三峡工程上引航道低水位冲沙方案研究——水库不恒定流分析(周建军)

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三峡工程引航道水位冲沙方案研究——水库不恒定流分析

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周建军

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(清华大学)

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摘 要本文利用一维不平衡输沙及不恒定流数学模型,针对三峡水库1~130年的各种淤积状态,研究了坝前水位降低2m冲沙所引起的水库泄水和充水的不恒定流。文中首先给出了三峡水库1~130年淤积的计算结果。淤积成果与前人的研究成果基本一致。在此基础上分别给出了不同淤积年份中,坝前水位降低2m冲沙和恢复正常水位需要的时间、排水量、下泄洪水过程、水库沿岸水位变幅以及对三峡发电水头的影响。研究表明三峡采鹊低水位冲沙的方案是可行的。由于小幅度降低水位冲沙可以缩小冲沙设施的规模及减少工程投资和技术上的困难,该方案具有明显的优点。水利论文|)sfV YZuVN

关键词三峡工程 引航道 泥沙淤积 动水冲沙 不恒定流 低水位冲沙

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1 前言水利论文2\F\-exX-@~a8A

  三峡工程上引航道的泥沙淤积在水库运行30年后将逐步加剧,到50年以后,最大年淤积量将超过200万m3[1],而且,由于泥沙淤积主要集中在汛期大洪水的时候,大水大沙年高强度淤积将是机械挖泥所难以胜任的。因此,三峡工程引航道应考虑布置有效的冲沙设施,以确保通航条件的满足。水利论文8S`!k)daU

  葛洲坝的长期运行经验证明,采取“静水通航,动水冲沙”的策略解决通航与泥沙淤积的矛盾是正确的。葛洲坝在大江和三江引航道都布置了相当规模的冲沙闸,大江航道的泄洪冲沙流量为15000m3/s,三江航道的冲沙流量为8000m3/s[2]。这一规模的冲沙设施不但保证了上下游引航道的畅通,而且也为葛洲坝增加了可观的泄洪能力。“静水通航,动水冲沙”的原则对三峡引航道也是适用的。但是,三峡和葛洲坝工程的规模和条件相差较大。葛洲坝工程汛期水头仅20m左右,而三峡工程的水头约80m。由于水头大,三峡工程冲沙闸(隧洞)设计在处理高速水流问题方面的困难更大。而且,如果在隧洞两侧开凿冲沙隧洞,对高边坡稳定是否会有不利影响,还有不同看法。何况这类冲沙设施的造价高而且在前期利用率低,投资积压严重。另一方面,三峡工程又具有葛洲坝所不具备的优势。三峡下游水位处于葛洲坝水库的控制范围内,三峡引航道冲沙时可以临时要求葛洲坝降低库水位而增加其下游引航道的冲沙能力;三峡水库的坝前水位汛期一般为145m,上引航道水深较小,可以采用比葛洲坝工程更小的流量冲沙。通过分析对比葛洲坝的实际冲沙情况,清华大学曾提出了三峡工程小流量冲沙的建议[3,4],认为三峡引航道的冲沙流量可以控制在4000m3/s以内。后来,又提出了临时小幅度降低三峡库水位冲沙的方案[5],可望将冲沙流量的规模进一步降低到3000 m3/s左右。三峡工程汛期存在大量的弃水,通过超泄流量降低水位冲沙在原理上是可行的。而且,降低水位冲沙的方案属于非结构措施。对于三峡这样的高水头枢纽,节约冲沙流量,减小冲沙设施的规模,无论在经济技术上,还是在安全等方面都具有重要的意义。

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  然而三峡水库的回水范围长达600多公里,降低坝前水位需要排泄大量的水体,如果水库的反馈过程太慢,导致冲沙过程持续时间太长,则可能对通航和发电都造成较大的影响。坝前水位降低对水库下游附加的洪水、上游重要码头的运行以及对发电的影响等也值得分析研究。这些问题对降低水位冲沙方案的能否成立具有重要的影响。

