1978～1996年）河道地形资料分析（表5-20、图5-38），总的冲刷量为1491.9万m3，平均河长冲刷为205.7m3/m；冲刷量自上游往下游递减；由于受河道形态、河床组成和支流入汇影响，冲刷段下游局部河段发生淤积^[7]。大坝至百家长21km河段冲刷量达711.8万m3，平均河长冲刷为339m3/m，其中又集中在坝下游6km河段，同期冲刷量为344.4万m3，平均河长冲刷为574m3/m。

图5-38　万安枢纽大坝至老虎滩河段冲淤的分布

葛洲坝枢纽修建前，坝下游从枢纽至虎牙滩，全长23.5km的宜昌河段（图5-39），长期以来处于冲淤相对平衡状态。1981年1月大江截流，葛洲坝枢纽第一期工程建成运用，坝前水位抬高至60～66m以后，水库淤积，宜昌河段低水河槽明显冲刷，1980年6月～1988年12月冲刷1827.0万m3（根据实测地形图计算，河段长度20.45km，其中包括砂石骨料开采量），平均河长冲刷893.4m3/m。葛洲坝水库1988年达到淤积平衡以后，库区处于冲淤交替状态。与此相应，宜昌河段的冲淤变化受水库冲淤变化影响，库区冲刷时，宜昌河段淤积；库区淤积时，宜昌河段冲刷（表5-21、图5-40）。1988年11月～1994年12月为冲淤交替，仍以冲为主，冲刷1241.8万m3。自1980年6月～1994年11月累计冲刷3199.8万m3（包括砂石骨料开采量），平均河长冲刷1362m3/m。1998年长江遇大洪水，汛期葛洲坝水库发生较强冲刷，全库区冲刷量达5342.2万m3，宜昌河段则发生较大淤积，1997年8月～1998年9月共淤积3261.2万m3，平均河长淤积1388 m3/m。1998年汛后退水较快，流量较小（10月、11月平均流量仅为13700m3/s和7780m3/s），宜昌河段冲刷量不大，1998年9月～12月仅冲刷40.2万m。1999年又出现较大洪水，宜昌河段冲刷较剧，1998年的淤积物大部分被冲走。2000年汛期流量不大，宜昌河段大量淤积，但当年汛后退水很慢，流量又较大（10月、11月平均流量达21500m3/s和10600m3/s），汛期淤积物全部被冲走。1980年6月～2000年12月宜昌河段累计冲刷2733.8万m3，平均河长冲刷1163m3/m。据调查资料，葛洲坝水利枢纽施工期间，在宜昌河段开采大量建筑砂石骨料，1981～1987年一枝笔至虎牙滩范围内共开采1902.2万m3，折算为密实体积为1359万m3，而1980年6月～1987年11月宜昌河段冲刷1794.6万m3，砂石骨料开采量占同期河床冲刷量的75.8%。

表5-20　万安水库下游河道的冲淤量　单位：万m3

注　1.“-”号为冲，“+”号为淤。
2.中段括号内数值中，首段5.19km为1978～1992年统计值。
3.下段括号内数值为1978～1992年统计值。

图5-39　宜昌至枝城河段的示意图

图5-40　葛洲坝库区及宜昌河段的冲淤量

表5-21　葛洲坝枢纽下游宜昌河段的冲刷量及水库的淤积量　单位：万m3(www.xing528.com)

①　近坝段和上段冲淤总和。
②　为1999年和2000年库区冲淤总和。

（二）坝下游河道同流量的水位降低

图5-41　各站汛期水位与流量的关系

（a）黄家港站；（b）襄阳站；（c）碾盘山站

坝下游河道冲刷部位主要位于主河槽内，河漫滩范围的冲刷很少，因此相应的中、枯流量下的水位较建库前有不同程度降低，洪水期由于过洪断面相对增加不多，同流量的水位变化不大，甚至因滩地杂草丛生或筑堤围垦，洪水位反而有所抬高。丹江口水利枢纽1958年9月动工兴建，1968年蓄水运用，根据坝下游各水文站的枯期水位流量关系历年变化分析，位于大坝下游6km的黄家港站，枢纽施工期末1967年流量1000m3/s时的水位较1960年下降1.3m，至水库蓄水运用后的1985年，水位累计下降1.64m，以后相对稳定（表5-22、图5-35）；坝下游109km的襄阳站，水库蓄水以后同流量水位开始下降，1985年以后变化不大；坝下游240km的皇庄站和距坝465km的仙桃站，90年代以来同流量的水位变化也较小。水库蓄水后洪水期同流量的水位较建坝前变化不大或略有抬高（图5-41），原因在于丹江口水库调洪作用较大，中水期延长，中水位以上的滩地过流时间短，易繁殖巴茅草，增大了滩面糙率；有的河段则因修建围堤，缩窄过洪断面，如皇庄下游的大柴湖垦区等。

