葛洲坝大江船闸下游航道通航水流条件试验研究分析(赵连白,刘万利,张秀琴)

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葛洲坝大江船闸下游航道通航水流条件试验研究分析水利论文2n;]7ii7|)U:z7Pr

赵连白,刘万利张秀琴
5J's.I)qc z`0交通部天津水运工程科学研究所)
水利论文Cr/RKkH.xcY1p

摘要:本文通过天然实测资料分析和模型试验,研究了葛洲坝大江下游航道的通航水流条件,指出了大江航道目前所存在的主要问题和枢纽调度运用对下游航道所产生的影响,同时预报了未来三峡工程蓄水运用后本河段可能产生的影响,为决策部门提供了科学依据。水利论文E+J#?;a_0I2Xb4W+D

关键词:葛洲坝;通航水流条件;工程措施水利论文kzP zK D}G{

作者简介:赵连白(1963-),男,交通部天津水运工程科研所副研究员。

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1 前言水利论文-C[b%p A;C sj

葛洲坝大江下引航道原设计最高通航流量为35000m3/s,自枢纽运用以来,由于受泄水闸泄流的影响,造成下游流速、流态变化、涌浪汹涌而影响船舶安全航行,目前通航流量小于20000m3/s,远远低于原设计标准。十多年来的运行实践表明,葛洲坝枢纽大江、三江下游航道目前存在的主要问题是:大江下引航道中枯水时口门区的斜流对船舶顺利进出大江船闸有所影响;纱帽山以上航段有较大的涌浪,已超出船舶航行的波高标准,对船舶安全航行造成严重威胁;中下段笔架山~李家河段中洪水流量时,比降陡、流速大,船队难以顺利上行。三峡工程将从2003年起开始初期蓄水,届时,坝下河床又将开始新一轮的冲刷,大江下游航道的水位进一步下降,局部流速与比降也将进一步的增大,流速流态等通航条件将进一步恶化。因此,很有必要采取整治工程措施,以确保三峡施工期内葛洲坝近坝段的顺畅通航。

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本次试验是在葛洲坝枢纽~虎牙滩河段1:150的正态模型上进行的。制模地形采用1995年12月枯水实测地形。试验中采用了清华大学研制的表面流场自动测量系统进行流场测量,采用中国水利水电科学研究院研制的超声波水位仪进行波高测量,利用本所研制的小比尺遥控自航船模进行船模试验,船型选用了已有的三峡工程1:150通航船队模型中的六驳船队和九驳船队作为此次试验的主要船队。水利论文!G:fk];X OK$m6m

2 河道概况

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葛洲坝枢纽系径流式电站,位于宜昌水文断面上游约6.4km,枢纽左右两岸分别布置三江及大江航道,大江航道上起巷子口,下至卷桥河,全长约7.5km,其中坝轴线以下为大江船闸下游航道(图1),简称大江下游航道。

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大江下游航道设计最高通航流量为35000m3/s,允许通过12 000吨级大型船队,设计最低通航水位39.00m(吴淞高程,下同);河底开挖高程33.5m,最低通航水深5.5m,最小航宽180m,航道弯曲半径为1000m。水利论文&S6{[ j)e r%`9~e

大江下游航道于1988年汛期实船试航后,并经过1989~1990年枯季首次基建性疏浚,设计航道基本形成。1990年3月上旬又进行了枯水实船航行试验,试航表明:(1)大江下游航道水流流态复杂,局部河段比降陡,流速大;(2)涌浪对船舶安全航行构成威胁,航行条件恶劣;(3)通航流量仅限于20000m3/s以下,难以达到原来设计标准。

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1 葛洲坝大江下游航道示意图
{A jo%v)@B0Fig.1 Sketch of Dajiang downstream channel, Gezhoeba
2 下导航墙~笔架山流线图
w?z0g]0Fig.2 Flow pattern between navigation wall and Bijiashan

3 大江下游航道航深分析

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坝下宜昌站设计最低通航水位为39.0m,大江下游航道设计底高程为33.5m,由于葛洲坝运用后,坝下水位降低1m左右,因而通航最低水位和最小水深已难以达到原设计标准。本文依据所收集的资料,对大江下游航道航深作了初步分析,结果如下:水利论文D r'X;IFhG \%Jo

