三峽升船機(jī)下游引航道水位波動(dòng)分析

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(長江水利委員會(huì)水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峽升船機(jī)下游引航道長約 2.7 km，其中距長江主河道上游約1.8 km的引航道(即西陵橋水位站至隔流堤末端)與永久船閘引航道共用(見圖1)。升船機(jī)引航道底寬僅80～90 m，高程為 58.0 m，到承船廂附近寬度縮小為18 m，水深僅有3.5 m，引航道的“盲腸”效應(yīng)十分顯著。三峽水利樞紐泄洪、電站調(diào)峰、葛洲壩反調(diào)節(jié)及船閘泄水等都會(huì)引起三峽水庫壩下游水位的變化，繼而在升船機(jī)下游引航道內(nèi)引起往復(fù)流和水位波動(dòng)。根據(jù)升船機(jī)下游引航道的設(shè)計(jì)通航條件要求，引航道水位波動(dòng)小時(shí)變幅直接影響升船機(jī)下游引航道通航水流條件，進(jìn)而影響到升船機(jī)承船廂對(duì)接過程的安全問題。

為了解升船機(jī)下引航道水位波動(dòng)情況，在升船機(jī)下引航道內(nèi)自上游至下游依次布置了0，1，2，3號(hào)和4號(hào)5個(gè)臨時(shí)水位觀測站點(diǎn)。1～4號(hào)水位站于2014年1月開始監(jiān)測，0號(hào)站于2015年3月開始觀測。0號(hào)站位于升船機(jī)下閘首附近，1號(hào)站上距升船機(jī)約1.0 km，最下游的4號(hào)站距離長江主河道入?yún)R處約1.0 km，站點(diǎn)覆蓋范圍約 4.6 km，詳見圖1。

圖1 三峽升船機(jī)下游引航道內(nèi)0～4號(hào)水位監(jiān)測站分布

2 水位波動(dòng)影響因素

基于兩壩間河段的基本水流特性，河段內(nèi)水位的波動(dòng)變化(兩壩間水動(dòng)力波傳播時(shí)間約為30 min)主要是由兩壩間調(diào)蓄水量變化(用葛洲壩5號(hào)站水位表示，下同)、三峽泄流強(qiáng)度變化引起的附加比降及水動(dòng)力波在兩壩間河道傳播和疊加造成。水位波動(dòng)較大的時(shí)段一般出現(xiàn)在兩壩間調(diào)蓄水量變化最快時(shí)段，即三峽水庫泄流量與葛洲壩水庫泄流量相差較大的時(shí)段，或三峽水庫泄流強(qiáng)度變化較大的時(shí)段，即三峽水庫突然加大或減小泄流量的時(shí)段。

2.1 三峽-葛洲壩水庫調(diào)度平穩(wěn)

本文統(tǒng)計(jì)了2014年1月至2017年9月兩壩間槽蓄量變化不大且三峽水庫下泄流量穩(wěn)定時(shí)段的0～4號(hào)水位站水位。分析結(jié)果表明，在葛洲壩5號(hào)站水位及三峽水庫下泄流量均穩(wěn)定的情況下，升船機(jī)下游引航道內(nèi)各水位站水位均有不同程度的波動(dòng)，但總體波動(dòng)都較小。

2.2 三峽水庫下泄流量變化劇烈

三峽水庫下泄流量變化主要表現(xiàn)為電站調(diào)峰和樞紐泄洪。

2.2.1 電站調(diào)峰

受三峽電站調(diào)峰影響，水庫下泄流量小時(shí)變化較大，變幅在2 000～3 000 m3/s區(qū)間內(nèi)。為了分析電站調(diào)峰流量變化對(duì)升船機(jī)下引航道水位的影響，選了葛洲壩5號(hào)站水位基本維持穩(wěn)定(小時(shí)變幅控制在10 cm以內(nèi))，而三峽調(diào)峰流量發(fā)生較大變化的特征時(shí)段進(jìn)行分析。對(duì)2014年1月至2016年9月的特征時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

受三峽電站電力調(diào)峰影響，下引航道內(nèi)各站水位小時(shí)變幅均較大。其中，0，1號(hào)和2號(hào)站水位變幅明顯大于3號(hào)和4號(hào)站，最大水位小時(shí)變幅已超出 0.5 m；3號(hào)、4號(hào)站水位變幅相對(duì)較小且基本一致。三峽電站調(diào)峰越劇烈，下泄流量小時(shí)變幅越大，下引航道內(nèi)水位波動(dòng)越大。三峽水庫下泄流量小時(shí)變幅大于2 000 m3/s時(shí)，0號(hào)站水位最大小時(shí)變幅大于0.4 m；流量小時(shí)變幅達(dá)3 000 m3/s時(shí)，0號(hào)站水位最大小時(shí)變幅已超過0.5 m。當(dāng)三峽調(diào)峰流量大小相同時(shí)，調(diào)峰流量增大較流量減小對(duì)水位的影響更大。

