三峽大壩至葛洲壩兩壩間河段通航水流條件

姚仕明,王興奎,張丙印

(1.水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北武漢 430010;2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

川江航道地形復(fù)雜,水流湍急,險(xiǎn)灘眾多,嚴(yán)重制約了大噸位船舶上行。1949年新中國(guó)成立以來(lái),國(guó)家投入大量資金對(duì)川江航道進(jìn)行系列整治,但由于川江航道屬山區(qū)峽谷河流,河寬較窄,地形復(fù)雜,水流流態(tài)異常復(fù)雜,僅通過(guò)一般整治工程難以解決大噸位船舶上行問(wèn)題。20世紀(jì)80年代,葛洲壩水利樞紐的建成運(yùn)用,使水庫(kù)回水段的航行條件有所改善。但由于其屬低水頭樞紐,回水長(zhǎng)度有限,不能改善回水范圍以上的河段的航行條件,因此,大噸位船舶及船隊(duì)仍然難以通過(guò)川江航道,影響長(zhǎng)江上游航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前,川江航道基本處于天然河流狀態(tài),航道年均單向下水通過(guò)能力為1000萬(wàn)t左右[1-2]。三峽工程已于2003年6月蓄水至135 m(吳淞高程,下同),2006年汛后抬至156m,2008年抬至172m,最終按正常蓄水位175m運(yùn)行。由于水庫(kù)水位逐步抬高,水庫(kù)回水末端上移,最終達(dá)到重慶,因此,三峽水庫(kù)將顯著改善宜昌至重慶660 km的長(zhǎng)江上游航道,在正常蓄水期,庫(kù)區(qū)3000t單輪或萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)可直達(dá)重慶港。三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái),因庫(kù)區(qū)航道等級(jí)及通航條件得到大幅度提升,過(guò)壩貨運(yùn)量也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),2004年通過(guò)三峽工程的貨運(yùn)量首次超過(guò)4000萬(wàn)t;2006年超過(guò)5000萬(wàn)t;2007年突破6000萬(wàn)t大關(guān);2008年達(dá)到6847萬(wàn)t,是三峽工程運(yùn)用前年平均貨運(yùn)量的6倍以上。三峽工程的建設(shè)不僅大幅度提高了庫(kù)區(qū)的運(yùn)輸能力,而且使運(yùn)輸成本降低了35%左右[3]。

三峽水庫(kù)的運(yùn)用極大地改善了庫(kù)區(qū)的航運(yùn)條件。然而,三峽大壩至葛洲壩河段(簡(jiǎn)稱兩壩間河段)地形和斷面形態(tài)復(fù)雜,河寬較窄,多在200～800m之間,其河勢(shì)如圖1所示。在流量較大的情況下,兩壩間河段因?yàn)閺?fù)雜的水流和航道條件成為制約長(zhǎng)江干流航運(yùn)發(fā)展的“瓶頸”,也是水上交通事故多發(fā)地段[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003—2007年5年間,三峽水域發(fā)生多起水上交通事故,其中80%位于兩壩間河段,主要原因是大流量條件下此河段水流條件惡劣,因此,深入開(kāi)展兩壩間河段通航水流條件的研究具有十分重要的意義。筆者采用二維與三維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)本河段的通航水流條件進(jìn)行深入研究,研究成果可為兩壩間航線選擇與航道治理提供參考。

1 水流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

二維水流數(shù)學(xué)模型的建立可參考文獻(xiàn)[4-5]。數(shù)學(xué)模型采用1998年兩壩間實(shí)測(cè)的1/2000地形進(jìn)行驗(yàn)證,考慮到南津關(guān)以下河道較寬,水流相對(duì)較平緩,當(dāng)上游河道滿足航運(yùn)要求時(shí),該段也能夠滿足通航要求。因此,本次計(jì)算區(qū)域?yàn)槿菲褐聊辖蜿P(guān),長(zhǎng)約36.0km。由于沒(méi)有收集到兩壩間河段流速分布的實(shí)測(cè)資料,只有水面線實(shí)測(cè)資料[6],因此,文中僅對(duì)水面線進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,計(jì)算水面線與實(shí)測(cè)水面線的誤差較小,在±3cm以內(nèi),可采用該模型研究?jī)蓧伍g河段的通航水流條件(表1)。另外,由表1可看出,兩壩間河段的水面比降在洪水期間與中枯水期間相差明顯。例如,在流量Q=50000m3/s時(shí),其水面比降為 0.016 3%;Q=10000m3/s時(shí),其水面比降僅為0.00064%。由此可看出兩壩間河段在洪、枯水期間表現(xiàn)為天然河道與水庫(kù)的雙重特性。

三維水流數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。

2 兩壩間河段通航水流條件

圖1 兩壩間河段河勢(shì)示意圖

兩壩間河段地形復(fù)雜,在枯水期處于葛洲壩庫(kù)區(qū),通航條件主要受三峽電站日調(diào)節(jié)的控制。在洪水期具有山區(qū)河道的特性,在大流量情況下仍會(huì)出現(xiàn)多處灘險(xiǎn)流急的情況,不能滿足大噸位船舶的通航。因此,兩壩間河段通航水流條件分別按枯水期日調(diào)節(jié)與洪水期進(jìn)行研究。其中,枯水期日調(diào)節(jié)通航水流條件采用二維非恒定水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,洪水期通航水流條件采用三維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1 枯水期日調(diào)節(jié)通航水流條件