(1)枯水航深:从多年来实测纵剖面图来看,坝下2.8km范围平均河底高程33m,而2.8~3.2km范围内平均河底高程约35m。目前设计流量Q=3200m3/s情况下,宜昌水位维持在38.0m左右,紫阳河的水位也仅38.3m左右。这说明坝下2.8~3.2km范围的水深也仅3.3m左右,远达不到设计5.5m的要求。由此说明,大江下游航道枯水期水深也不容乐观,突出问题将表现在坝下2.8~3.2km范围内的李家河附近的浅滩段。水利论文T]f3H2K

(2)历年最小航深统计:依据几次实测地形及相应水位,统计了大江下游航道历年来最小航深,结果发现,在7个年份的测图中,就有5年的水深基本在3.3m左右,一般为洪水期或汛后走沙时期,位置多在下导航墙口门附近及笔架山附近段,而这个区域正是汛期回流范围区,反映了回流淤积是造成此段航深不足的主要原因。由此看来,大江其航深不足现象在枯水期、汛期及汛末都随时可能发生,因此今后应加强此范围内的观测工作,及时进行疏浚,以免影响正常航运。

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4 通航期流速流态的变化[1]水利论文zB3}Vn

大江下游航道设计最高通航流量为35000m3/s,小于此流量时为通航期。当流量大于45000m3/s时,进行泄洪。为了分析通航期不同流量时口门区的流速、流态,在模型上进行了5000~35000m3/s共七个流量级的试验,分析结果表明:水利论文%L}[%UY C&y5Fp

(1)当流量小于15000m3/s时,虽然口门区~笔架山一带回流范围小,但下导航墙附近存在一定强度的斜流,斜流流速可达1~1.7m/s之间(图2),与航道线夹角约10°~30°之间,垂直于航线的横向流速介于Vx=0.2~0.7m/s之间。根据船闸设计规范(试行)和交通部三峡办提供的有关规定,口门区水流表面平行于航线上的纵向流速Vy≤2.0m/s,垂直于航线的横向流速Vx≤0.3m/s,回流速度Vr≤0.4m/s,由此可知,横向流速超过所要求的标准,这样容易造成船队的漂角过大、舵角过大而操纵困难(图3),对船舶安全进出下闸门造成威胁。当流量大于15000m3/s时,下导航墙至笔架山一带存在较大范围的回流缓流区,回流长约1000~1300m,宽约200~300m(图4),回流速度0.2~0.9m/s,绝大部分为0.3~0.6m/s之间。回流范围随着流量增大而增大,回流流速随着流量增大而减小。这主要是由于洪水期,在笔架山卡口段以上形成较大的壅水而导致比降变小所造成。从坝轴线处河宽1700m缩至笔架山一带河宽800m,河宽收缩率为0.4,河宽的急剧缩小甚易造成洪水期流量难以顺利下泄,导致其上游比降减小,甚至倒比降,从而使流速减小,回流强度减弱。

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3 六驳船模航行状态(Q=15000m3/s)
/x{2Bo1tY0Fig.3 Navigation trace of 6-barges fleet going upstream
4 Q=24300m3/s时表面流速场面(模型)
A4iN;f1`Pjm.f0Fig.4 Surface flow field in the physical model

(2)从口门区以下航道区域流速等值线分布图可知,枯水流量时,水流脱离下引航墙时流速较大,可达1.0~1.6m/s,因流速较大,在其下游迅速扩散后形成较大的斜向流速;而流速在横向分布上,导航墙内及其以下航道上流速梯度变化较大,其范围为0.2~1.6m/s;中洪水流量时,受下游卡口壅水影响,其水流分离下导航墙时流速仅为0.8~1.0m/s且流向几乎与引航道成平行状态,下导航墙区域流速为0.4~0.8m/s之间。这表明,中洪水时,船闸下闸首至下导航墙一带的通航条件要好于中枯水。水利论文|yN~SV _r~ {

(3)与引航道口门区不同,笔架山~李家河一带中洪水时为流速大、比降陡的急流段,通航条件较差。当流量从20000m3/s增大到35000m3/s时,该段航道处流速约从2.5m/s增大到3.5m/s,主流线处最大流速可接近4.0m/s(图8)。河段内以鄂西船厂~李家河局部比降为最大(表1),并且中水流量时该段比降要大于洪水或枯水期比降;从流速与比降的数值看,中水时期船舶上行最为困难。水利论文[3N+Z I _[3o ?!hG

