袁濤峰，曾濤，2，馬憲浩

（1.長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401147；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 引言

三峽工程于2003年6月蓄水運行后，兩壩間河段中、枯水期受三峽大壩調(diào)節(jié)和葛洲壩反調(diào)節(jié)的影響，水流較平緩，流速、比降較小。但在汛期，兩壩間航道既受葛洲壩壩前水位影響，又受峽谷河段河床地形條件制約，隨著入庫流量的增加，河床過水斷面增加有限，河床縱橫向起伏很大，水流湍急，流態(tài)紊亂，呈現(xiàn)出天然河道特性，加上汛期水庫降低水位運行，三峽大壩泄洪時兩壩間一些狹窄河段水流不暢，流速、比降急劇增大，泡漩橫流叢生，流態(tài)極亂，航行條件迅速惡化，為萬噸級船隊的通航帶來極大的困難。尤其是水田角、喜灘、獅子腦、偏腦等洪水急流灘和石牌彎道險灘最為突出，是兩壩間最困難的航段[1-2]。

在長江中、下游以及庫區(qū)航道等級和通航條件得到大幅度提升和改善的背景下，兩壩間的通航能力已經(jīng)成為制約長江干線航運發(fā)展的瓶頸，也直接影響到萬噸級船隊通航保證率和三峽航運效益的發(fā)揮[3-5]。因此，需對該航段礙航灘險進行綜合整治。本文以兩壩間著名的洪水急流灘——喜灘為例，提出了通過炸礁填槽等工程措施，以提高兩壩間的通航能力，保障兩壩間河段的通航安全和適應(yīng)長江干線系統(tǒng)建設(shè)需求。

1 灘險概況

兩壩間航道上起三斗坪，下至葛洲壩水利樞紐，長約38 km（圖1），大部分處于西陵峽峽谷河段內(nèi)，其中，三斗坪至樂天溪河段長9.6 km，河谷較寬闊，汛期河面最大寬度可達1.4 km，河槽多呈復(fù)式斷面。樂天溪至南津關(guān)為峽谷河段，長25.85 km，河寬較窄，多在300～800 m之間，最窄處僅為200余m，斷面多呈“U”字形或“V”字形，全河段為大型山區(qū)河流，河道彎曲，水流湍急。兩壩間航道是長江較為困難的航行區(qū)段之一，主要的礙航灘險部位有水田角、喜灘、獅子腦、石牌和偏腦等（見圖1）。

圖1 兩壩間河段及灘險分布圖

水田角位于宜昌上游30.5～31.5 km處，是長江著名的洪水急流灘，灘段上口收縮，灘口狹窄，灘下驟然放寬，灘口左側(cè)有野豬牙石咀，右有獅子腦石咀，挑流極強，使兩側(cè)及沱內(nèi)發(fā)生強泡漩和剪刀水，為著名的“蓮沱三漩”。在流量35 000 m3/s時，已大大超過萬噸級船隊的自航上灘能力，隨著流量的增加，流速、比降迅速增大，給上行船隊造成極大困難。

喜灘位于宜昌上游27.8～28.8 km，南北兩岸高山峽谷，河面狹窄，河床窄深，過水斷面多呈“V”形，南岸巖咀、石盤斷續(xù)分布；北岸芭蕉溪下段至沙壩子一帶亂石堆積，兩岸岸線極不規(guī)則，是長江三峽兩壩間的著名急流灘。在流量40 000 m3/s時，灘上最大流速接近5 m/s，超過萬噸級船隊自航過灘能力，隨著流量的增大，灘情更加惡劣。

獅子腦位于宜昌上游25.6 km左右，該灘段航道較順直，石盤、石岸咀等相對突出，岸線不整齊，尤其是獅子腦石盤，將洪水期河寬400 m突然縮窄到260 m，有斜流，泡漩、急流，隨著流量進一步增加，流速、比降繼續(xù)增大，不能滿足萬噸船隊自航上灘要求。