2.2.2 樞紐泄洪

汛期，當(dāng)三峽水庫下泄流量超過機(jī)組滿發(fā)流量時(shí)，將先開啟泄洪深孔調(diào)節(jié)泄流，每孔泄流約為2 000 m3/s，整個(gè)閘門啟閉時(shí)段約為20 min。本次選取不同時(shí)段深孔泄洪流量來分析三峽泄洪調(diào)節(jié)過程中升船機(jī)下引航道內(nèi)各站水位的變化情況。統(tǒng)計(jì)分析了2014～2016年三峽泄洪流量變化時(shí)段0～4號(hào)站水位的小時(shí)變幅。

升船機(jī)下引航道內(nèi)水位變幅隨下泄流量變幅增大而增大，且越靠近上游，水位變幅越大。下泄流量變幅相同時(shí)(啟閉的深孔個(gè)數(shù)及各深孔開度一致)，啟閉深孔的操作時(shí)間越短，對(duì)水位的影響越大，水位變幅更為劇烈。1號(hào)站水位最大小時(shí)變幅已接近 0.9 m。下泄流量變幅相同時(shí)，三峽水庫下泄流量越大，下引航道內(nèi)各站水位變幅越大。

2.3 葛洲壩5號(hào)站水位變化

根據(jù)《三峽(正常運(yùn)行期)-葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》的要求：“葛洲壩庫水位(葛洲壩5號(hào)站水位)日變幅最大為3 m，小時(shí)變幅小于1 m”。本文主要分析的是葛洲壩5號(hào)站水位變化對(duì)升船機(jī)下引航道內(nèi)水位的影響，故選取三峽水庫下泄流量基本維持穩(wěn)定而葛洲壩5號(hào)站水位變化較大的時(shí)段，統(tǒng)計(jì)分析0～4號(hào)站水位變化情況。

在三峽水庫下泄流量基本穩(wěn)定的情況下，下引航道水位變幅基本與葛洲壩5號(hào)站水位變化趨勢(shì)一致，且量級(jí)基本相同，仍然表現(xiàn)出0號(hào)站水位變幅大于下游各站水位變幅的規(guī)律。

2.4 三峽-葛洲壩梯級(jí)調(diào)度劇烈

升船機(jī)下游引航道內(nèi)水位的變幅受三峽水庫下泄流量和葛洲壩庫水位的影響，且實(shí)際情況常常受兩種因素的共同影響。為了分析在上述兩種因素同時(shí)影響下引航道內(nèi)水位變化的情況，結(jié)合三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫的調(diào)度情況，分別選取三峽水庫下泄流量減小且葛洲壩5號(hào)站退水較明顯、三峽水庫下泄流量減小且葛洲壩5號(hào)站漲水較明顯、三峽水庫下泄流量增大且葛洲壩5號(hào)站退水較明顯、三峽水庫下泄流量增大且葛洲壩5號(hào)站漲水較明顯的4種具有代表性的典型過程來分析下引航道內(nèi)各水位站的水位變化情況。

在三峽水庫下泄流量和葛洲壩5號(hào)站水位同時(shí)變化的共同作用下，0號(hào)站水位最大變幅約為0.91 m。當(dāng)三峽水庫下泄流量減小時(shí)，若葛洲壩5號(hào)站水位上漲，航道內(nèi)水位波動(dòng)將減小，小時(shí)最大變幅仍可超 0.50 m；若葛洲壩5號(hào)站水位下降，航道內(nèi)水位波動(dòng)將加大，小時(shí)最大變幅可達(dá)到 0.91 m。當(dāng)三峽水庫下泄流量增加時(shí)，若葛洲壩5號(hào)站水位上升，航道內(nèi)水位波動(dòng)將加大，小時(shí)最大變幅達(dá)到0.85 m；若葛洲壩5號(hào)站水位下降，航道內(nèi)水位的波動(dòng)將減小，小時(shí)最大變幅仍可超過 0.50 m。在三峽水庫下泄流量變化和葛洲壩5號(hào)站水位變化共同影響下，下引航道內(nèi)各水位站水位仍符合由下游到上游水位變幅逐漸增大的規(guī)律。

典型時(shí)段2016年6月6日22:00～0:00，三峽水庫下泄流量由23 200 m3/s減至18 700 m3/s、葛洲壩5號(hào)站水位減小 0.68 m，4號(hào)站水位小時(shí)降幅為 0.85 m，0號(hào)站達(dá) 0.91 m。0～4號(hào)站水位變化典型過程見圖2～3。

圖2 三峽水庫下泄流量及葛洲壩5號(hào)站水位同時(shí)變化典型時(shí)段各站水位變化過程

圖3 三峽水庫下泄流量及葛洲壩5號(hào)站水位同時(shí)變化典型時(shí)段0～4站水位最大小時(shí)變幅

2.5 船閘沖泄水

船閘泄水位置在2～3號(hào)站之間，日均泄水量約為70～100 m3/s，較三峽水庫下泄流量偏小較多，且過程相對(duì)緩慢平穩(wěn)，因此船閘泄水不是影響升船機(jī)引航道內(nèi)水位變化的主要因素。

表3 2015～2016年典型時(shí)段0號(hào)站水位變幅統(tǒng)計(jì)

