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三峡水库淤积计算预测与原型实测结果比较分析

文档格式:DOC| 14 页|大小 906.50KB|积分 15|2023-04-27 发布|文档ID:204681346
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  • 三峡水库淤积计算预测与原型实测成果比较分析作者:卢金友 黄悦摘要: 在分析三峡工程蓄水运营10 a以来水库淤积规律的基本上,对长江科学院在三峡工程初步设计、技术设计以及三峡后续工作规划等不同阶段的水库淤积预测成果与三峡工程蓄水运营以来库区淤积量、淤积分布以及排沙比的实测成果进行了对比分析成果表白,各阶段预测的水库淤积规律与实测的相似,由于预测采用的入库水沙条件及水库运用方式与三峡工程运用以来实际发生的差别较大,因此预测的库区淤积量及排沙比较实测的大,如近似将预测采用的入库水沙条件换算至与实际发生的相近时,则预测成果与实测值接近,表白预测采用的数学模型及预测成果是可靠的此后需进一步研究揭示水库泥沙运动机理,改善和完善预测模型,并随着实测资料的积累,对数学模型进行不断地率定与改善,以提高预测精度核心词: 淤积量;淤积分布;排沙比;对比分析;三峡水库中图分类号: TV145 文献标志码: A 文章编号: 1001-5485() 12-0001-06Research Advances in Translational Landslide’s Mechanism and Risk MitigationFANG Yi-li1,MA Ming1,LI Cong2,ZHU Jie-bing2Abstract: Translational landslide is a special mode of slope instability.Its slip surface is of extremely gentle angle or even counter-inclined,and its instability mechanism is inconsistent with traditional limit equilibrium theory.Research on the translational landslide hazard and the risk mitigation measures is of great significance.In this paper,the recent research findings and advances in China and abroad are reviewed from five aspects: main features of translational landslide,formation conditions of translational landslide,formation mechanism of translational landslide,threshold criterion of translational landslide and risk mitigation associated with translational landslide.On the basis of the critical review,problems in the current researches are examined.The trend and prospect of the research are also discussed from the above five aspects.Key words: translational landslide;formation mechanism;risk mitigation measures;threshold criterion三峡工程具有防洪、发电、航运、灌溉等综合效益,水库正常蓄水位175 m,防洪库容221.5亿m3。

    水库蓄水运用后库区将发生大量泥沙淤积,库容减少,变动回水区洪水位抬高,直接影响水库长期使用和综合效益的发挥为此,在三峡工程可行性论证、初步设计、技术设计以及三峡工程后续工作规划等各个阶段,水库泥沙问题都被列为需要解决的核心技术问题之一为此,长江科学院采用多种研究手段和措施对水库泥沙淤积问题进行了大量研究,为工程设计、建设与运营提供了科学根据本文在分析三峡工程运营以来水库泥沙冲淤规律的基本上,重点对比分析了不同阶段库区泥沙淤积量、淤积分布及排沙比等数学模型计算预测成果与10 a来实测成果的差别及因素,为数学模型的改善和预测精度的提高提供参照1 三峡水库调度方式及运营过程三峡工程于6月进入围堰蓄水期,坝前水位按汛期135 m、枯季139 m运营4 a汛后进入初期蓄水期,坝前水位按汛期144 m、枯季156 m运营2 a汛末开始进入175 m实验性蓄水期,9月28 日开始蓄水,起蓄水位145.27 m,至11月4 日达到最高水位172.80 m,之后水位基本稳定在170 m左右运营1月1 日至6月20 日,坝前水位由169.17 m逐渐消落至145.31 m,汛期坝前水位基本控制在144.9~ 146.5 m之间;9月15 日开始蓄水,起蓄水位145.87 m,至11月24 日坝前水位达到171.43 m,为实验性蓄水最高蓄水位;汛期8月初水库进行了一次防洪运用,坝前水位达到153.53 m(8月9 日),拦蓄洪量42.7亿m3。