(4)泄水方式不同,下游主流线位置就有所不同。通过Q=24300m3/s和Q=28000m3/s两个流量级两个断面的流速测量资料分析后可知:当单泄方式采取左区泄水时,对下游主流线位置产生较大影响,使得主流在笔架山以下河段靠近右岸,航宽范围内的流速明显增加,这对船舶航行影响较大。而采取右区、中区或右中、左右联泄时,航宽范围内的流速基本接近,变化不大,且主流线位置也基本未变。

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(5)泄水方式对下游流场的影响:以流量Q=24300m3/s为例,见图5。当采取右区泄水时,紫阳河~笔架山一带虽有回流缓流区,但范围和强度较小,而采取左区泄水时,该范围内则产生一强烈的回流区,纵向流速1.0~1.5m/s,回流速度可达0.3~1.2m/s,远大于所要求的0.4m/s指标,回流直接波及到航道,使得船舶航行至此范围内,操纵困难,不利于安全进出下引航道。水利论文%R5XP o1H,c

5 不同流量级时局部比降的变化

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本河段地形相对变化剧烈,深槽浅滩交替出现,导致局部水面比降差异较大,水流纵向流速差别也大,局部段水面比降变化见表1,由表可知:

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(1)紫阳河~笔架山段各级流量下比降变化不大,相对而言,比较平缓,中洪水时,该段甚至出现倒比降。这主要受紫阳河~笔架山一带河宽急剧缩小而导致洪水下泄不畅所致。

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5(a) 左区泄水时口门区流场图
/W&HhZ![H9\#I7g"eqT0Fig. 5(a) Flow field when the left spillway opened
5(b) 右区泄水时口门区流场图水利论文 g)kd[.epd3Ke2]a4W
Fig. 5(b) Flow field when the right spillway opened

  (2)上下深槽段(笔架山~鄂西船厂及李家河下游)各流量级的比降变化不大。笔架山~鄂西船厂介于0.9~2.4×10-4之间,李家河下游介于-0.9~2.2×10-4水利论文1gK#`+sz_JT

(3)全河段中李家河一带(鄂西船厂~李家河)比降较大,特别是在中水期比降大,可达3.1×10-4。相比较而言,枯水与洪水期比中水期相对平缓,但仍明显地大于其他局部段。由于本段比降大,流速急,对航舶上行造成极大困难,因此,该段航行条件的改善应着眼于工程措施达到调缓比降、降低流速的目的。水利论文8?n#U&E&A+Y;H BD}

1 局部比降变化表(10-4)水利论文oN n-nN/y3s

Table 1 changes of local slopes of water surface

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流量(m3/s)紫阳河~笔架山笔架山~鄂西船厂鄂西船厂~李家河李家河以下

5660-0.670.631.260.72
101000.131.562.18-0.36
150000.7522.432.49-0.36
20600-0.381.253.122.16
24300-0.651.561.881.08
28000-0.10.932.18-0.93
35000-0.220.931.87-0.9

6 泄水方式及泄水波波高的变化

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大江下游航道波浪的形成,主要是二江泄水闸造成的。出自二江泄水闸下泄的高速水流,由于具有较大的动能,使其下游产生非周期性的波动,水面发生较大的不规则波浪向下游传播,形成纵向波;另一方面,二江泄水闸的水流在西坝突嘴强烈的挑流作用下,以约50°左右的交角向大江一侧的水流顶冲,加之下导航墙较短(比模型试验确定的长度短900m左右),难以阻挡,使得下导航墙~笔架山段的回流、缓流区形成横向波。由于波高较大,又横向传播,而船宽远小于波长,使得船只行驶至此,左右摇晃,影响船舶安全行驶。实船试航表明,船队行驶至此航段,驳船左右摇晃,船只之间缆绳吱吱作响,试航船队驳船间最大相对升降幅度达1.0m,推轮横倾达7°,反映了涌浪对船舶安全航行的严重威胁。水利论文X"M:H"qee8RF