表5-22　汉江中下游各站水位的累计下降值　单位：m

注　流量为1000m3/s。

葛洲坝水利枢纽兴建前宜昌站水位流量关系相对稳定。枢纽开工兴建以来，中、枯水期同流量的水位明显下降，高水期则变化不大。枯水期同流量的水位变化大致可分为4个阶段（图5-42、表5-23）。第一阶段为1970～1981年4月第一期施工阶段，其中1976年以前水位主要随当年水情及河床冲淤状态变化而变化；1976年以后，主要受砂石骨料开采影响，枯水位明显下降，以相应流量4000m3/s的水位作比较，1976年11月～1981年4月，较1973年设计水位流量关系线下降0.43m。第二阶段为1981～1990年4月，受水流冲刷和砂石骨料开采的影响，同流量的水位继续下降0.72m，累计下降1.15m；第三阶段为1990年11月～1998年4月，河床相对稳定，水位变化不大，同流量的水位累计下降1.11m；第四阶段为1998年汛期以后，宜昌河段河床回淤，1999年初水位回升0.54m，以后又有所下降。

图5-42　宜昌站流量4000m3/s相应水位历年的变化

表5-23　宜昌站枯水期各级流量的水位　单位：m

注　葛洲坝枢纽下游设计最低通航水位39.0m的相应流量为3200m3/s。

万安水利枢纽1990年运用后，由于坝下游河床冲刷，枯水期同流量的水位明显下降。坝下游2.3km的西门水文站，1996年相应流量165m3/s的水位较1986年下降1.04m（图5-43）；坝下游16km的栋背水文站仅下降0.08m^[8]。

图5-43　西门站水位与流量的关系

综上所述，水利枢纽修建后，坝下游河道中、枯水期同流量的水位较建坝前有不同程度的降低，其下降幅度与坝下游河道沿程长距离冲刷、近坝段局部冲刷和建筑砂石骨料开采等因素有关。丹江口、葛洲坝和万安枢纽施工期同流量水位下降幅度都较大，砂石骨料开采是主要原因之一。例如丹江口枢纽下游黄家港站水位下降1.3m（1960～1967年，相应流量为1000m3/s），而1960～1968年大坝至黄家港站之间冲刷量为1170万m3，其中砂石骨料开采量约为400万m3，占总冲刷量的34.2%；葛洲坝枢纽下游宜昌站水位下降0.72m（1981～1990年，相应流量为4000m3/s），而1980～1987年宜昌河段冲刷为1794.6万m3，其中砂石骨料开采量为1359万m3（1981～1987年），占总冲刷量的75.8%。

与沿程河床冲刷及水位下降同时，河床比降与水面比降均相应变缓。丹江口水库下游大坝至茨河段长82km，枢纽施工期水面比降逐年变平缓（表5-24），1968年后变化不大。茨河至襄阳段长27.5km，为卵石河床与沙质河床的交接段，水面比降则有所增大。襄阳至仙桃段长355km，建库后水面比降也较建库前明显变缓。葛洲坝枢纽第一期工程建成运用初期，宜昌河段水面比降有调平趋向，但随着河床冲刷相对平衡，水面比降则又有增减（表5-25）。

（三）床面粗化

在水流冲刷河床过程中，由于水流具有较强的输沙能力和河床由粒径不均匀的泥沙组成，床面颗粒较细的泥沙被水流带走，粗颗粒部分留下，或因上游粗颗粒泥沙下移，床面泥沙级配变粗，形成床面泥沙粗化层。床面粗化具有如下特点。

表5-24　丹江口水库下游各河段水面比降的变化

注　1956～1959年为建库前，1960～1967年为施工期，1968～1985年为蓄水后。

表5-25　宜昌河段沿程的水位变化　单位：m

（1）从粗化形成机理分析，床面泥沙粗化分为两种：一是本体粗化，床面的细颗粒泥沙被水流以推移或悬移形式带走，较粗颗粒留下，床面形成粗化层；二是外源粗化，被水流挟带进入本河段的悬移质中粗颗粒泥沙与本河段细颗粒床沙交换，前者沉落在本河段床面上，或上游河段卵石、砾石等较粗泥沙以推移形式进入本河段，与当地较细床沙交换，使床面粗化。丹江口水库下游大坝至襄阳段，河床由沙夹卵石组成，至20世纪80年代，床面已全部由卵石组成。而襄阳至宜城河段床面由中细沙组成，卵石深埋床面以下，至80年代，主槽床面由卵石、砾石所覆盖，其来源为部分来自局部深槽冲刷，部分则是上游河段推移至本河段停积。据1997年4月实地调查，宜城下游30km的郭海营河段也出现卵石滩，说明卵石仍继续下移。坝下游各水文站的床沙中值粒径见表5-26，床沙级配曲线见图5-44。

表5-26　丹江口水库建成前后各站的床沙中值粒径　单位：mm

图5-44　黄家港及襄阳站床沙级配的变化

（2）与冲刷过程相应，床面粗化过程也是自上游往下游发展。粗化程度与水流泥沙条件、床沙组成不均匀性、水库运用历时等因素有关。由于天然河道床沙组成一般均是自上游向下游变细，卵石为主的河段粗化过程历时较短，粗化幅度最大，沙夹卵石、砾石河段次之，沙质河床段最小；同一河段内主槽粗化过程历时较短，边滩和沙洲部分历时较长。