    1月1 日至6月10 日,坝前水位由169.39 m消落至146.5 m如下;汛期(6月10 日至9月9 日) 水库进行了7 次防洪调度,最高库水位161.02 m,合计拦蓄洪量264.3亿m3,汛期平均库水位为151.54 m;9月10日水库开始蓄水,起蓄水位160.2 m,至10月26 日坝前水位初次蓄水至175 m,之后库水位维持在174.5 ~175 m 之间1月1 日至6月14 日,坝前水位从174.66 m逐渐消落至145.66 m,汛期水库实行了4次中小洪水调度,拦蓄洪量247.16亿m3,最高运营水位为153.84 m;9月10 日水库开始蓄水,起蓄水位152.24 m,至10月31 日库水位蓄至175.0 m1月份坝前水位即开始从174.67 m逐渐消落,至6月14 日坝前水位下降至最低145.39 m,汛期水库实行了4 次洪水调度,拦蓄洪量200 亿m3,最高运营水位为163.11 m,其中7月24日三峡水库迎来蓄水成库以来的最大洪峰71 200m3 /s,经水库削峰拦洪,最大下泄流量44 100 m3 /s;9月10 日,三峡水库开始蓄水,起蓄水位158.92 m,至10月30 日蓄水位达到175.0 m。

    此外,三峡水库还开展了生态调度和水库减淤调度实验图1 为三峡工程蓄水运用以来坝前水位过程图可以看出,蓄水后三峡水库实际运营方式与初步设计拟定的运营方式有所不同: 一是初期蓄水期较短;二是实验性蓄水期的汛期实行了中小洪水调度,坝前水位抬高较多;三是实验性蓄水期汛后蓄水时间提前2 三峡工程运用以来库区泥沙淤积状况2.1 三峡工程运用以来入库水沙条件至,三峡工程平均年入库水量3 680亿m3,较蓄水前近年平均值3 972 亿m3 减少7.35%,其中、为小水年,、为丰水年,这10 a来水总体偏枯;平均年入库沙量1.9亿t,与蓄水前近年平均值4.6亿t 相比减少了59%,其中和入库沙量至少,仅为1.0亿t,入库沙量最多的也只有2.54亿t总的来看,三峡工程蓄水以来的10 a,入库水量较蓄水前有所减少,入库沙量减少较多,只有蓄水前近年平均值的41%[1]三峡水库入出库水沙及库区泥沙淤积量见表12.2 三峡工程运用以来库区总淤积量三峡水库6月蓄水至12月,入库悬移质泥沙19.008亿t,出库悬移质泥沙4.64亿t(黄陵庙站),不考虑三峡库区区间来沙,水库淤积泥沙14.368亿t,近似年均淤积泥沙1.44亿t(见表1)。

    按地形法记录,三峡水库3月至10月,干流库区铜锣峡—大坝累积淤积13.666亿m3为比较输沙量法和地形法的计算成果,运用—三峡库区淤积物干密度观测成果对—库区淤积量进行了换算比较[2],成果表白,根据输沙量法计算—寸滩—大坝段淤积泥沙12.0亿t;根据断面法,铜锣峡-大坝段淤积11.9亿m3,采用干密度实测值分段进行换算,得到淤积量为11.6亿t,与输沙量法计算成果基本吻合由图1、表1 看出,三峡库区泥沙淤积与入库水沙及坝前水位关系密切,相似入库水量条件下来沙量多,则库区淤积量相应增长;相似来水来沙条件下库区淤积随坝前水位抬高而增长汛后坝前水位按156 m运营,汛期水位按144 m运营,比围堰期水位高9 m,库区淤积量也相应多些,如的来沙量比的少,而淤积量则比的多;9月水库按175 m实验性蓄水,汛期水位、蓄水位都相应抬高,库区淤积量也随着增长,如,,的来沙量比的少,而淤积量则比多15% ~ 30%如将6月至12月、—和—分别近似地作为135 m围堰蓄水期、156 m初期蓄水期和175 m实验性蓄水期,则3 个时段的淤积量分别为4.703亿,3.551亿,6.114亿t,分别占总淤积量的32.73%,24.72%和42.55%。