为了反映二江泄水对大江航道影响,除原型A、B两个实测点外[2],在模型上,我们从船闸下闸门至笔架山一带增加了6个波高测点,同时,为了反映宜昌船厂水域一带波高的变化,又在该水域增加一个测点(7#测点),见图1。波高测量是采用中国水利水电科学研究院研制的超声波水位仪进行波高测量。该仪器具有较高的测量精度,误差仅为0.1mm,同时提供了平均波高、最大波高、1/10波高和1/3波高等统计特征值。波高测量结果资料表明:

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(1)由于二江泄水方式不同,波高就不同,故比较时,均采用同一开启方式。图6(a)为二江泄水闸同为左右开启方式时不同流量级的波高变化,此图表明,随着流量的增加,波高逐渐增大。

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(2)沿程的变化,表现为两头小、中间大的特点,同流量时,多以4#测点波高最大见图6(b)。水利论文 i)d5K"q"hZ)KF ~@

(3)泄水方式对波高产生较为明显的影响,图6(b)为流量28300m3/s的不同泄水方式时的各个测点的波高变化图,图7为不同泄水方式时波高的变化。由图可知,同样流量的情况下,同一测点的波高可相差数倍,就左区、中区、或右区单独泄水而言,左区泄水时,下游波高最大,中区泄水时波高最小。左区泄水时产生波高大的主要原因有二:其一,左区泄水的高速水流直冲西坝凸嘴磷肥厂一带,经折射后直达笔架山一带,水流易形成较大的涌浪;其二,下泄等量的水量时,左区仅六孔,而中区有12孔,左区的单宽流量是右区的一倍,水流能量相对高度集中,因此产生的波高就高。如果采取左右、左中、右中或左中右联合泄水时,则波高明显变小(图6(b),图7(b)),其中以采取左右联合或右中联合泄水时波高为最小。当流量分别为24300m3/s和28300m3/s时,笔架山上游一带最大波高分别达0.4~0.5m和0.5~0.6m,平均波高分别为0.25m和0.30m左右;船闸下闸首和下导航墙最大波高为0.3m左右,平均波高为0.20m左右。因此,当流量超过20000m3/s以上时,建议采取联合泄水方式进行泄水,以左右区或右中区泄水为佳,避免单区泄水。水利论文 w#E3P4M;?'a"jm,l

6(a) 最大波高与流量关系水利论文7tm%vD-\-J0i R
Fig.6(a) Relation between discharge and wave height
6(b) 同流量不同泄水方式时波高沿程变化水利论文*edpfim
Fig.6(b) Variation of wave height with sluice style
7(a) 单独泄水时波高变化(左区)
8qsiIUCK? l0Fig.7(a) Status of wave when the left spillway

7P$Z}v"qB1W)wib1[0is opened
7(b) 组合泄水时波高变化(左右区联泄)水利论文 B;a%nr#dR"|'h/f
Fig.7(b) Status of wave when the left and right spillways are opened

(4)就波高与流量和泄水方式的关系而言,泄水方式对波高的影响要大于下泄流量的影响,特别是开左区泄水时,这一点特别明显。其他开启方式时,则差别不大。水利论文&J)HtvSU*c

(5)单开二江泄水闸左区或右区泄水,对磷肥厂及宜昌船厂(7#测点)都会产生较大的波高,这对船厂水域正常作业将产生较大的影响,而左右泄水时,水面波动则明显地减小。水利论文p-M E%u:y4sS3h3r

(6)根据船闸设计规范(试行)和交通部三峡办提供的有关规定,船闸口门区的波浪高度不应高于0.4~0.5m,当流量大于20000m3/s左右时,波高大于规定标准。

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7 三峡建坝后对大江航道的影响分析

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三峡工程已于1997年成功地实现大江截流工程,并将于2003年进行初期蓄水,这将导致坝下河段开始新一轮的冲刷,水位将继续下降,据初步计算,在135m蓄水末期,宜昌水位在目前基础上,要继续下降1m左右,届时,不仅三江航道出现断航威胁,而且葛洲坝坝下大江航道枯水水深也将出现航深紧张的局面。水利论文9`4J}-QpMYw

