溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算研究

第19卷 第4期 中 国 水 运 Vol.19 No.4 2019年 4月 China Water Transport April 2019 溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算研究 张洪记，陈 磊，黄仁勇 （1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 430072；2.长江科学院，湖北 武汉 430010） 摘 要：采用长江上游梯级水库联合调度泥沙数学模型，开展了溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算研究。研究结果表明：上游溪洛渡、向家坝建库拦沙可大幅度减少三峡水库入库沙量，使得三峡库区淤积强度明显减弱，考虑溪洛渡、向家坝建库拦沙影响后，100年末三峡水库入库沙量可减少40.6%，库区淤积体积可减少30.0%，上游溪洛渡和向家坝水库蓄水拦沙可明显提高三峡水库的调节库容和防洪库容保留率。 关键词：三峡水库；溪洛渡水库；向家坝水库；数学模型；淤积影响 中图分类号：TV141 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）04-0166-03 一、前言 三峡工程是世界上最大的水利水电枢纽工程，也是治理和开发长江的关键性骨干工程。三峡工程泥沙问题是影响水库长期有效使用和综合效益发挥的关键技术问题。目前三峡水库上游干流溪洛渡、向家坝水库已分别于2013年和2012年开始蓄水运用，作为高坝大库，两库蓄水拦沙作用巨大，有效减缓三峡库区淤积速度。开展溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算研究，有利于揭示其拦沙对三峡水库泥沙淤积影响，研究结果可为水库优化调度提供参考。本文采用长江上游梯级水库联合调度泥沙数学模型进行计算研究，模型方程及验证等情况详见文献[1]。 二、溪洛渡、向家坝、三峡水库运用方式 溪洛渡水库规划设计调度方式为[2]：汛期（6月~9月10日）按汛期限制水位560m运行；9月中旬开始蓄水，9月底水库水位蓄至600m；12月下旬~5月底为供水期，5月底水库水位降至死水位540m。 向家坝水库规划设计调度方式为[3]：汛期6月中旬~9月上旬按汛期限制水位370m运行，9月中旬开始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位380m，10~12月一般维持在正常蓄水位或附近运行，12月下旬~6月上旬为供水期，一般在4、5月份来水较丰时回蓄部分库容，至6月上旬末水库水位降至370m。 根据2015年9月水利部批准的《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》[4]，三峡水库调度运用方式为：汛期按防洪限制水位145m控制运行，兴利蓄水时间不早于9月10日，9月10日库水位一般不超过150m，一般情况下，9月底控制库水位162m，10月底可蓄至175m；1月~5月，三峡水库库水位在综合考虑航运、发电和水资源、水生态需求的条件下逐步消落，一般情况下，4月末库水位不低于枯水期消落低水位155m，5月25日不高于155m，收稿日期：2019-02-25 作者简介：张洪记（1979-），男，山东济宁人，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司高级工程师。 基金项目：国家科技支撑计划项目（2013BAB12B01、2013BAB12B02、2013BAB12B04）；国家自然科学基金项目 （51339001）；三峡水库科学调度关键技术研究系列2016年项目。 6月10日消落到防洪限制水位。 三、溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算分析 1．计算条件 （1）计算范围 计算河段范围为干流溪洛渡水库库尾—三峡坝址（图1），长约1,400km。其中溪洛渡库区泥沙淤积计算河段长约207.6km，共选取计算断面59个，平均间距3.52km；向家坝库区计算河段长约156.6km，共选取断面46个，平均间距3.31km；向家坝—朱沱计算河段长279.0km，共选取断面78个，平均间距3.58km，计算中考虑支流横江、岷江、沱江及赤水河入汇；朱沱—三峡坝址段干流长约760km，断面平均间距约2km。 计算中在向家坝坝址至三峡库尾段，支流横江、岷江、沱江及赤水河以节点入汇方式参与水沙计算。在三峡库区段，考虑嘉陵江、乌江、綦江、木洞河、大洪河、龙溪河、渠溪河、龙河、小江（支流小江又包含南河、东河、普里河、彭河等支流）、梅溪河、大宁河、沿渡河、清港河、香溪河等十四条支流入汇。 图1 计算河段示意图 （2）计算方案 本研究拟定a0和a1两个方案，其中方案a0为三峡水库单库运用方案。