三峽—葛洲壩間河段汛期通航水流條件研究

孟鑫

摘 要：兩壩間河段是長江中上游的咽喉河段，受兩岸高山峽谷制約，汛期水流流速大、比降大，呈洪水急流灘特性，再加上受三峽電站調(diào)峰和葛洲壩電站反調(diào)節(jié)的雙重影響，通航條件極其復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)多，監(jiān)管壓力大，通航管理要求高。本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型模擬分析了恒定流和非恒定流條件下重點(diǎn)灘段的水位、比降、流速等水流特性，研究成果可為兩壩間適航流量研究提供技術(shù)支撐，為兩壩間河段船舶航行和通航管理等提供參考。

關(guān)鍵詞：兩壩間河段;汛期;水流條件;非恒定流

中圖分類號(hào)：U641? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0012-04

1 引言

三峽至葛洲壩兩壩間河段長約38km，其中，樂天溪至南津關(guān)26km河段處于峽谷區(qū)，平面形態(tài)蜿蜒曲折，河谷陡峭，河槽窄深，河道斷面多呈“U”型或“V”型斷面，河道縱剖面跌宕起伏。當(dāng)汛期大流量時(shí)，由于河道狹窄，水流不暢，坡陡流急，流態(tài)紊亂，航行條件險(xiǎn)惡，尤其是水田角、喜灘、大沙壩、偏腦等洪水急流險(xiǎn)灘和彎度達(dá)到90°的石牌彎道等險(xiǎn)灘情況最為突出，是川江航道中船舶航行最為困難的區(qū)段[1-3]。尤其是在三峽電站調(diào)峰和葛洲壩反調(diào)節(jié)過程中，兩壩間非恒定流產(chǎn)生的附加流速和附加比降會(huì)增加船舶航行阻力，加大船舶上行難度。為配合三峽—葛洲壩兩壩間航道船舶適航流量研究，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型模擬分析了恒定流和非恒定流條件下重點(diǎn)灘段的水位、比降、流速等水流特性，為兩壩間適航流量研究提供技術(shù)支撐，為兩壩間河段船舶航行和通航管理等提供參考。

2 汛期恒定流水流特性分析

根據(jù)《三峽—葛洲壩樞紐河段通航管理辦法》，兩壩間河段最大通航流量為45000m3/s，限制性通航流量為25000～45000m3/s。為詳細(xì)研究通航期大流量條件下兩壩間水力要素的變化規(guī)律，共計(jì)算了9種流量級(jí)，分別為25000m3/s、27500m3/s、30000m3/s、32500m3/s、35000m3/s、37500m3/s、40000m3/s、42500m3/s、45000m3/s。

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》，葛洲壩水利樞紐正常運(yùn)行水位66m，最低運(yùn)行水位為63m。2012—2015年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，三峽下泄流量25000m3/s時(shí)，葛洲壩壩前水位一般為64.5～66.5m。因三峽下泄流量相同時(shí)，葛洲壩水位越高，兩壩間航道流速、比降趨于減小，航行條件相對(duì)變好;汛期兩壩間相同來流情況下，葛洲壩壩前最低運(yùn)行水位63m，是兩壩間航道最不利工況條件。因此，在恒定流水流分析中，重點(diǎn)以葛洲壩壩前水位63m與三峽不同下泄流量組合情況下的工況開展，葛洲壩壩前水位65.5m作為對(duì)比，重點(diǎn)灘段水流條件主要以典型航線上的流速、比降進(jìn)行分析。

2.1 重點(diǎn)灘段航線流速

對(duì)水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦等5個(gè)重點(diǎn)灘段的上行和下行航線（圖1）最大流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1～2），并對(duì)葛洲壩水位65.5m與63m情況下各灘段航線最大流速的變化率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（表3），結(jié)果表明：

（1）隨三峽下泄流量增大，各灘段的上行和下行航線最大流速均呈增大態(tài)勢(shì)，且航線最大流速一般是上行航線小于下行航線。

（2）相同條件下，各灘段上行航線最大流速中，喜灘與大沙壩較為接近，總體上以大沙壩最大。

（3）在葛洲壩水位65.5m時(shí)，各灘段的上行、下行航線流速有所減小，在分析灘段中，上行、下行航線流速變化一般小于0.3m/s，最大變化率一般小于8%，各灘段流速主要受河道流量控制，葛洲壩水位變化的影響相對(duì)較小。

