孫爾雨　楊文俊

摘要：三峽大壩泄洪和船閘充泄水運(yùn)行全過(guò)程中，上、下游引航道內(nèi)將產(chǎn)生往復(fù)流和重力長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)相應(yīng)的通航條件產(chǎn)生一定程度的不利影響。試驗(yàn)研究表明：按照“消散波能”的原則，以消浪、減速、改善流態(tài)為目標(biāo)，采取若干相應(yīng)的工程和調(diào)度措施，即可將引航道的通航條件控制在航運(yùn)規(guī)范允許的范圍以內(nèi)；

關(guān)鍵詞：三峽工程；引航道；非恒定流；通航；改善措施

一般水利樞紐在汛期調(diào)洪和船閘充、泄水運(yùn)行全過(guò)程在上、下游引航道內(nèi)將產(chǎn)生不同程度的非恒定流，從而對(duì)航運(yùn)構(gòu)成相應(yīng)的不利影響。

按照三峽大壩調(diào)洪運(yùn)行的原則，在上游來(lái)水量大于56700m3/s條件下，下泄流量為56700m3/s；上游來(lái)水量小于

56700m3/s條件下，按天然流量過(guò)程下泄。在汛期，特別是在7～8月份，本河段的流量變幅大較大。

三峽船閘在允泄水運(yùn)行過(guò)程中，啟門時(shí)間為2min，最大充泄水流量為800～900m3/s，也就是說(shuō)，在2min多的時(shí)段內(nèi)，充泄水流量將由0增至800～900m3/s。

可見，三峽工程上下游引航道的非恒定流問(wèn)題是很突出的。

另一方面，即使在上游來(lái)水量和下泄流量保持恒定的條件下，由于特殊的邊界和水流的固有特性，壩區(qū)一定流程河段和引航道內(nèi)的水流態(tài)勢(shì)仍表現(xiàn)出一定程度的非恒定性，同樣應(yīng)該探明這種態(tài)勢(shì)對(duì)航運(yùn)可能構(gòu)成的不利影響。

1 壩區(qū)河段勢(shì)態(tài)特點(diǎn)

長(zhǎng)江三峽水利樞紐壩址位于西陵峽廟南寬谷中部的三斗坪彎道部位，系葛洲壩水庫(kù)長(zhǎng)期年迥水區(qū)。壩前河段自廟河至美人沱，流程7km，河道微彎，南岸稍凸，美人沱至百歲溪，流程2.5km，河道順直；百歲溪至太平溪，流程1.5km，河道彎曲明顯，南凸北凹，太平溪至壩前，流程6km，河道順直。壩前17km河道，兩岸多見山腳、岸咀、石盤、磧壩綿延不斷，參差相向外伸，并對(duì)有孤礁、石堆潛布江中：葛洲壩蓄水后，水位抬升20m，泥沙淤積較多，床面有所坦化，但兩岸如舊，尤其高出水面的岸坡奇特地形地貌，也相繼伸布江中，沿岸挑流、斜流、泡濆、漩渦、夾堰水等復(fù)雜流態(tài)仍十分發(fā)育，通航條件雖有很大改善，但在高洪期(流量大于40000m3/s)以及葛洲壩泄洪時(shí)，流態(tài)兒近于天然狀況。壩前6km河道江面寬闊，汛期水面最大寬度達(dá)1400m，一般為1000m左右(見圖1)。

圖1 三峽水利樞紐壩區(qū)河勢(shì)圖

三峽工程成庫(kù)后，壩前河段水位由現(xiàn)在的70m左右升至135～175m。壩前水面寬達(dá)2800m。自壩前上溯10km，水面逐漸束窄為700余m。在原水面以上的兩岸特異地形形成了新的水流邊界。壩前4km的河段左岸上起九嶺山下迄左電廠前形成廣闊和回流區(qū)。由九嶺山再上溯2km至太平溪口下首的左凹岸線，亦產(chǎn)生較強(qiáng)回流，回流和主流形成陣發(fā)性相互擠壓而使得回流邊界呈現(xiàn)現(xiàn)出左右擺動(dòng)之勢(shì)。在水庫(kù)形成穩(wěn)定的水下地形(成庫(kù)后80年)之前，壩前10余km河段主流隨淤積地形之逐年抬高而漸趨左移。