当模型尾门控制水位下降1m时,本河段水位下降约0.7~0.8m,将导致本河段流速加大,与不下降时水位比较,同流量时流速增大约0.2~0.5m/s,如流量35000m3/s时,航线附近的流速则从3.5m/s~3.7m/s增大到3.7m/s~4.0m/s左右(图8);与此对应,李家河一带急流段的比降将加大,局部比降可达4×10-4以上。局部流速和比降的变化,远远超过万吨级船队通航的标准。这将严重影响该河段的船队航行。另外,由于水面下降,将加大下导航墙口门区一带流速,对船舶顺利进出下引航道都将产生影响。

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尾门水位在目前基础上而下降1m时,本段浅区水深减小,流速增大,比降变陡,航道水流条件恶化,通航流量级将下降到15000m3/s以下。

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8 断面流速变化比较
@\%M n7A0Fig.8 Variation of flow velocity along the section

由上述资料初步分析可知:三峡工程在135m初期蓄水阶段,若下游水位下降,将对大江航道产生极为不利的影响,集中体现在李家河一带。流速增大,比降加陡,通航流量降低,即使“W”工程实施后,通航流量也将难以达到20000m3/s,水位下降所带来的负面影响将使工程效果化为乌有。另外,口门区的回流速度也将有所增大。因此,在进行目前整治工程措施研究阶段,应将重点放在工程未来应用效果的研究之上,以期达到更好的整治效果。水利论文IS$k._)K

8 结论与建议

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(1)本河段原型情况时,水流流态复杂,通航条件较差,主要表现为:中枯水期船闸引航道口门区有斜流回流存在,对船舶顺利进出引航道口门造成影响;李家河段中洪水时期流速大,比降陡,船队上行困难,通航流量限于20000m3/s以下;笔架山一带,较大的涌浪对船队航行造成影响。

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(2)从流量角度而言,中洪水时期口门区水流条件要好于枯水期;而李家河河段中洪水期尤其是中水流量级时水流条件却较差,波浪高度随流量增大而增高;最大波高出现在笔架山一带(A点、4#、B点、5#)。

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(3)二江泄水闸不同的开启方式对下游流速分布、水流流态和波浪高度都产生较为明显的影响。从波浪角度而言,单区开闸泄水,以左区最差,中区最好,以联合泄水而言,以左右区同时泄水为最佳。此时,波浪高度会明显的减弱,航道内最大波高仅为0.69m(Q=35000m3/s);就流态而言,开左区时笔架山上游形成一大范围的较强的回流区,直接波及到航道;明显地比其他开启方式时的回流缓流区范围要大,强度要强;而采取组合方式时,则不会产生这一现象;另外,开左区时,在李家河以上,航道线上的流速有所增大。综上所述,就二江泄水闸开启方式,以采取组合方式为佳;建议对于超过20000m3/s以上的流量,应采取左右区同时泄水方式。

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(4)磷肥厂及船厂位于西坝凸嘴的下游,受岸线凹进的影响,现状情况下,各流量级都在该区域内形成一定范围的回流区;二江泄水闸不同的开启方式对该段水域也产生明显影响;左区或右区泄水时,形成较大的涌浪现象;相比较而言,采取左右区同时泄水,波高则较小;

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(5)三峡工程在2003年蓄水运用后,大江航道通航水流条件将会进一步恶化,流速与比降均加大,因此,建议结合三峡工程的情况对此段航道进行整治,改善通航条件已迫在眉睫;另外,水位下降也同样的会造成三江航道面临断航的威胁,只有采取工程措施以阻止水位进一步下降,才能使大江和三江的航道畅通。同时,三江与大江航道如何调度运用,才能确保长江航运畅通无阻,也需及时研究解决,以防患于未然。水利论文;z2\0C8{OE6z

参 考 文 献

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[1] 赵连白。葛洲坝下游大江航道航行条件分析及治理措施研究。长江三峡工程泥沙和航运问题研究成果汇编(Ⅱ),交通部三峡办公室编,1997年。P1017.水利论文,h9RyG$UN{Y!T2O[

[2] 陈辉。三峡水利枢纽安全通航允许泄水波标准观测研究报告[R]。长江三峡工程泥沙和航运问题研究成果汇编(Ⅱ),交通部三峡办公室编,1997.P1465.水利论文NsWZb i d Bf

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