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  本文基于一维不平衡输沙和不恒定水流数学模型计算了三峡建库后130年内的淤积情况和不同年份水库在小幅度降低水位运用中产生的不恒定流动。随着水库淤积的发展,后期以很少的弃水就可以达到要求的坝前水位降低值,这时,坝前水位降低2m仅仅需要几个小时的时间,弃水量小于2(后期)~5(前期)亿m3。降低水位冲沙对航运,下游防洪、发电及库区港口作业影响都不大。特别是当50年以后,水库淤积接近平衡,降低水位2m时相应的弃水量仅1.2~1.5亿m3,降低坝前水位非常快。因此,采用降低水位冲沙方案是可行的;而且,考虑到这一方案可以缩小冲沙设施的规模,减少工程投资和技术上的困难,所以它也是可取的。水利论文&d;hKi4[#Y] `1?S"u

2 三峡水为的淤积水利论文4X wE&V"B0N [,[M%S!M

  三峡水库的泥沙淤积对水流状态,特别是对不同运行条件下的回水曲线影响很大。为了正确计算小幅度降低坝前水位所需要的弃水量和时间,必须首先计算水库的淤积情况。

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  关于三峡水库的泥沙淤积,中国水利水电科学研究院[6]长江科学院[7]先后进行了长期的研究,为三峡工程做出了重要的贡献。为了便于详细分析,作者对三峡工程175-145-155水位方案1~130年的淤积情况又进行了计算。在计算中应用了新近建立的侧向积分悬移质输移数学模型[8],根据包括嘉陵江和乌江在内大约100个水库河道断面资料和与文献[6],[7]相同的水沙系列资料,并采用文献[6]提供的30000m3/s流量条件下的天然糙率和水库淤积平衡的糙率资料。有关计算的详细情况,作者将另文报道。

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图1 三峡水库130年内长江干流淤积总量及其与[7]的结果比较水利论文3O'C8M} KD%f3~0\

图2 三峡水库坝前太平溪断面变化过程

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Accumulated deposition in mainstream of TGP水利论文 m Q~yM'L;[m

Deposition processes near dam site水利论文N{P$k_9B2x.p,g

 图1给出了水库运用130年总淤积量的变化情况,泥沙淤积强度在50年附近出现转折。前50年,水库淤积主要体现为三角洲和主槽淤积,淤积强度比较大,平均年淤积量达2.75亿m3;后期泥沙的淤积主要体现为淤滩冲槽的发展趋势,这时,年泥沙淤积强度仅0.32亿m3。图1中同时给出了长科院[7]的计算结果,本计算第130年淤积总量是163.45亿m3,长科院100年时的淤积量是166.56亿m3,二者基本接近。由图1可见,130年后水库的边滩淤积可能还要持续一定的时间,由于汛后和消落期坝前水位高于145m时边滩可能发生淤积,淤积总量也还可能有所增加。作者的计算模型可以近似模拟断面形态 (但不能给出各断面的相对位置),故计算结果(图2)可展现高滩深槽的形态,这在清华大学坝区实体模型试验中是明显反映出的规律[9]。图3是水库淤积过程中的深泓高程及1%洪水位的分布情况。水利论文f$[!Yew/T}

3 三峡水库在坝前水位变化中的不恒定流动水利论文+z1n't.e6n0R`d

  为了分析降低水位冲沙的方案,计算采用了如下的运行方案:当汛末长江流量为30000m3/s时,上游引航道开始冲沙,同时将三峡下泄流量提高到40000m3/s,使水库水位降低。在本文中设定引航道冲沙的时间一律为15小时。如果坝前水位在15小时以内降低到143m,则维持143m的坝前水位直到冲沙结束;然后三峡保留22000 m3/s的发电流量,而将剩余的8000 m3/s流量用以将水库回蓄至汛限水位。操作过程中,假设闸门开关时间为1小时。水利论文 PRx2]4I/}AXy2o#za

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图3 三峡水库淤积纵剖面(深泓高程)水利论文/v;{ ~ak3~/u