石牌彎道位于宜昌上游22.5～23.8 km處，河道平面形態(tài)呈90°急彎，是長江著名的急彎險灘。彎道轉(zhuǎn)彎半徑780 m，航寬345 m，上段兩岸岸咀、石盤突出，岸線極不規(guī)則，且江面狹窄，洪水河寬360 m，洪水期隨著流量的增加，泡漩強度和范圍增大，航行條件變得十分惡劣，船隊上下困難。

偏腦位于宜昌上游20～21.8 km處，是兩壩間礙航較為突出的狹窄型洪水急流灘。河段順直，江面狹窄，岸壁陡峭，河槽窄深，過水斷面呈“U”形或“V”形，灘段水深達85 m，洪、枯河面寬度變化不大，最小河寬僅280 m，洪水期河寬也不到300 m，同時，兩岸岸線極不整齊，特別是北岸偏腦突咀挑流，產(chǎn)生斜流、水埂。洪水期主流偏南岸，至埂江角移向河心。中枯水期水流平緩，航行條件較好，洪水期流速比降陡增，航行條件異常困難。

2 灘險礙航特性及成因分析

由于兩壩間河道狹窄，水流不暢，流速急、流態(tài)紊亂，船舶航行條件險惡，通航條件和航運安全與三峽庫區(qū)還不相適應(yīng)。三峽兩壩間，上述各灘均為洪水急流段，其共同特點是兩岸陡峭，江面狹窄，中、枯水時，由于葛洲壩建成蓄水，水位抬高，兩壩間處于常年回水區(qū)內(nèi)，水流平緩，水面比降較小，航行條件較好。洪水期由于長江流量很大，各灘水流受兩岸約束，斷面過水面積得不到相應(yīng)增加，致使流速、比降迅速增大，形成洪水急流灘。下面將重點對喜灘礙航特性和成因進行分析。

喜灘是著名急流灘。洪水河寬可達400 m左右，灘段河面束窄，最窄處僅250 m左右，灘下游逐漸放寬到550 m，喜灘石咀與腳踏鋪石對峙，水流緊束，形成較長的洪水對口急流灘，船隊不能自航過灘。中洪水期由于長江流量較大，水流受兩岸岸壁制約，不能展開，流速、比降隨流量增加而增大，主流過蓮沱偏北岸下流，至白馬沱掃彎而下。潭段流速分布呈左急右緩的趨勢，南岸嚴許沱上角有斜流，下延有夾堰，蝦蟆石外有泡漩，石板灘有急流問題，鬼崖洞以下呈一大回流沱，沱內(nèi)泡漩強烈，主流邊緣均有回流產(chǎn)生。

模型試驗成果表明[6]：枯水期水流平穩(wěn)，中水期流量不大于20 000 m3/s時，灘段最大流速2.2 m/s，比降0.21%。

在流量25 000 m3/s，葛洲壩壩前水位控制63 m時，由于流量較大，整個灘主流流速均在2 m/s以上，最大流速為2.77m/s，上水航線上最大流速2.5m/s，相應(yīng)比降0.177%，己超過萬噸級船隊允許的流速、比降搭配，船隊不能自航過灘。葛洲壩壩前水位控制66 m時，灘情有所緩和，灘段流速略減小，一般在2 m/s左右，最大2.57 m/s，上水航線最大流速為2 m/s左右，相應(yīng)比降0.012%，萬噸級船隊可自航上灘。

在流量35 000 m3/s，葛洲壩壩前水位63 m時，隨著流量的增加，流速增大較快，灘段主流流速均在3 m/s以上，最大值為3.78 m/s，上水航線上最大流速也有3.l m/s，相應(yīng)比降為0.029 6%。葛洲壩壩前水位抬高到66 m后，灘段最大流速減小到3.66 m/s，上水航線上最大流速還有2.7 m/s，相應(yīng)比降0.020 8%，均超過萬噸級船隊的自航過灘能力。