方案a1为溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响方案。 （3）进口水沙条件 进口边界采用金沙江干流屏山站、支流横江横江站、支112 第4期 张洪记等：溪洛渡、向家坝建库对三峡水库淤积影响计算研究 167 流岷江高场站、支流沱江李家湾站、支流嘉陵江北碚站及支流乌江武隆站等干支流入库站1991~2000年系列天然水沙过程。 2．计算结果分析 （1）三峡水库上游输沙量变化 从表1看，10年、50年、100年向家坝出库沙量与屏山站90系列天然来沙量之比分别为18.54%、21.26%、34.53%，朱沱站建库后沙量与建库前90系列天然来沙量之比分别为36.13%、38.32%、50.70%，三峡入库沙量建库后与建库前90系列天然来沙量之比分别为47.35%、49.18%、59.43%。从空间上看，上游溪洛渡、向家坝建库对金沙江干流来沙影响很大，随着区间支流来沙的逐步加入，对下游水文站的减沙影响在逐步减弱；从时间上看，随着水库运用时间的延长，上游建库的减沙作用也在在逐步减弱。 表1 建库后上游输沙量变化表（亿t） 项目 屏山站 朱沱站 三峡入库（朱沱+北碚+武隆） 天然 向家坝出库 百分比 天然 建库后 百分比 天然 建库后 百分比 10年末 29.45 5.46 18.54% 30.53 11.03 36.13% 36.85 17.45 47.35% 50年末 147.2 31.29 21.26% 152.6 58.48 38.32% 184.2 90.59 49.18% 100年末 294.5 101.7 34.53% 305.3 154.8 50.70% 368.5 219.0 59.43% （2）三峡水库淤积量及过程 从三峡水库淤积量及过程看（表2、图2和图3），三水库联合运用后，上游溪洛渡、向家坝水库蓄水拦沙使三峡水库入库沙量大幅度减少，库区淤积强度明显减弱，10年末和100年末，方案a0库区淤积体积分别为25.90亿m3和144.6亿m3；方案a1库区淤积体积分别为12.97亿m3和101.2亿m3。库区淤积体积分别减少49.9%和30.0%。 表2 方案a0和a1三峡水库淤积量变化表 3项目 入库沙量（亿t） 出库沙量（亿t） 库区淤积体积（亿m）排沙比10年平均值（%） 方案a0 方案a1 方案a0 方案a1 方案a0 方案a1 方案a0 方案a1 10年末 36.85 17.45 10.64 6.19 25.90 12.97 28.87 35.47 50年末 184.2 90.59 75.16 42.58 102.9 52.93 51.98 56.56 100年末 368.5 219.0 214.1 119.5 144.6 101.2 88.04 54.93 150三峡上游无库方案a0方案a03m亿120三峡上游建库方案a1/量积淤90积累方案a16030时间/年00102030405060708090100 图2 方案a0和a1三峡水库累积淤积过程 三峡淤积体积（亿m3）134.9144.61三峡上游无库方案a0三峡上游建库方案a1102.9101.268.7876.8152.9325.934.8412.9710年30年50年80年100年 图3 三峡单独运用与三库联合运用三峡淤积变化比较 （3）三峡水库出库泥沙量及过程 与方案a0相比，1~10年和91~100年，方案a1三峡水库出库沙量10年平均值分别减少41.8%和39.8%，方案a1三峡水库排沙比10年平均值分别增大6.60%和-33.11%。 （4）三峡水库库区冲淤分布 重庆主城区段：该段属变动回水区上段，三库联合调度10年末和100年末，本河段淤积体积分别减少78.9%和78.3%。 朱沱至朝天门段：该段属变动回水区上段，三库联合调度运用10年和100年，本河段淤积体积分别减少94.9%和65.7%。 朝天门至长寿段：该段属变动回水区中上段，三库联合调度运用10年和100年，本河段淤积体积分别减少106.3%和56.9%。 长寿至涪陵段：该段属变动回水区中下段，三库联合调度运用10年和100年，本河段淤积体积分别减少95.2%和40.7%。 涪陵至坝址段：该段属常年回水区，三库联合调度运用10年和100年，本河段淤积体积分别减少46.3%和27.8%。 上游溪洛渡、向家坝建库拦沙使得三峡库区各河段淤积均有明显减少，且涪陵以上的变动回水区淤积比重减少，涪陵以下常年回水区淤积比重增大。 表3 方案a0和a1三峡水库冲淤分布变化表（亿m3） 朱沱- 朝天门- 长寿- 涪陵- 项目 全库区 重庆主城区 朝天门 长寿 涪陵 坝址 10年末 方案a0 0.394 0.568 0.713 23.74 25.90 0.256 方案a1 0.020 -0.036 0.034 12.74 12.97 0.054 方案a0 1.007 1.869 2.286 96.27 102.9 0.693 50年末 方案a1 0.129 0.136 0.408 51.72 52.93 0.129 方案a0 1.596 3.943 3.486 132.8 144.6 1.274 100年末 方案a1 0.548 1.699 2.066 95.90 101.2 0.276 （5）三峡水库泥沙淤积对调节库容和防洪库容影响 三峡水库总库容393亿m3，调节库容165亿m3，防洪库容221.5亿m3。