    近似年均淤积量分别为1.176亿,1.776亿,1.529亿t2.3 干流库区淤积量分布三峡水库蓄水运用后,大部分泥沙淤积在常年回水区(清溪场如下),水库运用至末,干流库区(朱沱—大坝) 合计淤积14.368亿t,其中清溪场如下淤积13.21亿t,占干流库区淤积量92%,清溪场以上淤积1.158亿t,约占干流库区淤积量的8%[1]具体淤积量及分布见表2库区泥沙重要淤积在宽谷河段和深槽宽谷段淤积量占总淤积量的90% 以上随着水库蓄水位逐渐抬高,回水末端逐渐上延,变动回水区相应浮现泥沙淤积,但淤积量相对较少,占干流库区总淤积量比重较小2.4 出库排沙比三峡水库6月蓄水运用至末,年平均排沙比为24.4%实测成果表白,蓄水后年际间出库排沙比变化较大,除受来水来沙条件的影响外,蓄水方式变化及汛期水位、蓄水位抬高也有直接的影响围堰蓄水期坝前水位维持在139 ~ 135 m 运营,出库排沙比平均为37.0%,其中因入库水小沙少,特别是汛期基本无大流量,入库流量不小于25 000 m3 /s 仅4 d,最大流量只有29 700 m3 /s,致使出库泥沙很少,排沙比仅为8.7%,其他年份在38% ~ 41% 之间;初期蓄水阶段,水库按156 ~144 m方式运营,汛期水位、蓄水位均相对围堰蓄水期抬高,排沙比大幅度减小,约15% ~ 23%,平均为18.8%;汛后水库按175 m实验性蓄水,除小水少沙外,出库排沙比在14% ~ 21% 之间,由于汛期实行中小洪水拦洪,排沙比相对正常运营状况小,其中拦洪次数较多,排沙比较小,实验性蓄水期平均排沙比为16.1%。

    3 三峡水库泥沙淤积预测成果自三峡工程论证以来的不同阶段,长江科学院运用自行研制开发的数学模型对三峡水库不同方案的泥沙淤积进行了大量计算预测,为工程设计、建设与运营提供了科学根据本文选用三峡工程初步设计、技术设计和三峡后续工作规划阶段(正常蓄水位175 m、汛期限制水位145 m和枯季消落低水位155 m) 方案计算预测的代表性成果与蓄水以来实际淤积状况进行比较分析3.1 计算条件3.1.1 计算范畴干流自合江至三斗坪,全长779km;嘉陵江自合川至入汇口,长92.7km;乌江自武隆至入汇口,长68.6km3.1.2 计算初始地形初步设计阶段计算初始地形采用1960年实测地形,技术设计阶段采用3月实测地形,三峡后续工作规划阶段采用11月实测地形3.1.3 计算水沙条件初步设计阶段选用1961—1970年干流寸滩站和乌江武隆站实测水文系列(简称60 系列),该系列涉及了丰水丰沙、中水中沙、少水少沙等不同典型年这10 a的水、沙量平均值与近年(1953—1984年) 平均值接近(见表3)技术设计阶段除采用60 系列计算外,还采用上游来沙减少的1991—系列(简称90 系列) 进行了计算,该系列寸滩+ 武隆站年均水量较60 系列减少7.1%,而沙量则减少了25.9%(见表3)。

    鉴于近期长江上游来沙大幅度减少及金沙江溪洛渡、向家坝等大型水库即将建成运营,三峡后续工作规划阶段计算时前6 a(10月至12月) 入库水沙条件采用近期—水沙系列,该系列寸滩+ 武隆站年均水量较60 系列减少12%,而沙量则减少了57.1% (见表3) ;后来入库水沙条件采用90年代水沙系列,并考虑三峡水库上游建库拦沙3.1.4 计算时段划分时段划分以基本能反映年内水沙变化过程为原则每个水文年划分为80 个时段,其中汛期流量大或变化大时取1 d 为1 个时段,其他根据水位、流量变化状况划分时段,枯期最长的时段为10 d3.1.5 水库调度方式三峡水库采用“蓄清排浑”的方式运用,水位按175,145,155 m方案的调度方式为: 汛期(6—9月份) 库水位维持在汛期限制水位145 m,腾空库容,以满足防洪需要,同步进行排沙;汛后入库沙量、水量减少,水库采用高水位175 m运用,以求得较大的发电和航运效益;汛前1—4月份的枯水期,为了满足航运规定,库水位维持在枯水期消落水位155 m以上,保证航运的畅通,同步水库泄水以满足保证发电出力和坝下游航运规定;此后逐渐减少,至6月10 日降至汛期限制水位145 m。

