水库坝下游河床演变作为河流动力学及河流工程学中的一个关键问题,一直是该领域研究的关注焦点。修建大型水库,将从根本上改变河流的水沙条件,从而引起坝下游一系列的河床演变,甚至发生河型转化。河床演变不仅与水库的运用情况及其对水沙的调节能力以及水库的淤积阶段有关,而且取决于原河道的边界条件及河道特性。通常认为,下游为基岩或卵石的河床,水库的影响就可以忽略或很微弱;如为沙质河床则这种影响常常很大。目前国内外大型水库坝下游的河道冲淤演变研究多集中于以悬移质运动为主的冲积性河流,对于山区河流,由于其河床演变多以推移质运动来完成的,而推移质运动比悬移质更加复杂,使得山区河流坝下游河道冲淤演变研究还不成熟。金沙江是长江的上游河段,也是我国西南典型的山区河流,水流湍急且比降较大,影响河床演变的主要原因是卵石推移质运动,而悬移质则常常以冲泻质的方式输移,基本不参加造床。金沙江下游修建大型水库后,极大地改变了下游河道的水沙条件,坝下游河道冲刷,特别是重要涉水建筑物附近局部冲刷可能影响水库的运行调度、涉水建筑物和航运安全。因此,开展金沙江大型水库下游河床演变研究具有重大实用价值。针对山区河流河床组成级配宽,粒径大小达7个数量级,不同粒径泥沙运动和力学特性差异很大,输沙机理非常复杂,致使山区河流水库下游的河床演变研究相对较少的现状,本文选取金沙江下游大型水库向家坝下游河段为典型案例,通过原型观测资料分析、数学模型预测,实体模型试验等技术手段,系统地研究了山区河流水库下游河道冲淤演变规律,研发先进的试验技术和测控系统,分析了水沙特性,预测了山区河流水库下游河床长期冲刷过程、机理与极限冲深,揭示了水库下游近坝河段的冲淤演变规律,确定了卵石推移质运动对坝下游河段的影响,探明了坝下游重要涉水建筑物的局部冲刷,对于丰富河床演变学具有重要的理论意义,有助于从机理上认识山区河流水库下游河道再造床过程,对水库的安全运行和调度运用也具有重大的实用价值,同时也填补了金沙江水库下游河道冲淤演变研究的空白。取得的主要成果包括:(1)山区河流水库蓄水运用后,下游河床覆盖层易被破坏,具有冲刷发展快、沿程衰减快、局部冲刷强度大等特点。基于实测水文和地形资料,分析比较了不同时期研究河段径流、泥沙、河道响应特性,结果表明:2008年以前,向家坝下游河道处于天然状态,没有发生明显的趋势性冲淤变化;2008年向家坝截流,至2012年,坝址下游约14km河道累计冲刷94万m3,河床平均降低约0.56m,河床最深下切5m以上,冲刷主要集中在公路桥、水富码头附近河段;2012年10月向家坝水库蓄水运用,至2013年河道最大冲刷幅度虽较2008～2012年期间的要小,但由于90%以上泥沙被拦截在水库里,下游河道沿程冲刷范围增加,冲刷总量增大。(2)揭示了山区河流水库下游河床冲刷机理与极限冲深。采用基于非均匀不平衡输沙理论建立的数学模型,模拟了未来50年向家坝坝址至李庄的长距离河道冲淤,得到了该河段的累积冲淤量、悬移质冲刷量、推移质冲刷量、冲淤过程、沿程分布、床沙中值粒径变化等,揭示了山区河流水库下游河道冲刷强度随时间快速衰减、冲刷幅度沿程减弱、床沙级配分选、河床冲刷粗化等机理。此外,通过河床极限冲刷和粗化理论,重点预测了河道的极限冲深和粒径变化。(3)研发了先进的试验技术和测控系统。考虑到山区河流卵石推移质对河床变形起主导作用,以及山区河道窄深的特性,采用动床正态模型,并选用天然非均匀沙作为模型沙,开展山区河流坝(向家坝水电站)下游河床冲淤试验研究,最大程度上保证几何相似、运动相似和动力相似。同时,基于先进的仪器设备,开发的测控系统实现了试验参数自动控制、自动测量和自动采集,大大提高了试验成果的稳定性、可重复性、可靠性和工作效率。(4)揭示了水库下游近坝河段的冲淤演变规律。采用正态实体模型和天然非均匀沙作为模型沙,最大程度保证了水流和泥沙运动相似,开展了系列试验,系统地揭示了山区河流水库下游冲淤演变规律。①向家坝水电站蓄水运用后,坝下游流态、流场不仅与下泄流量有关,还与泄流建筑物位置和启用条件有关,造成有的地方流速随流量增加反而变小,有的地方产生回流,流场紊乱、流态复杂,可能对航运等产生一定影响。②流量为15000m3/s的典型洪水和一般水沙系列时,下游近坝河段冲刷不明显,当流量为15000m3/s、20000m3/s和28200m3/s时河床平均下切约0.1m、0.6m和1.3m;丰水水沙系列时河床平均冲刷约0.6m。③消力池护坦下游在小于15000m3/s流量时基本不形成冲刷坑,在20000m3/s流量时,左、右护坦下游形成两个独立的冲刷坑,左护坦下游冲刷坑长度约128m,右护坦下游冲刷坑长度约184m;在28200m3/s流量时,左、右护坦下游的冲刷坑连成一片,冲刷坑最大长度约280m,面积约3000m2,最大冲刷深度在10m左右。④引航道导墙外侧在15000m3/s、20000m3/s和28200m3/s流量时,最大冲刷深度分别为2m、5m和8m左右,此外引航道口门附近航道内会发生泥沙淤积。⑤水富码头在各级流量下都会发生一定的局部冲刷,在码头上游的迎水面和码头靠河道主流一侧的上半部分形成冲刷坑,28200 m3/s流量时冲刷坑宽度约10余米,最大冲刷深度约3.5m;水富码头的存在会加剧局部河床的冲刷或减轻淤积,对码头至铁路桥河段河床冲淤的贡献率在50%左右。⑥铁路桥左岸桥墩最大冲刷深度一般在5～8m,冲刷半径一般在8～10m,右岸桥墩最大冲刷深度一般4m以内,冲刷坑半径一般在8m以内。(5)提出了重点部位治理建议和措施。研究结果表明,在20年一遇洪水时(28200m3/s)下游6km河段平均冲刷深度也只有3m左右,河床总体上比较稳定,只需现场监测,不需要进行大规模河道治理。在一般洪水(流量小于15000 m3/s)情况下,消力池护坦下游、引航道口门、水富码头、内昆线铁路桥桥墩附近河床冲刷坑有限,只需现场监测,不需治理。但在大洪水(流量28200 m3/s)情况下,上述涉水建筑物附近河床会形成较大冲刷坑,需加强观测,必要时应进行抛石治理,保障运行安全。引航道口门内附近区域会发生泥沙淤积,建议加强泥沙淤积监测,必要时应进行清淤。