葛洲坝水库淤积问题分析与解决

（一）水库概况

葛洲坝水利枢纽位于湖北省宜昌市境内的长江三峡西陵峡出口——南津关下游2.6km处，控制流域面积约100万km2。枢纽全长2606.5m，最大坝高47m，坝顶高程70m，横跨葛洲坝和西坝两个江心洲。三峡水利枢纽建成后，葛洲坝水利枢纽承担改善三峡大坝至宜昌间的航道，对三峡电站日调节非恒定流进行反调节和利用河段落差发电的任务，是三峡水利枢纽的重要组成部分。

葛洲坝水库处于长江三峡河段，设计总库容为15.8亿m3，属峡谷型水库（图3-21）。库区河段上起重庆市奉节县的关刀峡下口，下至葛洲坝枢纽坝址，全长210km，其中进库段22km，变动回水区112km，常年回水区76km（其中三峡枢纽坝址至葛洲坝枢纽坝址为38km）。按坝前水位66m推算，水库静库长约200km，库区呈现出宽窄相间的形同藕节状的平面形态，其中峡谷段长约88km，库面宽一般为200～300m，最窄处仅160m；宽谷段长约122km，库面宽一般为500～800m，最宽可达1200m。峡谷段横断面一般呈“V”形河槽，宽谷段则呈“U”形和“W”形河槽。库区河床纵剖面呈锯齿状，起伏急剧，一般可达20m，最大可达70m。库底有多处低于吴淞零点高程，水深达100m以上。

图3-21　葛洲坝水库库区的平面图

（二）水库运用情况

葛洲坝水利枢纽工程1970年12月26日开工兴建，枢纽工程分二期进行，一期工程包括三江航道、二号、三号船闸、三江冲沙闸、防淤堤、二江电厂、泄洪闸等工程，于1981年1月4日大江截流，同年5月开始蓄水运用，6月二、三号船闸通航，7月二江电厂1号机组发电运行，1983年7月二江电厂7台机组全部运行。二期工程包括大江电厂、大江航道、一号船闸、大江冲沙闸等工程，1986年1月大江建筑物开始挡水，1986年6月大江电厂第一台机组即8号机组发电，1988年12月大江14台机组全部运行，1990年5月1日大江航道工程开始试运行，1991年11月27日整个枢纽工程全面竣工。

水库调度方式采用定水头运用^[4]，其设计蓄水位、设计洪水位和设计航运水位均为66.0m，相应设计洪水位的坝址设计洪峰流量为86000m3/s；校核洪水位为67.0m，相应坝址校核洪峰流量为110000m3/s。实际水库运行水位考虑诸多因素变化幅度为66.0m±0.5m。

（1）当流量小于110000m3/s大于86000m3/s时，库水位可不受上述限制，但三江挡水前沿最高水位不得超过67.0m。

（2）当流量大于设计最小通航流量3200m3/s时，水库泄放总流量不应小于3200 m3/s。当来流量小于最小通航流量3200m3/s时，原则上按来流量下泄。

（3）库水位在特殊运行条件下，库水位下降日变幅和速率分别控制在1.5m/d和0.3 m/h。

葛洲坝水库的库水位运用情况，1981年5月开始蓄水，6月5日坝前水位蓄至60m；1982年6月中旬坝前水位为62.5m，同年11月中旬至1983年5月中旬因配合施工又降至60m；1983年5月中旬坝前水位蓄至63.5m；1986年二期工程运行后，坝前水位逐步抬高，到1987年汛期后各年均全年维持在66.0m±0.5m运用。

（三）葛洲坝水库的泥沙淤积

水库蓄水运用后，库区受回水顶托影响，水面比降和流速等水力因素减弱，水流挟沙能力降低，泥沙必然在库区发生淤积。而水库的淤积量除了受到上游来水来沙的数量及过程等影响外，还与水库的边界特性及库水位的运用等有关。

1.淤积量及淤积的分布

（1）淤积量年际的变化。葛洲坝库区淤积量从坝前到奉节的关刀峡口，全长210km。从1981～2000年，根据20年的淤积测量资料，库区共淤积泥沙1.165亿m3，年平淤积量为0.0583亿m3，见表3-17。其中，一期工程运用期间（1981～1985年），库区淤积1.40亿m3；二期工程运用期（1986～1992年），库区淤积0.055亿m3；三峡工程施工期（1993～2000年），库区发生冲刷达0.298亿m3，主要是1998年长江大洪水的影响，该年冲刷量达0.534亿m3。

