三峽工程引航道非恒定流通航條件研究

孫爾雨　楊文俊

摘要：三峽大壩泄洪和船閘充泄水運行全過程中，上、下游引航道內將產生往復流和重力長波運動，從而對相應的通航條件產生一定程度的不利影響。試驗研究表明：按照“消散波能”的原則，以消浪、減速、改善流態為目標，采取若干相應的工程和調度措施，即可將引航道的通航條件控制在航運規范允許的范圍以內；

關鍵詞：三峽工程；引航道；非恒定流；通航；改善措施

一般水利樞紐在汛期調洪和船閘充、泄水運行全過程在上、下游引航道內將產生不同程度的非恒定流，從而對航運構成相應的不利影響。

按照三峽大壩調洪運行的原則，在上游來水量大于56700m3/s條件下，下泄流量為56700m3/s；上游來水量小于

56700m3/s條件下，按天然流量過程下泄。在汛期，特別是在7～8月份，本河段的流量變幅大較大。

三峽船閘在允泄水運行過程中，啟門時間為2min，最大充泄水流量為800～900m3/s，也就是說，在2min多的時段內，充泄水流量將由0增至800～900m3/s。

可見，三峽工程上下游引航道的非恒定流問題是很突出的。

另一方面，即使在上游來水量和下泄流量保持恒定的條件下，由于特殊的邊界和水流的固有特性，壩區一定流程河段和引航道內的水流態勢仍表現出一定程度的非恒定性，同樣應該探明這種態勢對航運可能構成的不利影響。

1 壩區河段勢態特點

長江三峽水利樞紐壩址位于西陵峽廟南寬谷中部的三斗坪彎道部位，系葛洲壩水庫長期年迥水區。壩前河段自廟河至美人沱，流程7km，河道微彎，南岸稍凸，美人沱至百歲溪，流程2.5km，河道順直；百歲溪至太平溪，流程1.5km，河道彎曲明顯，南凸北凹，太平溪至壩前，流程6km，河道順直。壩前17km河道，兩岸多見山腳、岸咀、石盤、磧壩綿延不斷，參差相向外伸，并對有孤礁、石堆潛布江中：葛洲壩蓄水后，水位抬升20m，泥沙淤積較多，床面有所坦化，但兩岸如舊，尤其高出水面的岸坡奇特地形地貌，也相繼伸布江中，沿岸挑流、斜流、泡濆、漩渦、夾堰水等復雜流態仍十分發育，通航條件雖有很大改善，但在高洪期(流量大于40000m3/s)以及葛洲壩泄洪時，流態兒近于天然狀況。壩前6km河道江面寬闊，汛期水面最大寬度達1400m，一般為1000m左右(見圖1)。

圖1 三峽水利樞紐壩區河勢圖

三峽工程成庫后，壩前河段水位由現在的70m左右升至135～175m。壩前水面寬達2800m。自壩前上溯10km，水面逐漸束窄為700余m。在原水面以上的兩岸特異地形形成了新的水流邊界。壩前4km的河段左岸上起九嶺山下迄左電廠前形成廣闊和回流區。由九嶺山再上溯2km至太平溪口下首的左凹岸線，亦產生較強回流，回流和主流形成陣發性相互擠壓而使得回流邊界呈現現出左右擺動之勢。在水庫形成穩定的水下地形(成庫后80年)之前，壩前10余km河段主流隨淤積地形之逐年抬高而漸趨左移。

通航建筑物及其上引航道位于壩前左岸階地上，引航道渠底開挖高程為130m，淤積控制高程為139m。上引航道口門上巨九嶺山1km。

在雙線船閘同時充水運行過程中，反弧門開啟2.5min左右，允水流量即由0增至最大值840m3/s，充水歷時要求12min。可見，船閘充水運行對引航道通航條件的影響至關重要壩下9km河段為寬谷段，汛期水面最大寬度1400m，一般為800～100m，河槽為復式斷面主泓偏右。下引航道居于左邊灘部位，隔流堤沿線基本為貼邊順流、緩流區。下引航道口門以下約500余m范圍內為三角形迥流區，迥流區最大寬度與口門寬度相近。

2 非恒定流的演進態勢描述

2.1 船閘充水(上引航)

在船閘充水運行過程中，航道水流呈現出往復、起落、晃蕩的復雜態勢，屬長波型態，往復態勢盛而復衰，衰而又盛，起落狀況長而又消，消而復長，晃蕩呈現強而又弱，弱而復強，周期性表現得較為明顯而又恒常。

在充水啟門后，歷經2個多周期后(1h)漸次衰竭，方見水流恢復初始狀態。水面在起落和晃蕩運動中僅表現為平穩升降和較長距離的傾斜變化，破碎波不發育。水面的這種升降和傾斜愈往上游愈貼近初始水面，而且有隔流堤時較大，無堤時較小；短堤時堤頭以下較大而以上逐漸減小；逾近船閘充水的取水口和渠道封閉端愈大，而遠離取水口和渠道封閉端很小(見圖2)。

圖2 上游引航道流態圖

(30+2小包短堤方案Q=56700m3/s，HL=147.0m)

2.2 船閘泄水(下引航道)