2.2 重點(diǎn)灘段比降

計(jì)算水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦等5個(gè)重點(diǎn)灘段平均水面比降（葛洲壩水位63m），并以200m間距（約為2倍船長）對(duì)各灘段的上行航線局部最大水面比降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和變化率分析（葛洲壩水位63m、65.5m，表4～6），結(jié)果表明：

（1）隨三峽下泄流量增大，各灘段的平均水面比降與上行航線局部最大水面比降均呈增加趨勢(shì)。

（2）在葛洲壩水位63m時(shí)，相同流量級(jí)下，各灘段平均水面比降以喜灘為最大，其次為水田角、偏腦、大沙壩，南津關(guān)河段最小;各灘段上行航線局部最大水面比降以水田角為最大，其次為喜灘、偏腦、大沙壩，南津關(guān)河段最小。

（3）在葛洲壩水位63m時(shí)，從各灘段的平均水面比降來看，在流量45000m3/s時(shí)，一般小于0.3‰，但以各灘段上行航線局部最大比降來看，各灘段的比降顯著增加，且存在局部大比降現(xiàn)象。

（4）在葛洲壩水位由63m增加至65.5m時(shí)，各灘段的上行航線局部比降主要呈減小態(tài)勢(shì)，在分析流量級(jí)下，水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦、南津關(guān)等灘段的比降最大變化率分別為15.7%、12.%、4.6%、21.4%、9.2%、10.9%，除石牌上行航線局部最大比降變化率超過16%外，其余灘段上行航線局部最大比降變化率均小于16%，總體來看，葛洲壩水位在63m～65.5m變化時(shí)，各灘段上行航線局部最大比降也主要受河道流量控制，葛洲壩水位變化的影響也不大。

2.3 重點(diǎn)灘段流場(chǎng)

各典型灘段均存在不同程度的回流現(xiàn)象，回流流速隨著河道流量的增大而增大，各重點(diǎn)灘段具體表現(xiàn)為：

（1）水田角：彎頂左右兩側(cè)均形成較大范圍的對(duì)口回流區(qū)，彎頂處流向基本保持一致。水田角河段回流對(duì)主河道寬度影響最大，隨著三峽下泄流量的增加，回流長度逐漸增加，回流區(qū)的存在較大程度地減小了斷面有效過水面積，使得斷面主流流速大大增加。

（2）喜灘：河面狹窄，河床窄深，河勢(shì)順直，出口段下游連接彎曲河段，主流靠近左岸，流速左緩右急。受兩岸地形控制，在白馬沱附近形成對(duì)口回流，三條溝上游形成錯(cuò)口回流。

（3）大沙壩：上游河勢(shì)微彎，中段河面收縮，為洪水急流灘，存在零星回流區(qū)分布，回流流速較小，各流量級(jí)下回流區(qū)范圍變化不大。大沙壩橫駛區(qū)附近（大沙壩岸嘴處）有斜流。

（4）石牌：急彎險(xiǎn)灘，河勢(shì)急轉(zhuǎn)達(dá)90°左右，受下段石牌巖盤的影響，深泓北折，主流橫向擴(kuò)散，石牌彎道凹岸有較大范圍回流區(qū)。

（5）偏腦：河道順直，河段進(jìn)口處主流偏右岸，至柑子溪偏至左岸，達(dá)偏腦岸嘴主流又偏右岸下，存在錯(cuò)口回流區(qū)。

3 汛期非恒定流水流特性

3.1 非恒定流模擬方案

根據(jù)2015年水利部批復(fù)的《三峽（正常運(yùn)行期）—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》，葛洲壩庫水位最大日變幅應(yīng)不大于3.0m，最大小時(shí)變幅應(yīng)小于1.0m，當(dāng)三峽出庫流量大于25000m3/s、且下泄流量日變幅大于5000m3/s時(shí)，由調(diào)度單位通知三峽通航局。2012～2015年實(shí)測(cè)資料顯示，三峽下泄流量大于25000m3/s時(shí)，日間最大流量增幅14100m3/s，發(fā)生于2012年18～19日，三峽日均出庫流量從31000 m3/s增加至45100 m3/s;日間流量最大減幅10800m3/s，發(fā)生于2012年22～23日，三峽日均出庫流量從36300 m3/s減小至25500m3/s。

在三峽電站調(diào)峰發(fā)電時(shí)，汛期兩壩間河段還受調(diào)峰運(yùn)行產(chǎn)生的非恒定流影響。由于非恒定流測(cè)量困難，目前缺少足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此分別進(jìn)行了實(shí)測(cè)非恒定流過程重現(xiàn)模擬和非恒定流傳播規(guī)律概化計(jì)算分析。