Deposition processes of longitudinal profile水利论文n&b;AN4IW-BV/f0h

  水库消落的动态过程是根据不恒定流计算的。在计算中考虑了不同年份淤积对水位消落的影响,对第1~130年的不同情况进行了计算。计算的时间步长为5秒,糙率采用相应年淤积计算中的糙率,上游流量的分配假定为:长江干流25000 m3/s,嘉陵江3000 m3/s,乌江2000 m3/s。水利论文2L5x:zb._YyA

  由于水库淤积的影响,水库回水曲线在不同时期是不一样的。初期水库淤积较少,水面坡降也小,因而降低坝前水位的影响范围较远,后期淤积较多,降低坝前水位的影响范围较近。另外,由于大坝下泄流量大于入库流量,从大坝到库尾流量是沿程减小的,水库回水曲线的坡降应该大于由上游流量确定的水面坡降。图4是水库运行不同年份中相应于坝前145m高程水位的恒定回水曲线和水位降低2m过程中的不恒定回水曲线最低值之间的水体分布。这一水体也就是水库降低2m的最大排出水体。由图可见,第1年由于水库没有泥沙淤积,降低水位的影响范围较大,弃水三角体的上端可到丰都附近。随着泥沙淤积的发展,弃水三角体越来越短,三角体上段的厚度也相应减小。而且,由于后期水库边滩的发展,水面宽度也有所减小。所以,降低坝前水位要求的弃水水体的体积也不断减小。图5是降低水位冲沙过程中,水库体积的变化过程;其最大值代表冲沙结束时(第15小时)水库的最大排水量。最大排水量由初期的4.8亿m3随时间不断减小(图6),到40年左右减小到2亿m3以下;到水库淤积后期,弃水水体的体积仅1.4亿m3左右。

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图4 不同年份降低水位冲沙时,三峡水库弃水水体分布

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Surplus water blocks in different years when temporarily drawing down reservoir level by 2m

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  图7给出坝前水位的降落过程。初期需要大约12小时才能将坝前水位从145m降低到143m。到15小时冲沙完成后,坝前水位可以在12小时内恢复到145m,过程总时间约为27小时;到后期坝前水位几乎在3小时以内就可以降低到143m,冲沙后3小时又能恢复正常水位,过程总时间仅18小时。如果第1级船闸的槛顶高程能降低到138m,则冲沙完成时槛上水深大于4m,已经可以通航。这时短期降低水位冲沙的方案,不论初期或后期,要求船闸和升船机的断航时间都只有15小时。水利论文+Y;Xv!|R8dS&[n

  图8是相应过程中三峡大坝下泄流量的变化过程。三峡冲沙导致下游40000m3/s左右的洪水过程在水库运用前期持续大约10~12小时,后期则小于2小时。由于洪水的峰值和持续时间都远小于常年洪水过程,它对下游的影响是可以接受的。

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图5 降低水位时三峡水体减少过程与淤积年份的关系

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图6 三峡水库降低水位冲沙产生的最大弃水量与淤积年限的关系水利论文`${ Cu1EP,?jO(^

Water volume changes during temporarily drawing down reservoir level

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Relation of maximumsurplus water volume with time

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图7 不同年份降低水位冲沙,坝前水位变化过程

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图8 不同年份降低水位冲沙,大坝下泄流量过程水利论文5RB"KR%L

Lowering processes of water level at dam site during temporarily drawing down reservoir level

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Sluiced discharge processes during temporarily drawing down reservoir level水利论文&`I#~C0}6d&N0B

  图9给出三峡坝前水位降低时,上游各处最大的水位降低幅度。在距离大坝约160km的奉节,初期水位最多降低约1.1m;后期几乎没有影响。其上游的万县也仅是初期水位有一定的变化(小于0.6m)。小幅度降低坝前水位对涪陵、长寿和重庆等重要码头没有什么影响。水利论文Bi#{ OM6k{

  降低水位冲沙对三峡发电水头的影响如图10所示。在水位降低过程中,三峡电站可能减小一定的发电水头,最大减少值为2.4m,但总水头仍然大于正常条件下汛期(50000m3/s流量以上)的发电水头。由于目前三峡水轮机的设计水头没有最后确定,对发电影响尚难评估。如果水轮机的设计水头能够适应这一变化,则可通过增加水轮机的过流量补偿水头损失;否则,对发电量会有一定的影响,但影响时间不长;当水库回蓄时,由于下泄流量减小,坝下游水位降低,发电水头会有所增加。综合减少和增加的水头,短期降低水库水位对发电的影响应是不大的。水利论文B;t,x*EDZ.qP

