第四章 水库泥沙问题研究
第一节 概述
一、库区河道概况
三峡水库正常蓄水位为175m，相应的库区范围从坝址至上游660～760km（江津至朱沱之间），库区面积1084km2。图4-1为库区朱沱至坝址段的示意图。三峡水库穿行于川东低山丘陵和川鄂中低山峡谷区，根据河道地形地貌特征，库区朱沱至坝址可分为以下四段：
朱沱至江津油溪段，长约100km，两岸为起伏平缓的丘陵，地质构造为宽广的复向斜，没有峡谷，地形平缓，河床开阔，枯水河宽300～500m，洪水河宽600～1000m，河床组成多为卵石，部分河段的江底层为岩盘。
江津油溪至涪陵段，长222km，沿江地势起伏较大。长江自西向东依次横切6个背斜山脉，形成华龙峡、猫儿峡、铜锣峡、明月峡、黄草峡、剪刀峡等峡谷。经过向斜谷地则河谷宽广，故该河段峡谷与宽谷相间，江面宽窄悬殊，最宽处达1500m，最窄处如黄草峡仅250m。峡谷一般不长，江面狭窄，谷坡陡峭，基岩裸露，两岸山峰矗立，高出江面300～400m；宽谷段江面开阔、岸坡缓坦，河道弯曲，两岸山峰距江较远，阶地发育，河漫滩宽，江心常有石岛，岸边则多碛坝。
涪陵至奉节段，长约323km，其中上段长江流向东北，至万州市急转东，到白帝城入三峡。河段内河谷基本沿向斜层发育，流向与构造线一致。谷地宽阔，江面最宽处达1500～2000m，谷坡平缓，河道弯曲，碛坝很多，两岸丘陵起伏，冲沟稠密。万州市以下的巴阳峡，系长江下切石质河漫滩造成，江面窄，水流湍急。奉节稍上是关刀峡，宽仅150～200m，至奉节河谷又放宽。
奉节至坝址长167余km，为著名的三峡河段，由瞿塘峡、巫峡、西陵峡三个主要峡谷段组成。峡谷为中、高山峡谷，峡谷间为低山丘陵宽谷，白帝城至庙河为碳酸盐岩夹碎屑岩中山峡谷库段，庙河至坝址为结晶岩低山丘陵宽谷段。峡谷段江面狭窄，岸壁陡峭，基岩裸露，河宽一般为200～300m，最窄处仅100余m；宽谷段江面比较开阔，岸壁平缓，汛期河宽一般达600～800m，个别达1000～1500m。峡谷上游的开阔段，往往形成峡口滩，呈汛期淤积、汛后冲刷的周期性冲淤变化。两岸溪流入汇，且来沙颗粒较粗，停于溪口，形成溪口滩。滩段或束窄江流，或流势险恶，或形成跌水，成为碍航的急流滩或险滩。葛洲坝水利枢纽修建后，其中大部分滩险已被淹没或得到改善。
图4-1 三峡水库库区示意图
库区河道水位年变幅大，年内水位变幅达30～50m。河道洪峰陡涨陡落，汛期水位日上涨率可达10m，水位日降落率可达5～7m。库区河道水面比降大，水流湍急。江津至长寿河段为2.29‱～1.79‱，随着流量增大而减小；长寿至丰都河段为2.15‱～1.65‱，随流量增大而增大；丰都至奉节河段为1.90‱～0.98‱，随流量增大而减小；奉节至坝址为3.17‱～2.07‱，随流量增大而增大。全库区河道平均水面比降约为2‱，急流滩处水面比降达10‱以上。
库区河道泥沙输移以悬移质运动为主，推移质输移量不大。由于河床比降大，河床大部分又由基岩或卵石组成，故水流挟沙能力有较大的富余。库区河道卵石运动具有明显的不连续性，由于河谷宽窄相间，在峡谷上游的宽阔河段，汛期峡谷壅水，卵石输移率减小，而枯水期则增大；峡谷段则相反。
二、建库前库区河道演变特性
库区河道在建库前的演变特性，受河道边界条件的制约，以及来水来沙条件的影响，具有如下特点。