    各阶段水库运用初期计算采用的水库调度方式为: 初步设计阶段水库运用初期10 a坝前水位按156,135,140 m方式运用技术设计阶段水库运用初期10 a蓄水位逐渐上升,6月至9月,坝前水位按139,135 m方式运用;10月至9月,坝前水位按156,135,140 m方式运用三峡后续工作阶段,水库运用初期10月至9月按156,144 m方式运营1年;10月至12月水库按正常蓄水位175,145,155 m方式运用,入库水沙条件采用近期—水沙系列年3.2 计算预测成果由于三峡水库运用后可用于比较的资料只有10 a,因此,如下仅给出各阶段发布的水库运用初期的预测成果3.2.1 初步设计阶段预测成果初步设计阶段计算预测水库运营前30 a水库淤积85.7亿m3,淤积绝大部分在涪陵如下的常年回水区,占总淤积量的95%[3]计算预测水库运用初期10 a平均排沙比为29.9%,库区淤积量按入、出库沙量记录,年入库沙量5.09亿t(寸滩+ 武隆,1961—1970年平均值,见表3),年出库沙量按排沙比29.9% 计,约1.52亿t,库区淤积量3.57亿t3.2.2 技术设计阶段预测成果入库水沙按60 系列计算,水库运用10 a末,干流库区淤积28.9亿m3,其中涪陵如下常年回水区淤积量占干流库区总量的93%,涪陵以上淤积量占干流库区总量的7%;入库水沙90 系列计算,水库运用10 a末,干流库区淤积16.77亿m3,其中涪陵如下淤积量占干流库区总量的94.5%,涪陵以上淤积量占干流库区总量的5.5%。

    预测成果详见表4[4]3.2.3 三峡后续工作规划阶段预测成果计算成果表白,三峡水库运用6 a(10月至12月),库区总淤积量7.48亿m3,其中变动回水区(涪陵以上) 淤积0.51亿m3,占库区总淤积量6.8%[5]4 三峡水库淤积计算预测成果与蓄水运用以来10 a实测成果比较本文比较所采用的水库淤积计算预测成果均摘自长江科学院各阶段公开刊登的研究报告[2-4],三峡水库蓄水运用以来10 a实测成果直接引用长江水利委员会水文局发布的监测成果[1]4.1 淤积量比较三峡工程初步设计阶段计算预测水库运用初期10 a,入库沙量年均5.09亿t,出库排沙比为29.9%,库区年淤积量3.57亿t,是实测值1.44亿t 的2.48倍技术设计阶段计算预测水库运用初期10 a,入库沙量为60 系列时,三峡水库淤积28.9亿m3,年均淤积2.89亿m3,是实测值1.37亿m3 的2.11倍;入库沙量为90 系列时,库区年淤积1.677 亿m3,较实测值大22.7%三峡后续工作规划阶段入库沙量为近期—系列时,计算预测三峡水库运用至末(汛末至) 库区淤积量7.48亿m3,年均淤积1.496亿m3,较实测大9.4%。