水库除1981年（淤积0.805亿m3）和1998年（冲刷0.534亿m3）为大淤大冲外，其余各年的冲淤量均不大，一般在±0.2亿m3以内。1994年出现历史典型小水小沙年，加上受三峡工程坝区施工弃渣影响，淤积量也较大，达0.490亿m3。

从表3-17中计算的水库拦沙率（计算中淤积物干容重采用1.3t/m3）和排沙比可知：葛洲坝水库的多年平均拦沙率仅为2.18%，而奉节至宜昌的区间产沙量多年平均约占宜昌站输沙量的4%。

（2）淤积量的年内变化。为研究汛期与枯季库区冲淤变化情况及其规律，选择坝前至太平溪（G35断面）约45km库段开展专门观测，因该段有峡谷段（23.8km）和开阔段（19.6km），具有代表性。观测从1983年9月开始，主要加测汛期固定断面。经计算可得上年12月至当年9月及当年10～12月的冲淤量。因1～4月入库总沙量不到1000万t，故上年12月至当年9月的测次可反映汛期冲淤情况，而10～12月的测次反映了汛后的冲淤情况。经计算得表3-18。宜昌站来水来沙情况是：上年12月至当年9月（表中统计当年1～9月），径流量平均达3517.7亿m3，占全年的79.3%，而输沙量平均为47928万t，占全年的91.4%；当年10～12月径流量平均仅为924.6亿m3，占全年的20.7%，而输沙量平均为4402万t，占全年的8.6%。汛期水流含沙量建库前为1.30kg/m3，建库后为1.36kg/m3；汛后水流含沙量建库前为0.56kg/m3，建库后为0.48kg/m3。可见在统计的年限内，蓄水后汛期出库沙量和含沙量稍有增加，汛后出库沙量和含沙量有所减少。

表3-17　葛洲坝水库淤积量及来水来沙量的年际变化

表3-18　葛洲坝水库坝前至太平溪库段的年内冲淤变化

注　1.冲淤量中，“-”表示冲刷，“+”表示淤积。
2.蓄水前平均值统计年限为1974～1980年，蓄水后统计年限为1983～1989年。

从表3-18知，该库段处于常年回水区近坝段，一般在9月底以前均要经历长江的大流量期，因库区水力因素减弱很小，与蓄水前相似，即表现出“汛期是河道”的特性，水流的挟沙能力仍很强，故该库段不仅不淤积，反而将前期部分淤积冲刷出库。汛后10～12月，水库的入库流量骤减，使库区水力因素有较大的减弱，即反映出“枯季是水库”的特性，又该段靠近坝前，水流挟沙力很小，故泥沙在库内落淤。1986年是历史少有的小水小沙年份，汛期洪峰流量很小，加上该年水库抬高了坝前水位，因而出现了汛期淤积的情况。

通过上述观测分析，除特殊的水沙等条件外，葛洲坝水库冲淤呈现“汛期冲刷、枯季淤积”的水文年周期变化特性。

（3）库区淤积平衡的分析。水库1981年开始蓄水，运用至1992年，库区经过10余年的冲淤和调整，全库段达到了淤积相对平衡，其淤积量为1.46亿m3；若仅从全库区冲淤量上看，水库运用到第3年（即1983年）库区淤积量即达到1.24亿m3，到1985年淤积量达到1.40亿m3，说明库区淤积经过3～5年就总体上已基本达到相对平衡，见图3-22。

图3-22　葛洲坝库区各库段的累积冲淤量

虽然库区总体上达到淤积相对平衡，但各段达到淤积相对平衡的时间不一致，常年回水区峡谷段到1984年达到淤积平衡，而开阔段直到1988年才出现冲刷情况，个别河段仍处于累积性淤积。常年回水区最大累积淤积量达1.81亿m3（表3-19）。

变动回水区，开阔段和峡谷段在1982年达到淤积平衡，之后则出现了长时间的冲刷过程，变动回水区累积最大冲刷量达0.112亿m3（表3-19）。

表3-19　葛洲坝水库各库段的冲淤量（1981～1992年）

上述分析表明，尽管水库在运用3～5年后总体上就达到了淤积相对平衡，但各段因边界条件不同，达到平衡的时间也不一致。总的说来，进库段仍基本保持天然条件的冲淤变化特性，变动回水区比常年回水区先达到淤积平衡，峡谷段比开阔段先达到淤积平衡。