在船閘泄水條件下，下引航道內的水流波動屬于非恒定流漲水波和振蕩衰減波的復合。閘室外泄水流與長江水交相激射，形成重力波(漲水波)和沖擊波的復合波，同時向上游和下游推進。向上游推進的逆行波直抵壩下；向下游推進的順行波在開門后4min行進至隔流堤頭，一方面繼續向下游推進，一方面繞過隔流堤頭沿引航道逆行，經沿途邊岸(彎道、束窄等)反射，相繼產生反射波，抵達第五級船閘下閘首和升船機下閘首兩個封閉端后，波能全面轉化為勢能。抵達時間分別為外泄開啟后6.5和13min。水體沿陡壁爬高，并遭反射而形成最后一列反射波。反射波和后續原生波交鋒、激射、疊合，形成波流運動的復合態勢。內泄水流自6#閘首閘下出水口涌出，在對航道水體沖擊的同時產生漲水波向下游推進，至船閘和升船機航道的匯合口，一方面繼續下行出引航道，一方面繞過分隔體頭部沿升船機引航道逆行，直至升船面下閘首，沿途及封閉端同樣產生反射，并形成內泄波與外泄余波交鋒、激射、疊合的復雜態勢，約經3個波動周期后，水面趨于初始狀態。

3 三峽工程上下游引航道通航條件評價

3.1 三峽上引航道

(1)三峽上引航道的通航條件有著多方面的影響同素，如：船閘充水、隔流堤的布置形式、壩前河段的淤積地形、大壩泄洪等等。其中，前二者為主導因素，后二者相對漸次。如果這些因素的最不利方面同時發生，即：船閘雙線同時快速允水、隔流堤半屏敝的水面最為狹窄，壩前河段的水下地形為沖淤平衡狀態，大壩泄洪流量大(通航流量標準為56700m3/s)而相應水深最小等狀況同時發生，則通航條件最差。改善通航條件有效途徑是對諸多最不利因素中人為可變因素的成功治理和改造。

(2)試驗資料成果表明：如果僅在船閘上閘首前側建長為660m的短隔流堤，在升船機上閘首前右側建長度為250m的導航浮堤，即實施所謂“短堤”方案，則升船機上閘首前沿水位最大變幅可以不超過±0.15m，滿足設計要求。其他部位水位變幅、流速、水面比降、靠船墩部位的系纜力均在航運規范允許范圍內。如果在保留上述“短堤”和基礎上，又在位于升船機之右的沖砂閘(施工期“臨時船閘”所在部位)右側建“長隔流堤”(從壩前向上游延伸了3km)，即實施所謂“長堤全包方案”，則升船機上閘首前水面變幅為-0.27m和-0.28m，不能滿足設計要求。如果在“長堤全包”的條件下實施雙線船閘錯開12min(即相應重力長波的半個周期)充水，并同時將長堤的壩前500m直段前350m長度內鑿開31個“導流洞”(每洞凈寬2m，“洞”與“堤”二軸線交角45°)，則升船機沿水面變幅亦可控制在±0.15m以內，其他水域的有關水力指標亦均在航運允許范圍內。

如果不開鑿導流洞，左右線船閘錯開充水，則升船機部位水面變幅可控制在±20em左右。

(3)在單純大壩泄洪(恒定流)的條件下，由于特定邊界和壩前河段水流的相互作用，而使得主流和迥流產生一定程度的非恒定性，進而在壩前一定長度河段和上引航道內形成往復流和重力長波運動。這種波流運動的相應水面變幅最大值為0.11m，不會對相應通航條件構成實質性不利影響。

3.2 三峽下引航道

(1)三峽下引航道的通航條件有著多方面的影響因素，如：船閘泄水及出水口的位置、大壩調洪方式及流量大小，電站調峰及葛洲壩反調節方式，下引航道初始水深等等，其影響程度均較大。改善通航條件的有效途徑只能是對有關泄水通航運行方式的合理選擇和調整。

(2)在雙線船閘同時泄水的條件下，如果將全部水體直接泄于下引航道內，則在升船機下閘首引起的水位變幅最大可達3.4m。如果將大部水體(900m3/s)直接泄入隔流堤外側的主河槽而將小部水體(約200m3/s)直接泄于下引航道內，則升船機下閘首的水位變幅有很大程度的降低，但仍達0.8m。如果實施雙線船閘錯開12.6min向主河槽泄水，并在出水口采用適當形式的消能工。則升船機下閘首的水位變幅可以不超過±0.20m，其他部位的流速、水面比降、水位變幅以及靠船墩部位的系纜力均可控制在航運規范允許的范圍內。進一步降低升船機下閘首的水位變幅也是有可能的。

4 結論

(1)三峽大壩調洪、船閘充、泄水將產生非恒流而在其上、下游引航道形成重力長波運動。水流的這種運動將會對相應的通航條件構成不同程度的不利影響。

(2)引航道內的非恒定流通航條件的優化途徑是最大限度地促成波能的迅速擴散而使單位水體的含能量最小，以達到消浪、減速、穩定水位、改善流態之目的。由此可以尋求到工程和調度的多種有效舉措而將非恒定流的通航條件控制在航運規范允許的范圍內。

(3)通過對多種有效舉措的實施和運用，三峽工程上下游引航道內的非恒定流不會對其通航構成實質性不利影響。

[作者簡介]

作者簡介：孫爾雨，長江委長江科學院宜昌科研所總工。