三峽—葛洲壩兩壩間水田角深水急灘整治措施研究

三峽—葛洲壩兩壩間水田角深水急灘整治措施研究

賈華杰1，許光祥1，樓金仙2

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074;2.長江重慶航道局，重慶401147)

摘要：針對三峽—葛洲壩兩壩間水田角河段水文特性、礙航特性及灘險成因，采用“左疏右抬”相結(jié)合的方法對水田角灘段航道進(jìn)行整治.采用實(shí)測資料，對方案整治效果進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，整治后航槽流速減小，可以滿足船舶自航上灘的要求；或者減緩岸邊流速，與另一岸形成船舶“搭跳”的水流條件，使船舶能夠“搭跳”上灘.該種方法在相同水文條件下有一定適用性.

關(guān)鍵詞：三峽—葛洲壩兩壩間；庫區(qū)急灘；航道整治；數(shù)值模擬

中圖分類號：TV131文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-01-20

作者簡介：賈華杰(1988-)，女，河南開封人，在讀研究生，主要從事港口及航道等方面研究.

On Regulation Measures of Deepwater Rapids of Shuitianjiao

between Three Gorges to Gezhouba

JIA Hua-jie1, XU Guang-xiang1, LOU Jin-xian2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing

400074, China;2.Chongqing Waterway Engineering Bureau of Yangzi River, Chongqing 401147, China)

Abstract:The rapid of Shuitianjiao between the Three gorges to Gezhouba is valley type rapid, and a study of shallow shoal waterway regulation in Shuitianjiao Reach is conducted in this paper. The riverbed evolution features, the navigation obstruction characteristics and the causes of formation are discussed, and the waterway regulation ideas and scheme are proposed, base on the application of 2-D flow and sediment mathematical model, and the measured data. According to the analysis of the plan regulation effect, the results show that after the regulation, the navigation channel flow velocity will reduce, the shore velocity will slow down to meet the self-propelled ship on the beach. The formation of "take-to-jump" flow condition with the other s ship makes the ship take a “jump" on the beach. By adopting the method of "left dredging and right raising", the waterway rapids in Shuitianjiao Reach is regulated effectively. The applicability of the method is conducive to for ships to "take-to-jump" in deepwater reservoir rapids under the same flow condition.

Key words:Three Gorges-to-Ggzhou Dam; rapids of reservoir region; waterway regulation; numerical simulation

0引言

三峽-葛洲壩兩壩間(以下簡稱兩壩間)38 km航道處于川江航運(yùn)的咽喉地段，穿行于高山峽谷之中，全河段為大型山區(qū)河流，谷壁陡峭，河槽窄深，水流湍急.當(dāng)三峽大壩泄洪時，兩壩間的一些狹窄河段水流不暢，流速、比降激增，泡漩橫流叢生，流態(tài)混亂，航行條件迅速惡化[1-2]，是長江上游中洪水期航行條件最不理想的區(qū)段之一，其中水田角一帶為主要的礙航灘險部位，是長江著名的洪水急流灘，船舶航行最為困難.

在長江中、下游以及庫區(qū)航道等級和通航條件得到大幅度提升和改善的背景下，兩壩間的通航能力已經(jīng)成為了制約長江干線航運(yùn)發(fā)展的瓶頸，也直接關(guān)系到萬噸船隊通航保證率和三峽航運(yùn)效益的發(fā)揮.因此，需要對兩壩間礙航灘險進(jìn)行合理整治，以提高兩壩間的通航能力，保證兩壩間河段的通航安全.

此前，國內(nèi)高校、科研單位對兩壩間河段進(jìn)行過一些研究，但成果較為宏觀，而對于三峽工程[2]重慶以下的川江航道[3]—兩壩間水田角急灘(見圖1)及其他礙航灘險的治理對策卻研究甚少.為了改善兩壩間水田角灘段的礙航特性，培育良好的船舶上行通航環(huán)境，提升長江庫區(qū)航道等級，改善兩壩間航道條件，對該灘段水流特性的分析以及航道整治方法的研究頗為重要.本文應(yīng)用平面二維水流數(shù)值模擬[4]的方法，通過對水田角的灘性以及礙航因素的分析，研究其合理、經(jīng)濟(jì)、有效的整治措施方案，以及該種整治方法的適用條件.