一般情況下,葛洲壩水利樞紐的庫(kù)水位在63.00～66.00 m范圍內(nèi),其調(diào)節(jié)庫(kù)容約為0.86億m3,枯水期間與三峽電站聯(lián)合運(yùn)行后,利用兩壩間水庫(kù)進(jìn)行航運(yùn)反調(diào)節(jié),可使三峽電站在調(diào)峰時(shí)保障葛洲壩水利樞紐上下游的航運(yùn)安全。

表1 各級(jí)流量下的計(jì)算水面線與實(shí)測(cè)水面線的對(duì)比

三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)的水流特性采用二維非恒定流的水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。在兩壩間河段二維非恒定流計(jì)算中,進(jìn)口條件根據(jù)三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)條件給定的流量過(guò)程,出口水位過(guò)程為實(shí)體模型的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)條件見(jiàn)圖2[9]。

圖2 三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)流量與水位過(guò)程線

監(jiān)測(cè)斷面水位隨時(shí)間變化的結(jié)果表明,兩壩間河段水位日變幅在3.23～3.49m之間;水位最大小時(shí)變率為1.00m,發(fā)生在19:00—20:00之間,主要原因是兩壩間河段進(jìn)出流量在該時(shí)段內(nèi)相差最大,從而導(dǎo)致兩壩間水量變化較大,引起水位小時(shí)變率最大;在各監(jiān)測(cè)斷面中,水位日變幅與小時(shí)變幅最大值均出現(xiàn)在偏腦斷面。

圖3為不同時(shí)刻的沿程水面線。由圖3可知,受三峽電站調(diào)峰與葛洲壩水利樞紐反調(diào)節(jié)的影響,兩壩間河段水流表現(xiàn)出明顯的非恒定性,沿程水位隨時(shí)間變化較大,如進(jìn)口段水位變化范圍為63.40～66.57 m,而三峽電站下引航道的底板高程為56.50m,下引航道最小通航水深可保證不小于6.90m,故三峽電站調(diào)峰不影響三峽電站下引航道的通航。出口南津關(guān)的水位均在63.00m以上,能保證葛洲壩上游引航道的水深在6.00m左右,故三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)也不影響葛洲壩上游引航道的通航。受三峽電站調(diào)峰的影響,兩壩間河段的水面比降隨時(shí)間變化較大,主要與進(jìn)出口流量過(guò)程以及流量小時(shí)變化率等因素有關(guān)。計(jì)算結(jié)果表明,在三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)期間,最大水面比降發(fā)生在17:00—18:00之間,其比降值約為0.0052%,其他時(shí)刻的水面比降均小于此值,有時(shí)出現(xiàn)倒比降。一般情況下,當(dāng)進(jìn)口流量大于出口流量時(shí),河道水面比降相對(duì)較大,且上游段的比降大于下游段的比降;當(dāng)進(jìn)出口流量相差不大時(shí),水面比降相對(duì)穩(wěn)定,比降大小主要與流量有關(guān);當(dāng)上游進(jìn)口流量隨時(shí)間減小時(shí),河道局部位置可能出現(xiàn)倒比降。

圖3 兩壩間河段不同時(shí)刻沿程水面線變化

圖4為各監(jiān)測(cè)斷面在不同時(shí)刻最大表面流速的變化過(guò)程。由圖4可看出,三峽電站調(diào)峰的日調(diào)節(jié)過(guò)程中,最大表面流速均沒(méi)有超過(guò)2.5m/s,最大表面流速值位于水田角監(jiān)測(cè)斷面,為2.1m/s,發(fā)生時(shí)刻為18:15。根據(jù)萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)允許最大流速和比降搭配與計(jì)算結(jié)果分析可知,在三峽電站調(diào)峰的日調(diào)節(jié)過(guò)程中,兩壩間河段的水面比降和流速變化均不影響兩壩間河段萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的航行條件。

由上述分析可知,兩壩間河段在三峽電站調(diào)峰(11月份)期間,盡管流量日變幅較大,最大相差12500m3/s,但通過(guò)葛洲壩水利樞紐的反調(diào)節(jié)作用,兩壩間河段的流速、水面比降、水位日變幅和小時(shí)變幅均能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求。