（4）淤积的分布。关于淤积平衡条件下的淤积量分布，水库蓄水运用至1992年底，库区经过近12年的运用达到了淤积平衡，其库区各段的淤积分布是：水库常年回水区（G0—G51）共淤积15260万m3，变动回水区（G51—G107）共冲刷285.5万m3，进库段河道（G107—G118）基本上处于天然状态，该河段累积冲刷426.6万m3，平均冲刷率为20.7万m3/km，全库区（G0—G118）共淤积泥沙14550万m3，平均淤积率为69.3万m3/km（表3-20）。两坝间（即葛洲坝枢纽与三峡枢纽之间）河道（G0—G30）的淤积量为10150万m3，占常年回水区淤积量的66.5%，占水库总淤积量的67.8%，平均淤积率为265.6万m3/km。可见两坝间是水库的主要淤积库段。

关于淤积沿程分布，统计不同时期各典型库段的累积冲淤量，见表3-20、表3-21、图3-23。就库区形态而言，开阔段（80.16km）是主要的淤积库段，该段淤积量（1981～1998年）占全库区部淤积量的90.3%；峡谷段（87.54km）和过渡段（42.2km）仅占9.7%。就库区回水影响而言，常年回水区（76km）是主要的淤积库段，占116.8%，变动回水区（112km）和进库段（22km）从水库运行二期开始，已逐步转为冲刷的趋势。(www.xing528.com)

表3-20　葛洲坝水库各库段的累积冲淤量

关于淤积沿高程分布，因库区河床深泓高程最低可达-40m，汛期水面线最高可达128m，故库区的淤积高差达168m。淤积沿高程的分布列于表3-22。

在一期工程运用阶段期间，从-40～80m之间均发生了淤积，80～128m之间则产生了微弱的冲刷。淤积沿高程的分布变化是，从-40～60m高程之间，淤积沿高程增加而增加，40m以上淤积迅速减少，80m高程以上则出现冲刷。其中0～60m之间的淤积量占总淤积量的92.5%。

表3-21　葛洲坝库区淤积量的沿程分布　单位：万m3

表3-22　库区淤积量沿高程的分布　单位：万m3

二期工程运用至1993年期间，该期间水库淤积进行了调整而达到平衡，淤积沿高程的分布是：高程0～-40m之间的深坑仍有少量淤积，0～50m之间的主槽发生了冲刷，而50m以上主河槽两岸高边滩部分，因坝前水位抬高，回流（或缓流）区过水面积增大，仍以淤积为主，出现了冲槽淤滩的趋势。

水库淤积平衡后的分布情况，即1993～1998年，因受1998年洪水影响，40m以下深槽出现强烈冲刷，其量达5231万m3。

2.淤积形态

水库淤积形态是库区水流泥沙运动的结果。根据前面分析，葛洲坝水库蓄水后，库区具有“汛期是河道，枯季是水库”的基本特性，即枯季库区水力因素减弱较多，其水流挟沙能力较小，开阔段比峡谷段更小；而汛期虽有减少但较蓄水前而言减小甚微，仍保持着天然河道的水流特性。据实测资料分析，库区淤积形态有如下特点。

（1）淤积纵断面。从淤积量沿程分布图（图3-23）和淤积后的深泓高程变化图（图3-24）看，库区纵断面形态既不是三角洲，也不是锥体和带状，而是与原河床起伏相似的锯齿状。前面已述，形成这种形态的原因是库区淤积主要发生于枯季，汛期大流量时水库则以冲刷为主，故库区的淤积量总体较少，不足以改变原河床纵断面的锯齿状形态。

但水库运用的不同时期，其库区淤积形态变化还是较大的。1985年库区的累积淤积几乎是沿程发生，而到1992年时库区的淤积量更集中于常年回水区。1998年大洪水时，主要冲刷的是常年回水区，其纵剖面形态发生了较大变化，在常年回水区有少数库段已冲至蓄水前的天然床面。

（2）淤积横断面。从实测库区的横断面来看，不同时期淤积形态有较大差别，如图3-25。1985年前，主要是沿横断面湿周发生淤积，且常年回水区的淤积厚度大于变动回水区；到了1992年，常年回水区淤积厚度增加，而变动回水区横断面呈下切趋势；再到1998年，常年回水区又大幅度冲刷，有少数横断面又接近于蓄水前形态。

在峡口上游开阔段，因弯道、石梁、卵石边滩等影响，洪、中、枯水期主流易位的河段，蓄水后水面抬高较多，中枯水时不能归槽，原中枯水河槽成为缓流或回流区，故发生主槽平淤，如三峡工程坝区的G27及香溪附近的G50断面，其中G27断面因三峡工程修建下游航道及隔流堤缩窄江面达500余m。

图3-23　库区淤积量的沿程分布图

3.水库泥沙运动及床沙沿程的分布

（1）天然条件下三峡河段的水流泥沙运动特点。葛洲坝水库处于三峡河段，为典型的山区河道，水流泥沙运动具有流量暴涨暴落、中水历时短、水位变幅大、泥沙输移集中于汛期等特点。