3 整治原則和方案

3.1 整治原則

該河段為高山峽谷河段，岸坡陡峻，要徹底改善兩壩間急流險灘段影響萬噸級船隊自航上灘的水流條件，難度非常大。因此，該河段的治理目標是：炸除灘段水下突出石梁、石盤，擴大過水斷面，調(diào)整斷面流速，減緩?fù)ê絽^(qū)流速、比降；同時，利用炸礁區(qū)的棄渣對深水沱進行填槽，避免河床縱向起伏過大，消除泡漩亂水，擴大通航水域，達到延長萬噸級船隊通航期和5 000 t機動駁自航上灘的目的。

3.2 整治標準

根據(jù)1992交通部三峽工程航運領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室（92）交三峽辦字第07號文印發(fā)的《三峽工程通航標準》，兩壩間在水文條件允許時設(shè)計船型采用萬噸級船隊。

3.2.1 航道尺度

目前，兩壩間最小航道維護標準為：3.5 m×80 m×750 m。根據(jù)兩壩間設(shè)計船型的通航安全和實際通航條件，結(jié)合兩壩間上、下游河段規(guī)劃建設(shè)標準，該河段的設(shè)計航道尺度確定為：4.0 m×150 m×1 000 m（石碑河段不小于750 m）。

3.2.2 兩壩間設(shè)計通航水位

兩壩間設(shè)計通航水位根據(jù)三峽（初期運行期）-葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程相關(guān)規(guī)定進行確定。

三峽水利樞紐下游：最高通航水位為73.8 m，最低通航水位為62.5 m。

3.2.3 設(shè)計最高通航流量

根據(jù)《三峽工程初期運行期通航管理辦法補充規(guī)定》的相關(guān)要求，結(jié)合兩壩間實際通航條件，確定兩壩間萬噸級船隊的最高通航流量為：30 000 m3/s；單船最高通航流量為56 700 m3/s（必要時減載）。

3.2.4 通航水文標準[5]

船隊上駛所能克服的最大流速和局部水面比降，萬噸級船隊通航水文標準見表1。

表1 萬噸級船隊允許最大流速、比降

3.3 整治方案

設(shè)計底高程：炸礁區(qū)有2處，位于南北兩岸。北岸炸礁區(qū)基線處地面標高最大約65 m，炸礁底高30 m；南岸炸礁區(qū)基線處地面標高最大約61 m，炸礁底高20 m。

斷面設(shè)計：礁石底部炸成平臺，不考慮縱坡，炸礁邊坡 1∶0.2。

棄渣區(qū)選擇：棄渣區(qū)選擇在水田角深沱處。

工程量：水下炸礁1500000 m3。水下清渣15000m3。

兩壩間航道整治工程方案見表2。整治方案平面圖、斷面圖見圖2、圖3。

表2 兩壩間航道整治方案一覽表

圖2 喜灘河段整治方案平面布置圖

圖3 炸礁區(qū)河道橫斷面圖

4 整治方案分析

喜灘灘段岸坡陡峻，坡陡流急，上水航線走南岸，考慮到模型試驗方案相當部分工程量為陸上炸礁，泄洪斷面增加有限，不能滿足30 000 m3/s萬噸級船隊的通航需求，因此，其整治方案確定為：盡可能切除灘段兩岸伸入河中的水下突咀，有效擴大過水面積，減小南岸上水航線流速、比降，增大上水航線通航寬度。同時，通過切除北岸水下突咀，歸順岸線，改善下水航線流態(tài)，延長萬噸級船隊通航期。

炸礁基線為直線，將基線以外向河心側(cè)礁石炸低。有關(guān)水力計算如下：

1） 首先在相同流量、相同水位情況下，為減小斷面平均流速，需對斷面過水面積進行擴大。根據(jù)流量守恒的原則，可得到流速增減量與過水斷面增減量之間的關(guān)系式：

式中：V為斷面平均流速，m/s；A為過水斷面面積，m2；△V為斷面平均流速的增減值，m/s；△A為過水斷面面積的增減值，m2。

根據(jù)以上公式，結(jié)合西科所喜灘模型試驗成果可知，在三峽下泄流量為Q=30 000 m3/s，葛洲壩壩前水位為H=63 m時，要將斷面平均流速減小0.2 m/s，過水斷面面積則需繼續(xù)擴大1 150 m2。