本次計(jì)算選取2015年6月30日～7月4日三峽瞬時(shí)下泄流量過程進(jìn)行實(shí)測(cè)非恒定流過程重現(xiàn)計(jì)算（圖2），分析非恒定流對(duì)水位、比降及流速的影響。其中，出口瞬時(shí)水位過程按平善壩水位站瞬時(shí)水位過程控制。

3.2 水位變化

與同流量條件下的恒定流（三峽下泄流量Q=32500m3/s）相比，非恒定流時(shí)壩下河段水位有不同程度變化。表7可見，水田角水位變幅在±0.1m，喜灘水位變幅在±0.16m，大沙壩水位變幅在±0.13m，石牌河段水位變幅在±0.19m，偏腦河段水位變幅在±0.23m?？傮w呈現(xiàn)距離葛洲壩越近，水位變幅越大。

3.3比降變化

從三峽調(diào)峰和葛洲壩反調(diào)節(jié)的影響來看，水田角、喜灘與大沙壩河段主要受調(diào)峰作用影響，偏腦河段主要受葛洲壩反調(diào)節(jié)作用控制。三峽調(diào)峰作用和葛洲壩反調(diào)節(jié)作用的疊加效應(yīng)在大沙壩至石牌河段表現(xiàn)最為明顯，從典型河段附加比降和局部比降來看（表8），兩壩間局部最大河道附加比降在±0.06～±0.15‰之間，其中石牌河段附加比降（局部最大比降）最大，在±0.15‰之間;水田角河段次之，在±0.10‰之間。石牌河段附加比降較大，但局部最大比降絕對(duì)值相對(duì)較小。

3.4 流速變化

與同流量條件下的恒定流（三峽下泄流量Q=32500m3/s）相比，壩下河段非恒定流流速均有所增加。其中水田角河段流速增加0.01～0.25m/s，喜灘河段流速增加0.03～0.22m/s，大沙壩河段流速增加0.18～0.29m/s，石牌河段流速增加0.07～0.19m/s，偏腦河段流速增加0.02～0.17m/s，總體來看，非恒定流條件下，兩壩間河段會(huì)不同程度的產(chǎn)生附加流速，附加流速增幅與河勢(shì)和水深有關(guān)，流速總體增幅一般小于10%。

4 結(jié)論

（1）隨三峽下泄流量增加，各灘段流速及比降均呈增加態(tài)勢(shì)，葛洲壩水位變化對(duì)灘段流速及比降也具有一定影響，從各灘段的上行和下行航線最大流速、各灘段上行航線局部最大比降統(tǒng)計(jì)來看，各灘段的上行和下行航線最大流速的變化率一般小于8%，各灘段的上行航線局部最大比降變化率一般小于16%（石牌約為22%），表明分析灘段的流速及比降變化主要受三峽下泄流量控制，葛洲壩水位變化的影響相對(duì)較小。

（2）在葛洲壩水位63m時(shí)，從各灘段的平均水面比降來看，在流量45000m3/s時(shí)，一般小于0.3‰，但以各灘段上行航線局部最大比降來看，各灘段的比降顯著增加。如水田角，流量25000m3/s時(shí)，灘段平均水面比降為0.08‰，上行航線局部最大比降為0.41‰，增大0.33‰;流量45000m3/s，灘段平均水面比降為0.27‰，上行航線局部最大比降為1.22‰，增大0.95‰，可見，在兩壩間的重點(diǎn)灘險(xiǎn)上，存在局部大比降現(xiàn)象。

（3）非恒定流計(jì)算結(jié)果表明，各河段主要受三峽調(diào)峰長波的影響，葛洲壩反調(diào)節(jié)短波僅對(duì)喜灘以下河段水位有影響，波幅在0.23m以內(nèi)。大沙壩至石牌河段調(diào)峰作用與反調(diào)節(jié)作用疊加效應(yīng)最為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]長江三峽通航管理局. 三峽—葛洲壩兩壩間航道船舶適航流量研究[R]. 湖北宜昌：長江三峽通航管理局，2018：27-30.

[2]郝品正，馮小香，陳冬元. 長江三峽：葛洲壩兩壩間深水急險(xiǎn)灘航道整治技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013： 1-5.

[3]陳冬元. 三峽-葛洲壩兩壩間汛期大樣本實(shí)船試驗(yàn)分析研究[J]. 水道港口， 2018， 39（1）：67-72.