在长江三峡河段，由于河道宽窄相间，在流量涨落过程中，窄谷段因过水面积小，水位涨落大，对上游宽谷段影响较大，主要表现为：第一，涨洪时，窄谷段产生壅水，使上游宽谷段比降变缓，流速减小，水流挟沙能力降低，故泥沙落淤。第二，落洪时，窄谷段的壅水作用逐渐消失，使上游宽谷段水流冲槽，比降及流速增加，前期淤沙（尤其是推移质）起动输移。如三峡中的瞿塘峡为窄谷段，在汛期使上游形成大面积的壅水河段，泥沙大量落淤，奉节站推移质输移量大量减少。但汛后，因窄谷段的壅水作用消失，水流归槽冲刷前期淤沙，故奉节站推移质输移量增加。这种宽窄相间的山区河道的泥沙冲刷、搬运、沉积的不连续性和非恒定性是三峡河段典型的泥沙（尤其推移质）运动特性。

图3-24　库区深泓的纵断面图

（2）水库泥沙运动的特点^[5]。葛洲坝水利枢纽为径流式水利枢纽，出库的水沙量接近于天然时期。水库蓄水后，泥沙输移特性发生变化的主要是推移质部分。

不论是宽谷段还是窄谷段，推移质泥沙输移均受到水库回水的影响，但影响的程度与所处位置有关。在变动回水区，由于受水库回水影响较小，泥沙运动基本上保持天然状况的特性。对于常年回水区，在汛期宽谷段受到窄谷段壅水和水库回水的双重影响，泥沙淤积加剧，在流速较大的主流区仍有少量推移质输移。窄谷段在汛期具有较大流速，推移质输移因受回水影响导致推移能力减弱，加之上游宽谷段输送量减少，使窄谷段推移量亦会减少，故汛期的推移量也很有限。在枯季，常年回水区流速很小，泥沙几乎不会输移。根据库区特性以及实测资料推定，葛洲坝水库库区的卵石多数沉积于变动回水区的宽谷段内，若不遇特大洪水，或不降低库水位运用，卵石则难以进入常年回水区的近坝段。

水库在运用初期，悬移质已基本淤积平衡，而推移质出库量急剧减少，表明库区的推移质淤积未达平衡。进入库区的推移质泥沙，受水库回水影响，沿程淤积分选，与库区床面细颗粒泥沙交换，使粗颗粒泥沙沉积于库内，细颗粒泥沙冲刷出库，即所谓“淤粗排细”。

（3）床沙沿程的分布。葛洲坝水库蓄水前，各河段床沙中值粒径均大于5mm，说明河道多为卵石或卵石夹沙河床。蓄水后，蓄水位每抬高一次，河床组成均发生较大的变化。1981年水库开始蓄水，常年回水区大量淤积，同年底常年回水区河床被淤沙所覆盖，中值粒径细化。南津关至莲沱床沙中值粒径由5.85mm减小到2.37mm，莲沱至三斗坪开阔段由5.62mm减小到1.69～3.05mm；变动回水区下段的秭归至官渡口段，也明显细化；变动回水区上段和水库进库段粒径则保持天然状态。1983年坝前水位抬高至63.5m，常年回水区和变动回水区下段，继续发生大量淤积，河床进一步细化。1986年后坝前水位抬高至66m，水库再次发生较大淤积，床沙粒径继续细化。1987年至三峡工程开工前的1993年，各年床沙时粗时细，总的趋势向粗化方向发展，但量变化较小，床沙以推移质淤积为主。三峡工程动工后，两坝间床沙粒径明显粗化，说明施工对两坝间床沙有一定影响。1998年特大洪水期，河床发生了大量冲刷，过水面积大幅增大，汛后大量的细沙落淤，床沙明显细化（表3-23）。庙河以下河段床沙中值粒径均小于1mm，说明主要是悬移质淤积。

图3-25　葛洲坝水库横断面的淤积形态图

表3-23　葛洲坝水库蓄水后床沙中值粒径的变化　单位：mm

续表

以上床沙粒径变化趋势表明，床沙对水力因子的变化非常敏感。当水位抬高时，过水面积增大，水流流速减缓，使原本能带走的细颗粒泥沙大量落淤，造成河床细化。当断面淤积达到平衡时，来沙与水力因素达到某种动态平衡，床沙也因来水的不同而发生时粗时细的变化。

在常年回水区内，床沙的年内变化是，汛期冲刷，河床粗化；汛后淤积，河床细化。从表3-23可以看出，在水流的分选作用下，床沙中值粒径沿程减小。