通航建筑物及其上引航道位于壩前左岸階地上，引航道渠底開挖高程為130m，淤積控制高程為139m。上引航道口門上巨九嶺山1km。

在雙線船閘同時(shí)充水運(yùn)行過(guò)程中，反弧門開啟2.5min左右，允水流量即由0增至最大值840m3/s，充水歷時(shí)要求12min?？梢?，船閘充水運(yùn)行對(duì)引航道通航條件的影響至關(guān)重要壩下9km河段為寬谷段，汛期水面最大寬度1400m，一般為800～100m，河槽為復(fù)式斷面主泓偏右。下引航道居于左邊灘部位，隔流堤沿線基本為貼邊順流、緩流區(qū)。下引航道口門以下約500余m范圍內(nèi)為三角形迥流區(qū)，迥流區(qū)最大寬度與口門寬度相近。

2 非恒定流的演進(jìn)態(tài)勢(shì)描述

2.1 船閘充水(上引航)

在船閘充水運(yùn)行過(guò)程中，航道水流呈現(xiàn)出往復(fù)、起落、晃蕩的復(fù)雜態(tài)勢(shì)，屬長(zhǎng)波型態(tài)，往復(fù)態(tài)勢(shì)盛而復(fù)衰，衰而又盛，起落狀況長(zhǎng)而又消，消而復(fù)長(zhǎng)，晃蕩呈現(xiàn)強(qiáng)而又弱，弱而復(fù)強(qiáng)，周期性表現(xiàn)得較為明顯而又恒常。

在充水啟門后，歷經(jīng)2個(gè)多周期后(1h)漸次衰竭，方見水流恢復(fù)初始狀態(tài)。水面在起落和晃蕩運(yùn)動(dòng)中僅表現(xiàn)為平穩(wěn)升降和較長(zhǎng)距離的傾斜變化，破碎波不發(fā)育。水面的這種升降和傾斜愈往上游愈貼近初始水面，而且有隔流堤時(shí)較大，無(wú)堤時(shí)較?。欢痰虝r(shí)堤頭以下較大而以上逐漸減??；逾近船閘充水的取水口和渠道封閉端愈大，而遠(yuǎn)離取水口和渠道封閉端很小(見圖2)。

圖2 上游引航道流態(tài)圖

(30+2小包短堤方案Q=56700m3/s，HL=147.0m)

2.2 船閘泄水(下引航道)

在船閘泄水條件下，下引航道內(nèi)的水流波動(dòng)屬于非恒定流漲水波和振蕩衰減波的復(fù)合。閘室外泄水流與長(zhǎng)江水交相激射，形成重力波(漲水波)和沖擊波的復(fù)合波，同時(shí)向上游和下游推進(jìn)。向上游推進(jìn)的逆行波直抵壩下；向下游推進(jìn)的順行波在開門后4min行進(jìn)至隔流堤頭，一方面繼續(xù)向下游推進(jìn)，一方面繞過(guò)隔流堤頭沿引航道逆行，經(jīng)沿途邊岸(彎道、束窄等)反射，相繼產(chǎn)生反射波，抵達(dá)第五級(jí)船閘下閘首和升船機(jī)下閘首兩個(gè)封閉端后，波能全面轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。抵達(dá)時(shí)間分別為外泄開啟后6.5和13min。水體沿陡壁爬高，并遭反射而形成最后一列反射波。反射波和后續(xù)原生波交鋒、激射、疊合，形成波流運(yùn)動(dòng)的復(fù)合態(tài)勢(shì)。內(nèi)泄水流自6#閘首閘下出水口涌出，在對(duì)航道水體沖擊的同時(shí)產(chǎn)生漲水波向下游推進(jìn)，至船閘和升船機(jī)航道的匯合口，一方面繼續(xù)下行出引航道，一方面繞過(guò)分隔體頭部沿升船機(jī)引航道逆行，直至升船面下閘首，沿途及封閉端同樣產(chǎn)生反射，并形成內(nèi)泄波與外泄余波交鋒、激射、疊合的復(fù)雜態(tài)勢(shì)，約經(jīng)3個(gè)波動(dòng)周期后，水面趨于初始狀態(tài)。

3 三峽工程上下游引航道通航條件評(píng)價(jià)

3.1 三峽上引航道

(1)三峽上引航道的通航條件有著多方面的影響同素，如：船閘充水、隔流堤的布置形式、壩前河段的淤積地形、大壩泄洪等等。其中，前二者為主導(dǎo)因素，后二者相對(duì)漸次。如果這些因素的最不利方面同時(shí)發(fā)生，即：船閘雙線同時(shí)快速允水、隔流堤半屏敝的水面最為狹窄，壩前河段的水下地形為沖淤平衡狀態(tài)，大壩泄洪流量大(通航流量標(biāo)準(zhǔn)為56700m3/s)而相應(yīng)水深最小等狀況同時(shí)發(fā)生，則通航條件最差。改善通航條件有效途徑是對(duì)諸多最不利因素中人為可變因素的成功治理和改造。