（1）河道平面和纵横断面形态保持不变，年际间各河段弯道、汊道、深槽和洲滩的冲淤规律保持不变，泥沙冲淤平衡。由于河道河岸稳定，控制了河段内的泥沙冲淤部位，且河道水流挟沙能力富余，一个水文年内泥沙冲淤即可达到基本平衡。一般说来，由于峡谷段汛期的壅水作用，导致其上游段发生局部泥沙淤积，宽谷段汛期主流线变动，或凸出岸线的阻水作用，均会形成缓流区和回流区而发生泥沙淤积。但在当年汛末水位下落期，流量较大而水位较低时，即形成所谓走沙水，淤积物被大部分或全部冲走。臭盐碛、兰竹坝和土脑子淤沙区是川江三大淤沙区，每年汛期泥沙淤积量达数百万立方米，汛期末落水期即被水流冲走。其中瞿塘峡上口的臭盐碛河段，汛期峡谷壅水较强，加以水流漫滩取直，深槽泥沙淤积，1962年汛期实测淤积量达1740万m3，汛期后落水期泥沙即被全部冲走，深槽年内冲淤幅度达20m。有关臭盐碛河段的演变特点详见本章第三节。
（2）由于河床边界条件的控制作用，水流运动受到约束，河道内的弯道段、汊道段以及局部岸线凹进段，泥沙冲淤变化具有许多与冲积平原河道不同的特点。弯道段如距坝址460km的丝瓜碛河段为一大弯道，深槽靠凸岸，汛期主流居中，凸岸深槽受五羊背河岸突嘴的挑流作用，土脑子一带深槽泥沙淤积，1985年汛期实测淤积量达728万m3，汛后水流归槽，当年12月底淤积物全部被水流冲走。汊道段如坝址上游410km的兰竹坝汊道段，左汊为主汊，右汊为支汊，汛期支汊口门迎流，主汊发生泥沙淤积，1983年汛期主汊实测淤积量达260万m3，汛期后水流集中主汊，淤积物至当年11月即全部被水流冲走，主支汊地位长期保持不变。局部岸线过于凹进的河段，形成回流区（俗称回水沱），泥沙冲淤年内保持平衡，如铜锣峡上口的唐家沱和下口的郭家沱，均为长期存在的回流区，沱内建有码头（图4-2）。有关丝瓜碛河段和兰竹坝河段的河道演变特点详见本章第三节。
三、干流库区形态特征
三峡水库受河道地形地貌约束，库面平面形态宽窄相间（图4-3），除坝区段和宽谷河段外，大部分库段库面宽度不超过1000m，宽于1000m的库段大都分布在万州至忠县库段内。水库淤积前干流库区深泓纵剖面变化较大，一般峡谷段深泓高程较低，宽谷段的深泓高程相对较高，平均深泓变幅在11～67m，呈锯齿形态（图4-4）。由图4-4看出，奉节至坝址段的巫峡深泓最低点达到-34m，平均最低与最高点变幅大于77m；丰都河段的灶门子附近深泓最低点达到44.5m，最低与最高点变幅大于80m。按水库蓄水运用前的起始地形和入库流量4100m3/s的水面线计算，相应坝前水位175m的库区各段平均库面宽度及平均水深分述如下。
图4-2 唐家沱与郭家沱位置
图4-3 三峡水库淤积前干流库区库面宽度变化情况
图4-4 三峡水库淤积前干流库区深泓纵剖面图
三峡水库坝区段（太平溪至坝址）库面较宽，坝前水位175m时，平均库面宽度为2387m，平均水深为76.22m。
奉节白帝城至太平溪段主要为峡谷河段，区间有诸多中小支流和小溪入汇，形成较宽的溪口滩。坝前水位达到175m时，该段峡谷段平均库面宽度为684m，平均水深为89.87m；宽谷河段平均库面宽度为1225m，平均水深为92.11m。
万州沱口至奉节白帝城段为开阔至峡谷过渡段，库面宽度比下游段稍宽。坝前水位175m时，峡谷段平均库面宽度为829m，平均水深为66.65m；宽谷段平均库面宽度为1317m，平均水深为65.74m。
涪陵至万州沱口段主要为开阔段或宽谷河段，库面较宽。坝前水位175m时，涪陵至忠县段平均库面宽度为1125m，平均水深为42.51m；忠县至万州段平均库面宽度为1232m，平均水深为51.47m。
朱沱至涪陵段为平缓的丘陵河段和宽谷与峡谷交替段，处于回水变动区，蓄水后该段水位抬高相对下游段小，库面宽度较库区常年回水区小。坝前水位175m时，朱沱至朝天门、朝天门至涪陵宽谷河段平均库面宽度分别为558m、930m，平均水深分别为6.93m、24.96m；峡谷段平均库面宽度分别为249m、402m，平均水深分别为30.82m、39.31m。
由上述库区形态分析可见，三峡库区干流段除坝区段和局部库段外，干流库区库面宽度一般为700～1700m，为典型的河道型水库。