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三峡大坝蓄水近20年泥沙淤积到底有多严重?会影响到寿命吗?

2023-12-05 新闻中心

  众所周知,长江是亚洲的第一长河,而三峡工大坝则是长江上最重要的骨干水利工程,堪称“国之重器”。自2003年下闸蓄水开始,三峡大坝稳定运行将近20年,每年在汛期拦蓄的洪水量多达数百亿立方米,非常大程度上减轻了下游的防洪压力。

  除了防洪,三峡大坝的发电效益也相当可观,每年发电量超过900亿千瓦时。2020年三峡发电机组再创佳绩,全年共发电1118亿千瓦时,打破了世界单座水电站的年发电纪录!

  而在三峡大坝上游,由于拦蓄作用还形成了一个长达600多公里、集水面积超1000平方公里的大型水库。库区各种鱼类共计140多种,经济鱼类30多种,不仅有“青草鲢鳙”四大家鱼,还有胭脂鱼、铜鱼等特有珍稀鱼种,是国内顶级规模、最有发展的潜在能力的“天然鱼库”。

  不可否认,三峡水库在防洪、发电、渔业等方面都具有开创性意义,是国内的标杆工程。也正因为三峡工程实在太重要了,这座水坝从起草规划、工程设计乃至建成投产,一直都伴随着巨大的争议,总结起来主要有10项,比如建与不建之争、常规使用的寿命之争、泥沙之争等等。当然,最热门的话题还是用寿命之争。

  大家都知道,三峡大坝是使用混凝土浇筑形成的重力水坝,工程质量毋庸置疑。大坝主体分为拦河坝和泄洪坝,坝体采用了当时最先进的混凝土浇筑方案、温控防裂技术,而且所有的施工原料均属于一级规格。工程采用破碎的花岗岩作为人工骨料、选用优良的一级粉煤灰作为混凝土掺合料,另外还搭配高性能的外加剂,使混凝土的综合性能达到了最优水平。

  水利部发布的《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》(SL 654-2014)中明确指出,国内一级壅水建筑物的设计常规使用的寿命为150年。实际上,三峡大坝的设计标准要高于这一基础标准,工程施工按照1000年一遇的洪水设计,10000年一遇的洪水加10%校核,最大可抵御12.43万m³/s的洪水流量冲击。

  要知道,1998年长江特大洪水的最大入库流量也只不过6.3万m³/s,甚至都还没超过三峡大坝的设计洪水流量(9.8万m³/s)。由此可见,上游洪水对三峡大坝寿命的威胁不足为惧。只要能做好维修工作与日常核验,实际的常规使用的寿命预计可达300~500年。

  除了上游来水的冲击,水坝的实际寿命还受到很多自然因素的影响,比如自然老化、风化溶蚀、泥沙淤积等等。在这些因素中,泥沙淤积带来的威胁最容易被忽视,但其潜在危害却很大。在黄河中游运行的小浪底水库和三门峡水库,泥沙淤积甚至已经成为了威胁水库寿命的“头号杀手”。

  现实情况似乎并不像人们想象中的那么乐观。事实上,三峡库区内部局部地区的泥沙淤泥已经影响到了正常的航运,显著改变了河床地形。比如库区有“忠州三弯”之一的皇华城江段,淤积导致左侧河床不断升高,部分航道开始壅塞,一些吨位较大的货船因吃水较深已经无法通航。

  在三峡库区,朱沱站、武隆站等属于入库水文站,宜昌水务站则是干流出库水文站。从各大水文站的监测数据来看,2019年三峡库区的入库输沙量为0.685亿吨,和2003~2018年间的平均数输沙量相比减少了56%。

  另有数据显示,自2003年蓄水发电以来,三峡水库平均每年来沙1.37亿吨。截止到2019年,三峡库区的入库泥沙总量达到了24.13亿吨,通过中小洪水泄洪带走的泥沙为5.71亿吨,淤积在库区的泥沙为18.42亿吨(见下表)。

  值得注意的是,宜昌站监测到的来沙量(也就是水库的实际排沙量)一直呈减少趋势:2003~2007年,来沙量为0.6亿吨,2008~2013年减少为0.26亿吨,2014~2018年进一步减少到0.12亿吨。可以明显看出,三峡水库的排沙量在持续减少!

  总体来看,三峡水库淤积量持续缓慢增加,目前小于初步设计阶段的论证值,不会对常规使用的寿命造成影响。但随着时间往后延长,库区的泥沙依然是个不小的隐患,不仅会导致有效库容减少,增加防洪压力,而且库尾淤积产生的“翘尾巴”现象也会使两岸河道被淹没,妨碍支流行洪,影响上游河道主槽的过洪能力。

  库区泥沙淤积的危害,曾给国际上多座水库带来“血的教训”。以美国为例,自从1948年以来,美国开始大兴水利工程,在全国修建了11000多座防洪大坝,但由于没有考虑到水库泥沙淤积的问题,不少大坝很快就失去了预期功能,有时甚至不得不拆坝、炸坝,教训不可谓不深刻。

  黄河小浪底水库的泄洪排沙经验表明:下泄洪水的泥沙含量过高具有很大隐患,轻易造成河道淤塞,但反过来,泥沙含量过少也不见得是一件好事,宜昌下游江段就因此饱受“摧残”。

  近年来,三峡出库水的含沙量仅有2003年之前的7%左右,下泄流量可达2~3万m³/s,最大曾达到7.12万m³/s。下泄洪水拥有强大动能,持续不断地冲刷下游河道,部分江段河床下切严重。从湖北宜昌到鄱阳湖河口,每年被江水冲刷掉的土方量多达1亿立方米,而在宜枝江段,部分河道还被冲刷出了近20米深的“巨坑”,荆江江段则被冲深1.8米,汉城江段枯水河槽平均冲深0.9米,沿岸伴有垮塌风险。

  原理很简单,实际上的意思就是要提高冲沙效率,把三峡库区淤积的泥沙冲到下游,实现动态平衡。从过去19年的统计来看,三峡水库的年均排为21%,平均每5吨泥沙可冲出1吨,效率有待提升。

  至于提高效率的方法,优化水库的调度或许值得一试。大家都知道,黄河流域的三门峡水库自建成以来就饱受泥沙淤积的侵扰,建成后又被迫进行了两次大规模的改建,扩大了泄洪排沙的规模。

  后来,夏迈定等水利专家又摸索出了“蓄清排浑”的冲沙方式,同时辅以“高渠拉沙”和“引浑灌溉”等手段,这才得以延长三门峡水库的运行寿命。作为万里黄河第一坝,三门峡大坝在治理泥沙方面具有难得的经验,对长江三峡的调度具有珍贵的借鉴价值。

  目前,三峡水库的冲沙模式是“中小洪水冲沙”,如何借鉴三门峡的治沙经验、利用异重流提高排沙效率是一项亟待研究的科研课题,这还需要专家学者们的不懈努力。相信随治沙、排沙体系的逐渐完备,我国终能完美解决三峡库区的泥沙问题!