圖4 兩壩間監(jiān)測(cè)斷面最大表面流速u隨時(shí)間的變化

2.2 洪水期通航水流條件

洪水期采用三維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析兩壩間河段的通航水流條件,進(jìn)口按恒定流量考慮,出口按照葛洲壩水利樞紐壩前水位不變考慮?？紤]到兩壩間河段的流量不超過(guò)20000m3/s時(shí)能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,因此洪水期通航水流條件研究?jī)H考慮20 000 m3/s以上流量級(jí),葛洲壩壩前水位按66.00m控制,共進(jìn)行了 7級(jí)流量(25 000 m3/s,30000m3/s,35 000 m3/s,40 000 m3/s,45 000 m3/s,50000m3/s,56700m3/s)條件下兩壩間河段的三維流場(chǎng)計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果求出表層3.5m水深處的平均流速場(chǎng),用以分析本河段的通航水流條件和適航區(qū)域。為了比較葛洲壩水利樞紐壩前不同水位運(yùn)用對(duì)通航水流條件的影響,考慮葛洲壩水利樞紐水位按63.00m控制,又進(jìn)行了4級(jí)流量(30000m3/s,35000m3/s,45000m3/s,56700m3/s)下兩壩間河段的三維流場(chǎng)計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)有內(nèi)河航道通航水流條件的標(biāo)準(zhǔn),萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)通航尺度為3.5m×100m×1000m(水深×航寬×彎曲半徑),通航水流條件一般要求最大局部比降J＜0.01%,航行區(qū)域內(nèi)適航流速不大于2.5m/s[10]。根據(jù)兩壩間河段的實(shí)測(cè)地形資料分析,通航尺度除石牌彎道的彎曲半徑(約750m)不能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)通航彎道的彎曲半徑要求外,其他位置的通航尺度均能滿足要求,但通航水流條件在不同流量情況下不一定能滿足通航要求。

計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)Q=30000m3/s時(shí),局部河段如水田角附近流速大于2.5m/s的主流帶較寬,但在近岸兩側(cè)仍具備通航條件,因此通過(guò)合理調(diào)度,萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)可在兩壩間通航。當(dāng)Q=35000m3/s時(shí),水田角河段已形成對(duì)峙卡口而不能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,但其他河段仍可通航。當(dāng)Q=40000m3/s時(shí),兩壩間河段主流帶的流速基本在2.5m/s以上,并在水田角、喜灘上下、石牌等處形成通航卡口,多個(gè)河段都不滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,見(jiàn)圖5,圖中H為水位。圖5中位于河道中間的陰影區(qū)域流速大于2.5m/s,該區(qū)域?yàn)椴贿m合大噸位船舶航行的區(qū)域。當(dāng)Q＞40000m3/s時(shí),礙航河段更多,南津關(guān)以上的河段均難以滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求。

圖5 兩壩間河段表層流場(chǎng)與適航區(qū)域分布

當(dāng)葛洲壩水利樞紐壩前水位由 66.00m降至63.00m時(shí),在相同進(jìn)口流量條件下兩壩間通航條件將發(fā)生相應(yīng)的變化,因水位降低引起河寬與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小、流速增加,導(dǎo)致適航區(qū)域范圍減小。例如,當(dāng)Q=45000m3/s時(shí),兩壩間河段平均過(guò)水?dāng)嗝婷娣e由66.00m水位下的18180m2減小至63.00m水位下的16620m2,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小約9%。因此,相同流量情況下水位的降低直接影響航運(yùn)安全。當(dāng)Q=30000m3/s時(shí),葛洲壩水位在66.00m情況下可滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,但當(dāng)水位為63.00m時(shí)就不滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,見(jiàn)圖6,圖中h為水深,v為流速。由圖6可知,此時(shí)水田角1號(hào)斷面的適航區(qū)域太小,河道左側(cè)僅有63.2m的寬度,不能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)100m航寬的通航要求。

圖6 水田角1號(hào)斷面水深和流速分布

若考慮改進(jìn)船型、船隊(duì)性能及減駁減載措施,可將實(shí)際通航水流的限制流速提高到3.5m/s。圖7為水田角1號(hào)斷面的水深和流速分布。由圖7可知,當(dāng)適航限制流速提高至3.5m/s時(shí),在蓮沱彎道上下段主流帶仍存在流速大于3.5m/s的區(qū)域,特別是水田角附近,超過(guò)3.5m/s流速的河寬所占比例較大,但在河道左側(cè)仍有107.5m的寬度可滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求,但當(dāng)Q=45000m3/s時(shí)水田角附近已不能滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航要求。因此,當(dāng)通航水流的限制流速提高到3.5m/s時(shí),兩壩間河段萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的通航流量可提高至40000m3/s。

圖7 水田角1號(hào)斷面水深和流速分布

3 結(jié) 論

在三峽電站枯水季節(jié)的日調(diào)節(jié)期間,由于葛洲壩樞紐工程的反調(diào)節(jié)作用,三峽大壩至葛洲壩兩壩間河段的水位日變化率、小時(shí)變化率、流速大小及水面比降均滿足萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)的航行條件。

洪水期兩壩間礙航段主要位于水田角、蓮沱彎道、喜灘、獅子腦、石牌彎道及偏腦等處。在現(xiàn)有2.5m/s航速的通航標(biāo)準(zhǔn)及葛洲壩壩前水位66.00m的情況下,水田角河段的通航限制流量約為30000m3/s;當(dāng)葛洲壩壩前水位降至 63.00 m運(yùn)用時(shí),通航流量減小到25000m3/s。對(duì)于單船上行限制流速3.5m/s的情況,兩壩間通航限制流量可提高到40000m3/s。

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