  本文仅分析了长江30000m3/s流量下超泄10000m3/s的工况。当长江流量介于25000m3/s和32000m3/s之间时,采用不同的超泄流量组合的计算结果也表明各个方面的影响没有本质性变化,特别是在水库淤积后期,降低水位过程的时间和弃水量都不大于本文给出工况中的初期水平,因而是可以接受的。

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  三峡水库汛期有大量弃水,短期内弃水几亿m3(前期约5亿m3,后期小于2亿m3),小幅度降低坝前水位以加强引航道冲沙是合理的。根据三峡引航道的尺度和冲沙流速不小于3m/s的经验,引航道的水深降低2m至少可以减少冲沙流量1000~1300m3/s。由于三峡冲沙设施没有泄洪的任务,加上高水头,船闸开挖高边坡以及冲沙隧洞布置上的困难等因素,在同一冲沙流量的条件下,冲沙设施的造价和维护管理费用将远大于葛洲坝工程。短时期降低水库水位冲沙对发电的影响是值得进一步研究的问题。但降低水位冲沙对水库及下游的影响不大。经济上由于可以节约较多基建投资而存在较大的优越性。显然短期降低水位冲沙方案的主要优点是简化了三峡工程上引航道的冲沙设施。

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图9 降低水位冲沙过程中重要码头的最大水位变幅水利论文EK|NXu y8y2C

图10 降低水位冲沙过程中三峡发电水头的变化情况水利论文Wq%wN(x

Maximum stage variation at important harbors along reservoir水利论文]7dqx!C*rJ;b&t p v

Changes of productive head for TGP plant during temporarily drawing down reservoir level

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4 结论

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  三峡工程引航道的泥沙淤积的处理可参考葛洲坝三江航道成功的经验而采用“静水通航,动水冲沙”的方针。但由于三峡工程与葛洲坝工程在条件上存在较大的差异,三峡工程完全照搬葛洲坝的设计也不尽合理。三峡冲沙设施的造价和技术上的困难均大于葛洲坝工程,但在航道深度及水位控制条件等方面则又有葛洲坝工程不具备的有利条件。因此,三峡采融约流量冲沙的方式是合理的。由于小幅度降低三峡库水位可以显著提高三峡上游引航道的冲沙效果,缩小冲沙设施的规模,本文对这一方案成立与否的关键问题即水库蓄、泄水的不恒定流动进行了研究。研究结果表明:水利论文-X M;N*W8~`)ahz

  1. 每年汛后三峡开始蓄水前,亦即当长江流量不小于25000m3/s时,增大下泄流量10000 m3/s左右可以在短期内将坝前水位降低到143m,借以增加上引航道的冲沙效率。随着水库的不断淤积,水库的反馈过程将大为加快,降低水位冲沙将是一个快速而易于操作的方案。

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2.小幅度降低水位冲沙方案可以将冲沙限制在较短的时间内,不会影响正常通航;也不会对水库上游的涪陵、重庆等重要码头的作业带来任何影响。

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3. 小幅度降低水位冲沙过程可能在下游短期造成流量为40000m3/s的洪水,对下游的影响尚不很大。

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4. 如果三峡的水轮机不能适应降低2m的水头变化,降低水位冲沙会短期影响出力;但由于回蓄过程中发电水头会有所增加,总体发电损失可能不大。具体数量还有待于进一步分析比较。水利论文g\.`_n`2D

5. 短期降低水位2m可以将三峡引航道的冲沙流量规模限制在3000m3/s左右。考虑到三峡冲沙设施的造价和技术难度,采用降低水位冲沙的方案不但是可行的,而且也是可取的。

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致谢:清华大学张光斗教授提出指导意见。中国水利水电科学研究院韩其为教授级高工和长江科学院黄煜龄教授级高工为本研究提供了大力的帮助,作者均此致辞谢!

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参考文献

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