2.6 0號(hào)站水位小時(shí)變幅

升船機(jī)下引航道水位波動(dòng)幅度從上游至下游呈減小趨勢(shì)，越靠近升船機(jī)波動(dòng)越大。升船機(jī)下引航道設(shè)計(jì)通航水位條件最大水位變率約±0.50 m/h，船舶進(jìn)出承船廂的時(shí)間為8 min。但是，在三峽水庫下泄流量持續(xù)增加或減小、葛洲壩5號(hào)站水位持續(xù)升高或降低的情況下，下引航道水位將持續(xù)波動(dòng)上漲或下降。在此期間，0號(hào)站小時(shí)水位變幅可能會(huì)在超過 0.50 m的范圍內(nèi)持續(xù)一段時(shí)間，對(duì)升船機(jī)船閘承船廂的運(yùn)行極為不利。2015～2016年0號(hào)站小時(shí)水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時(shí)間超過5 min時(shí)段見表1～2。

表1 2015年0號(hào)站小時(shí)水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時(shí)間超過5 min時(shí)段

表2 2016年0號(hào)站小時(shí)水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時(shí)間超過5 min時(shí)段

注：“-”為0號(hào)站水位在調(diào)試期。

0號(hào)站水位小時(shí)變幅超過 0.50 m的累計(jì)時(shí)間少于升船機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間的1%。0號(hào)站水位小時(shí)水位變幅較大、超過 0.50 m持續(xù)時(shí)間較長的時(shí)段主要在汛期(6～9月)，持續(xù)最長時(shí)間達(dá)50 min(見表3)。水位變幅較大、持續(xù)時(shí)間較長的時(shí)段同時(shí)受三峽水庫下泄流量和葛洲壩5號(hào)站水位變化的影響。

3 口門區(qū)與承船廂附近水位波動(dòng)關(guān)系

一般情況下(口門區(qū)水位波動(dòng)不明顯)，4號(hào)站水位波動(dòng)傳播至0號(hào)站時(shí)的時(shí)間大于10 min。在典型工況下(口門區(qū)水位波動(dòng)較明顯)，引航道口門區(qū)產(chǎn)生的非恒定流長波傳播至升船機(jī)承船廂附近大概需要6～10 min。目前，引航道內(nèi)的各水位監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為每分鐘一次，因此通過建立口門區(qū)4號(hào)站與0號(hào)站的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)傳播時(shí)間預(yù)測不同工況下0號(hào)站的水位波動(dòng)值，即可及時(shí)采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施，包括及時(shí)通知船舶停止運(yùn)行、關(guān)閉船廂門、解除船廂鎖定、提升承船廂等?？陂T區(qū)4號(hào)站與0號(hào)站的相關(guān)關(guān)系[1]如下：

(1)

式中,ΔHc為承船廂附近波高，m；Hc為承船廂水深，m；ΔHk為口門區(qū)波高，m；hk為引航道口門底高程，m；hs為引航道口門水位，m。

由于口門區(qū)水位波動(dòng)越明顯，傳播到承船廂附近的水位波動(dòng)越大；而傳播時(shí)間越短，相當(dāng)于越不利的情況反應(yīng)的時(shí)間越短，因此需要采取更及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)三峽電站調(diào)峰較大、樞紐泄洪及葛洲壩水位劇烈變化時(shí)，可通知航運(yùn)部門加強(qiáng)監(jiān)視，提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備工作。

4 結(jié) 論

三峽水庫下泄流量變化和葛洲壩5號(hào)站水位變化是引起下引航道內(nèi)水位波動(dòng)的主要原因。三峽水庫下泄流量或葛洲壩5號(hào)站水位變化越大，下引航道內(nèi)的水位波動(dòng)越大。二者同時(shí)增大或減小時(shí)，下引航道內(nèi)的水位波動(dòng)最為劇烈，水位小時(shí)最大變幅可達(dá) 0.91 m。相同的下泄流量，通過泄洪深孔調(diào)節(jié)引起的水位波動(dòng)比電力調(diào)峰調(diào)節(jié)引起的水位變化更劇烈。各種工況下，水位波動(dòng)從下游至上游均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，引航道內(nèi)越靠近升船機(jī)水位波動(dòng)越大。

承船廂附近的水位波動(dòng)與口門區(qū)的水位波動(dòng)密切相關(guān)，減小口門區(qū)的水位波動(dòng)可減小承船廂附近水位波動(dòng)，從而減小因水位波動(dòng)引起的對(duì)承船廂對(duì)接安全的影響。而口門區(qū)的水位波動(dòng)變化較大的時(shí)段是三峽-葛洲壩槽蓄量變化較大、三峽水庫下泄流量變化的時(shí)段，可通過以下手段減小水位波動(dòng)：①調(diào)峰時(shí)勻速增減機(jī)組，避免同時(shí)開啟多臺(tái)機(jī)組；②盡量減少閘門開關(guān)頻次或延長開關(guān)閘門時(shí)間；③盡量避免葛洲壩水位大幅波動(dòng)等。