2） 根據(jù)能量守恒的原則，推求整治后各斷面水位變化的情況。

計算公式：

式中：Z1、Z2分別為計算段上、下游斷面水位，m；V1、V2分別為計算段上、下游斷面平均流速，m/s；α1、α2分別為計算段上、下游斷面動能修正系數(shù)，根據(jù)航道整治水力計算經(jīng)驗，本灘α1、α2取值1.2；g為重力加速度，取9.81 m/s2；hf、hj分別為沿程水頭損失和局部水頭損失，m，hj=，假設(shè)整治前后上游斷面與計算斷面間沿程水頭損失hf相同，根據(jù)水力學(xué)查表得ζ=0.015。

本灘水力計算上游斷面位于灘段上游3 km處，計算時假設(shè)該斷面整治前后流速、水位無變化。結(jié)果見表3。

3） 整治效果分析。在模型試驗的基礎(chǔ)上進行方案優(yōu)化調(diào)整后，在三峽下泄流量Q=30 000 m3/s，葛洲壩壩前水位為H=63 m時，該灘段斷面平均流速較模型試驗方案減小了0.2 m/s，右側(cè)上水航線處流速小于2.3 m/s的水域?qū)挾冗_到100 m以上，局部最大比降1.32×10-4，能夠滿足萬噸級船隊自航上灘的要求。

表3 喜灘整治后比降計算表

5 結(jié)論和建議

1） 喜灘通過切除灘段兩岸伸入河中的水下突咀，有效擴大過水面積，減小南岸上水航線流速、比降，增大上水航線通航寬度。同時，通過切除北岸水下突咀，歸順岸線，改善下水航線流態(tài)，延長萬噸級船隊通航期，整治方法是有效的。

2） 兩壩間需要治理的水田角—偏腦洪水急流灘段通過炸除灘段水下突出石梁、石盤，擴大過水斷面，調(diào)整斷面流速分布，減緩?fù)ê絽^(qū)流速、比降；同時，利用炸礁區(qū)的棄渣對深水沱進行填槽、筑壩，避免河床縱向起伏過大，消除泡漩亂水，擴大通航水域，達到延長萬噸級船隊通航期和5 000 t機動駁自航上灘的目的。

3） 建議在采用常規(guī)整治措施——擴大過水斷面，減緩流速、比降的方法的同時，宜采用工程措施和非工程措施（減載、優(yōu)化兩壩調(diào)度方式等）兩者相結(jié)合，進一步提高兩壩間航道通航保證率，擴大兩壩間河段通航能力。

4） 目前，對于兩壩間洪水急流灘的觀測尚未開展，下一步仍需加強觀測，進一步認識急流灘的流速、流態(tài)變化規(guī)律，積累資料，以便對兩壩間航道整治方案進一步優(yōu)化。同時還應(yīng)對兩壩間聯(lián)合運行方式、船型等進行研究，更好地發(fā)揮三峽工程的綜合效益。

[1] 舒榮龍，周小平，杜宗偉.三峽—葛洲壩兩壩間河段通航技術(shù)研究 [J].水運工程，2005（3）：62-65.

[2]重慶西南水運工程科學(xué)研究所.提高三峽—葛洲壩兩壩間河段通航能力研究[R].重慶：重慶西南水運工程科學(xué)研究所有限公司，2002.

[3]長江重慶航運工程勘察設(shè)計院.長江干線兩壩間航道系統(tǒng)建設(shè)方案專題研究[R].重慶：長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，2008.

[4] 舒榮龍，陳桂馥，杜宗偉.提高三峽—葛洲壩兩壩間通航能力試驗研究 [J].人民長江，2005（7）：31-33.

[5]水利部科技教育司，交通部三峽工程航運領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.《兩壩間（葛洲壩―三峽）通航水流技術(shù)標準實驗研究》專題報告（上）[M]//長江三峽工程泥沙與航運關(guān)鍵技術(shù)研究專題研究報告集.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[6]重慶西南水運工程科學(xué)研究所.三峽—葛洲壩兩壩間河段汛期通航水流條件試驗研究[R].重慶：重慶西南水運工程科學(xué)研究所有限公司，2002.