    综上可见,不同阶段预测的库区淤积量较实测值大,重要受入库沙量变化的影响,淤积量与入库沙量呈正有关,当入库沙量与实际蓄水的来水来沙环境相近时,库区总淤积量与实测值接近4.2 淤积分布比较三峡水库蓄水运用至,大部分泥沙淤积在常年回水区,按输沙量法记录,涪陵如下常年回水区淤积量占干流库区的92%,涪陵以上变动回水区淤积量占干流库区的8%初步设计阶段60年代水沙系列预测,水库运用30 a末,涪陵如下淤积量占干流库区的95%,涪陵以上淤积量占干流库区的5%技术设计阶段60水沙系列预测,水库运用10 a涪陵如下淤积量占干流库区的93.1%,涪陵以上淤积量占干流库区的6.9%;90 水沙系列预测,水库运用10 a涪陵如下淤积量占干流库区的94.5%,涪陵以上淤积量占干流库区的5.5%三峡后续工作规划阶段近期水沙系列预测,涪陵如下淤积量占干流库区的93%,涪陵以上淤积量占干流库区的7%预测与实测对例如表5 所示成果表白,三峡水库运用初期10 a计算预测的水库淤积分布与实测的分布基本接近,变动回水区淤积量占总淤积量的比例预测较实测略小4.3 出库排沙比比较初步设计阶段预测水库运用10 a年均出库排沙比为29.9%,实际运营10 a的排沙比均值为24.4%,可见初步设计阶段预测出库排沙比较实际运营的大5.5个百分点。

    4.4 影响水库泥沙淤积预测精度的重要因素综上比较可见,三峡水库库区总淤积量预测值比实测大0.09 ~ 1.48倍,淤积分布及排沙比也存在一定差别影响水库泥沙淤积预测精度的因素重要有对水库泥沙输移规律的结识、边界条件及水库运用方式等3 个方面河流上修建水库后,库区形成了与天然河流完全不同的水流条件,水深大幅增长,水流从库尾天然状态至坝前几乎静止,这种大水深强不平衡水流条件下的泥沙输移规律与天然河流有很大差别,如水流和泥沙传播规律变化、细颗粒泥沙絮凝作用、水流挟沙力、变动回水区推移质泥沙运动规律、坝前段异重流形成与运动规律等这些基本问题虽然以往也进行过许多研究,但结识还不够进一步,因此,以往水库淤积预测模型中尚未考虑细颗粒泥沙絮凝作用、异重流等对水库淤积的影响,水流挟沙力等多为基于天然条件获得计算公式,对参系数做某些改善、率定,这些都对预测精度带来影响,需要结合观测资料进一步揭示水库泥沙运动机理,改善和完善预测模型预测采用的水沙条件、河床泥沙构成、库区地形等边界条件对水库淤积预测成果影响较大,特别是入库水沙条件三峡水库预测采用的入库水沙条件与近10 a的实际条件有较大变化,特别是入库沙量差别较大。

    预测采用20 世纪60年代水沙系列年,入库沙量较三峡水库实际蓄水以来10 a的来沙量大1.68倍,其库区淤积量比实测大1.48倍;预测采用20 世纪90年代系列年,入库沙量较实测大0.98倍,库区年淤积量差别相应缩小,库区淤积量预测值较实测值大22.7%;预测入库沙量采用近期水沙系列年,入库沙量较实测大14.9%,库区年淤积量预测值较实测值大9.4%因此库区淤积量与入库沙量关系密切,入库沙量大,库区淤积量亦大;入库沙量与实测来量变化小,则库区淤积量预测值与实测值相差亦小,表白不同步期预测的库区淤积量基本上是合理的以初步设计阶段预测成果为例,若预测的入库沙量按实测比例减少,库区淤积量将比实测值少20%左右,再考虑入库水量的差别、实验蓄水期提前蓄水、汛期限制水位抬高1.5 m左右及中小洪水调度等运营方式的差别,库区淤积量预测值与实测值差别将不不小于±20%水库运用方式对水库淤积影响也比较大,特别是对排沙比影响相对更大三峡水库预测采用水库蓄水方式与实际运营蓄水方式存在较大差别初步设计阶段水库运用初期10 a坝前水位按156,135,140 m方式运用;技术设计阶段水库蓄水前4 a坝前水位按135 m运用,后6 a按156,135,140 m方式运用;三峡后续工作规划阶段水库初期运用5 a(汛末至) 坝前按175,145,155 m方式运用。