不同方案三峡水库调节库容和防洪库容变化见表4，10年末和100年末，方案a1调节库容可分别多保留0.6%和3.7%，防洪库容可分别多保留1.0%和5.3%。上游溪洛渡和向家坝水库蓄水拦沙可明显提高三峡水库的调节库容和防洪库容保留率。 表4 方案a0和a1三峡水库调节库容和防洪库容变化表 单位：亿m3 运用时期 方案 防洪库容 调节库容 库容损失 库容保留（%） 库容损失 库容保留（%） 10年末 方案a0 3.87 98.2 1.44 99.1 方案a1 1.79 99.2 0.51 99.7 方案a0 14.86 93.3 6.04 96.3 50年末 方案a1 6.47 97.1 2.46 98.5 方案a0 26.39 88.1 12.16 92.6 100年末 方案a1 14.55 93.4 6.03 96.3 （下转第169页） 第4期 曾慧俊：堤防滑坡原因分析及应急加固措施 169 （1）采用简化毕肖普法，假定滑动面为圆弧滑动面。其中施工期已发生滑动破坏的堤防，考虑桥墩桩基的抗滑作用结合现场查勘的实际裂缝走向，滑动面圆弧起点与终点分别布设在堤顶轴线裂缝处与堤脚滑蹋处。 （2）考虑施工扰动的影响，滑坡发生后，采用复勘的土体力学指标。 （3）堤防迎水侧选取设计洪水位（13.91m）骤降期、背水侧选取设计洪水位（13.91m）下稳定渗流期，施工期迎水侧与背水侧选取实际水位（6.5m）。 计算结果见表3。 表3 堤防稳定计算结果 计算工况 计算断面 计算结果 允许安全系数 水位骤降期 原状迎水侧 1.19 1.25 稳定渗流期 原状背水侧 1.21 1.25 施工期实际水位 削坡后迎水侧 1.13 1.15 削坡后背水侧 1.18 1.15 沿着滑动面挖成锯齿形。在每一级深度上应一次挖到位，并且必须一直挖至滑动面以外未滑动土中0.5~1.0m。以便保证新填土与老堤的良好的结合； （4）挖除重新填筑断面如图2所示。在平面上，滑坡边线四周向外沿伸2m范围均应挖除，重新填筑，填筑土的干容重不小于15.5KN/m3，压实度不小于0.91。 图2 加固标准断面 （5）坡面种植草皮，以固定坡面土体，减少雨水冲刷 对加固后的堤防断面及新筑土体强度指标进行稳定计算复核，计算结果见表4，加固后的堤防抗滑稳定系数大于规范要求。 表4 堤防稳定计算结果 计算工况 计算断面 计算结果 允许安全系数 水位骤降期 加固后迎水侧 1.67 1.25 稳定渗流期 加固后背水侧 1.31 1.25 计算结果表明，原状堤防迎水侧与背水侧均不能满足4级堤防抗滑稳定要求，而堤脚处桥墩基坑的开挖则进一步减弱了堤防土体的抗滑力。 综合以上计算分析，可以得出原状堤防地质条件较弱，堤基下软土层较厚，而桥墩基坑施工对堤防土体的扰动，则加剧了土体抗剪强度的下降，加之施工过程中的不当削坡及未及时给予钢板桩支护，导致了堤防迎水侧堤身的滑动。 三、应急处理措施 滑坡发生后，堤身土体已受破坏，强度指标大幅下降，孔隙率增大，如遇降水渗入将进一步降低堤身抗剪强度，可能引发更大范围的滑坡，因此必须及时采取加固处理措施。根据本次滑坡类型、堤防级别、现场施工条件及投资规模，采取挖除滑动体重新回填的加固处理措施。 （1）考虑本工程为应急度汛工程，堤防应急加固设计标准仍按4级堤防标准进行加固； （2）将滑坡范围的堤坡削坡至稳定的坡度（1：3~1：4左右）； （3）挖除从上边缘开始。逐级开挖，每级高度20cm。 （上接第167页） 四、结论 （1）上游两水库拦沙使三峡水库入库沙量大幅度减少，库区淤积明显减弱。10年和100年，三峡水库入库沙量分别减少52.6%和40.6%，库区淤积体积分别减少49.9%和30.0%。 （2）上游溪洛渡和向家坝水库蓄水拦沙可明显提高三峡水库的调节库容和防洪库容保留率。10年和100年，调节 [1]应急加固措施实施后，经历了2014~2018年汛期考验，仍处于稳定状态，证实上述设计方案可行。 四、结语 对于堤身填筑质量一般的堤防，近堤工程施工应充分考虑土体的特性，在设计时留出安全距离，如将桥墩跨度加大，避免开挖范围过大引起堤脚失稳。 近堤工程的施工扰动可能会降低堤身土体的抗剪强度，在稳定计算时可采用折算后的土体力学指标。 参考文献 [1] 董哲仁.堤防除险加固实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，1998：66-67.库容可分别多保留0.6%和3.7%，防洪库容可分别多保留1.0%和5.3%。 参考文献 [1] 黄仁勇，谈广鸣，范北林.长江上游梯级水库联合调度泥沙数学模型研究[J].水力发电学报，2012，31（6）：143-148. [2] 中华人民共和国水利部.《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程[R].2015，9.