(2)試驗(yàn)資料成果表明：如果僅在船閘上閘首前側(cè)建長(zhǎng)為660m的短隔流堤，在升船機(jī)上閘首前右側(cè)建長(zhǎng)度為250m的導(dǎo)航浮堤，即實(shí)施所謂“短堤”方案，則升船機(jī)上閘首前沿水位最大變幅可以不超過(guò)±0.15m，滿足設(shè)計(jì)要求。其他部位水位變幅、流速、水面比降、靠船墩部位的系纜力均在航運(yùn)規(guī)范允許范圍內(nèi)。如果在保留上述“短堤”和基礎(chǔ)上，又在位于升船機(jī)之右的沖砂閘(施工期“臨時(shí)船閘”所在部位)右側(cè)建“長(zhǎng)隔流堤”(從壩前向上游延伸了3km)，即實(shí)施所謂“長(zhǎng)堤全包方案”，則升船機(jī)上閘首前水面變幅為-0.27m和-0.28m，不能滿足設(shè)計(jì)要求。如果在“長(zhǎng)堤全包”的條件下實(shí)施雙線船閘錯(cuò)開12min(即相應(yīng)重力長(zhǎng)波的半個(gè)周期)充水，并同時(shí)將長(zhǎng)堤的壩前500m直段前350m長(zhǎng)度內(nèi)鑿開31個(gè)“導(dǎo)流洞”(每洞凈寬2m，“洞”與“堤”二軸線交角45°)，則升船機(jī)沿水面變幅亦可控制在±0.15m以內(nèi)，其他水域的有關(guān)水力指標(biāo)亦均在航運(yùn)允許范圍內(nèi)。

如果不開鑿導(dǎo)流洞，左右線船閘錯(cuò)開充水，則升船機(jī)部位水面變幅可控制在±20em左右。

(3)在單純大壩泄洪(恒定流)的條件下，由于特定邊界和壩前河段水流的相互作用，而使得主流和迥流產(chǎn)生一定程度的非恒定性，進(jìn)而在壩前一定長(zhǎng)度河段和上引航道內(nèi)形成往復(fù)流和重力長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)。這種波流運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)水面變幅最大值為0.11m，不會(huì)對(duì)相應(yīng)通航條件構(gòu)成實(shí)質(zhì)性不利影響。

3.2 三峽下引航道

(1)三峽下引航道的通航條件有著多方面的影響因素，如：船閘泄水及出水口的位置、大壩調(diào)洪方式及流量大小，電站調(diào)峰及葛洲壩反調(diào)節(jié)方式，下引航道初始水深等等，其影響程度均較大。改善通航條件的有效途徑只能是對(duì)有關(guān)泄水通航運(yùn)行方式的合理選擇和調(diào)整。

(2)在雙線船閘同時(shí)泄水的條件下，如果將全部水體直接泄于下引航道內(nèi)，則在升船機(jī)下閘首引起的水位變幅最大可達(dá)3.4m。如果將大部水體(900m3/s)直接泄入隔流堤外側(cè)的主河槽而將小部水體(約200m3/s)直接泄于下引航道內(nèi)，則升船機(jī)下閘首的水位變幅有很大程度的降低，但仍達(dá)0.8m。如果實(shí)施雙線船閘錯(cuò)開12.6min向主河槽泄水，并在出水口采用適當(dāng)形式的消能工。則升船機(jī)下閘首的水位變幅可以不超過(guò)±0.20m，其他部位的流速、水面比降、水位變幅以及靠船墩部位的系纜力均可控制在航運(yùn)規(guī)范允許的范圍內(nèi)。進(jìn)一步降低升船機(jī)下閘首的水位變幅也是有可能的。

4 結(jié)論

(1)三峽大壩調(diào)洪、船閘充、泄水將產(chǎn)生非恒流而在其上、下游引航道形成重力長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)。水流的這種運(yùn)動(dòng)將會(huì)對(duì)相應(yīng)的通航條件構(gòu)成不同程度的不利影響。

(2)引航道內(nèi)的非恒定流通航條件的優(yōu)化途徑是最大限度地促成波能的迅速擴(kuò)散而使單位水體的含能量最小，以達(dá)到消浪、減速、穩(wěn)定水位、改善流態(tài)之目的。由此可以尋求到工程和調(diào)度的多種有效舉措而將非恒定流的通航條件控制在航運(yùn)規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

(3)通過(guò)對(duì)多種有效舉措的實(shí)施和運(yùn)用，三峽工程上下游引航道內(nèi)的非恒定流不會(huì)對(duì)其通航構(gòu)成實(shí)質(zhì)性不利影響。

[作者簡(jiǎn)介]

作者簡(jiǎn)介：孫爾雨，長(zhǎng)江委長(zhǎng)江科學(xué)院宜昌科研所總工。