    而实际运营中坝前水位前4 a按139,135 m方式运用,中间2 a按156,144 m方式运用,后4 a水库进行实验性蓄水,按175,145,155 m方式运用按水库淤积与蓄水方式的关系推算,库区淤积预测应比实测少,排沙比应较实测大,与实际有出入,这是预测的淤积量因入库沙量大而被掩盖,排沙比预测不小于实测与上述分析吻合这也间接阐明水库蓄水方式对库区淤积量的影响相对较小,对排沙比的影响相对较大,三峡水库蓄水10 a实测成果(表1) 也阐明这种趋势水库排沙比同样也与水库运用方式和来水来沙条件密切有关初设阶段预测计算时,水库初期运用10 a所采用的调度方式为156,135,140 m,与实测运营10 a有较大差别,并且、汛期水位远高于145 m,最高水位分别达到161.02,163.09 m,较初步设计预测采用的145 m抬高了16 ~18 m,是排沙比相差5.5个百分点的重要因素另一方面是这10 a中遇上、2 个小水少沙水文年,特别是汛期流量不不小于30 000 m3 /s(最大流量为29 700m3 /s,最大流量为27 400 m3 /s),汛期“排浑”几率甚少,与预测的条件差别较大,致使预测的排沙比不小于实测值。

    5 结语水库泥沙输移规律的研究水平、边界条件及水库运用方式等是影响水库淤积预测精度的重要因素三峡工程不同阶段水库淤积计算预测成果与蓄水以来10 a实测成果比较分析表白,预测的水库淤积规律与实测的相似,淤积量及排沙比较实测的大,除与水库泥沙输移规律结识不够进一步外,重要是预测所采用的水沙条件与蓄水以来实际的入库水沙条件差别较大,以及水库运用方式的差别所致;库区淤积量与入库沙量关系密切,入库沙量大,库区淤积量亦大,入库沙量与实测来量差别小,则库区淤积量预测值与实测值相差亦小,表白以往不同阶段的预测成果是合理可靠的,所采用的数学模型是可靠的;此后尚有待需进一步揭示水库泥沙运动机理、改善和完善预测模型,并随着实测资料的积累,对数学模型进行不断的率定、改善,以提高预测精度参照文献:[1]长江水利委员会水文局.三峡水库进出库水沙特性、水库淤积及坝下游河道冲刷分析[R].武汉: 长江水利委员会,.(Bureau of Hydrology of CWRC.Analysis on Features of Incoming and Outflowing Water and Sediment Discharges,Reservoir Sedimentaion and Downstream Scouring of TGP in [R].Wuhan: Changjiang Water Resources Commission,.(in Chinese))[2]长江水利委员会水文局.三峡水库进出库水沙特性、水库淤积及坝下游河道冲刷分析[R].武汉: 长江水利委员会,.(Bureau of Hydrology of CWRC.Analysis on Features of Incoming and Outflowing Water and Sediment,Reservoir Sedimentation and Downstream Scouring of TGP in [R].Wuhan: Changjiang Water Resources Commission,.(in Chinese))[3]黄煜龄,梁栖蓉.三峡水库泥沙冲淤计算分析报告[R]∥交通部.长江三峡工程泥沙和航运核心技术研究专项研究报告集(下册) .武汉: 武汉工业大学出版社,1993.(HUANG Yu-ling,LIANG Qi-rong.Numerical Calculations and Analysis of TGP Reservoir Sedimentation and Erosion [R]∥Ministry of Communications.Collection of Research Reports on Key Issues of Sediment and Navigation for TGP of the Yangtze River(Vol.2) .Wuhan: Wuhan Industry University Press,1993.(in Chinese))[4]黄悦,卢金友,胡向阳.水库淤积计算分析报告[R].武汉: 长江科学院,.(HUANG Yue,LU Jin-you,HU Xiang-yang.Numerical Calculations and Analysis on TGP Reservoir Sedimentation[R].Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute,.(in Chinese))[5]长江科学院河流研究所.三峡工程建成后长江中下游水沙及河湖冲淤变化预测[R].武汉: 长江科学院,.(River Department of Yangtze River Scientific Research Institute.Numerical Prediction on Changes of Water and Sediment Discharge and Sediment Deposition and Scouring in the Middle and Lower Yangtze River after Impounding of TGP[R].Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute,.(in Chinese))作者简介: 卢金友(1963-),男,浙江仙居人,专家级高档工程师,研究生,重要从事河流泥沙、河道整治、江湖治理等方面的研究。

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