圖1　灘段位置圖

1灘險概況

1.1水文特性

樂天溪至南津關(guān)是峽谷河段，長25.85 km，河寬較窄，多處于300～800 m之間，最窄處僅有200 m，斷面多呈“U”字型或“V”字型，全河段為大型的山區(qū)河流，河道彎曲，水流紊亂湍急.蓮沱段位于宜昌上游30.5～31.5 km處，水田角是長江著名的洪水急流灘.流量Q=35 000 m3/s，葛洲壩壩前水位63 m時，灘段流速普遍在3 m/s以上，河心主流流速近4.0 m/s，水田角段的上水航線，流速可超過3.5～3.8 m/s.

1.2河床演變特征

研究灘段位于大石包～獅子腦河段.陡山沱至粗石灘航道順直，疏水溪至蓮沱上，航道逐漸束窄，以下江面寬闊，岸線呈現(xiàn)彎曲.根據(jù)多年觀測資料，枯水期水流平緩，中、洪水期流量增加，由于蓮沱彎道處上下游河床底質(zhì)較硬，抗沖能力很強(qiáng)，兩灘段之間的河床底質(zhì)較軟，沖刷形成的河床地形高程較低，因此水流到此河段形成跌沖和爬升趨勢，形成比較大的局部比降，流速亦隨之加大.所以水流流態(tài)在此處最差，河床全斷面水域范圍內(nèi)，泡水、漩水、回水等不良流態(tài)不計其數(shù)，顯示出了其天然河流的特點(diǎn).

1.3灘險成因

水田角～獅子腦是典型的峽谷型洪水急灘，其主要成因[6]有以下幾個方面.

(1)河道狹窄是形成急流的關(guān)鍵原因.(2)河道平面沿程收縮，然后又逐漸擴(kuò)散是形成局部陡比降的主要原因.(3)平面河勢形成了水田角段流速橫向幾呈均勻分布，船舶上行借助的緩流區(qū)范圍有限，這也是上灘困難的原因之一.(4)流量增率與過水面積增率不適應(yīng)是形成流量越大水流越急的主要原因.

1.4灘性分析

1.4.1航道特性

航段上水面線的波動特性較為明顯，且波動幅度隨著流量的增加而增，水面出現(xiàn)局部陡比降和局部倒比降.與水位變化規(guī)律一致，灘段上行航線比降大小不一，存在局部陡比降和倒比降.從丁頭鎮(zhèn)到大石包，灘段上行航線表面流速(以下流速分析均為河道表面流速)沿程隨流量的變化均較大.斷面最大流速的沿程變化規(guī)律是水田角最大，然后往上、下游逐漸減小，整個研究河段沿程變化不大.

1.4.2上灘綜合條件

研究灘段目前還沒有一個統(tǒng)一的船舶適宜上灘的流速、比降組合的通航水力指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱上灘指標(biāo))，為了直觀分析整治效果，本文采用航行阻力與推力的平衡原理進(jìn)行了初步分析.為了分析方便，將上灘指標(biāo)的流速V、比降J通過數(shù)值分析的方法合并為一個綜合指標(biāo)E，這樣更方便船舶上灘能力的判別[5].

通過計算求得代表船舶自航上灘的指標(biāo)(見表1).

表1　代表船型上灘指標(biāo)

V、J的綜合表達(dá)式：E=V+1.08J=3.14m(一般灘段)、E=V+1.08J=3.64m(過河灘段)，可稱E為消灘判數(shù)，即當(dāng)實(shí)際水流的E>3.14m(3.64m)時，表明該處成灘，否則不成灘或消灘.

2平面二維水流數(shù)學(xué)模型及其驗證簡況

2.1數(shù)學(xué)模型的建立

水流連續(xù)方程

(1)

水流運(yùn)動方程

(2)

(3)

方程的離散包括時間離散和空間離散，時間離散采用有限差分法，空間離散采用有限單元法：運(yùn)用伽遼金加權(quán)余量法把淺水方程離散成非線性代數(shù)方程，然后采用New-Raphson方法求解；離散區(qū)域內(nèi)采用三角形六節(jié)點(diǎn)等參單元.

2.2驗證簡況

2.2.1計算域及網(wǎng)格生成

計算區(qū)域從高桅口至三條溝間的河段，長約6.6 km，網(wǎng)格大小平均取25 m，共23 997個網(wǎng)格單元，48 850個節(jié)點(diǎn)，由于研究河段地形陡變特殊，在整治區(qū)域進(jìn)行了加密處理.

2.2.2糙率確定

根據(jù)本河段洪中枯三級流量的實(shí)測瞬時水面線資料推算糙率，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，率定得到本河段綜合糙率在0.024～0.035之間，且枯水糙率大，洪水糙率小.

2.2.3水位驗證

表2給出了水位驗證結(jié)果，可見計算水位與實(shí)測水位基本一致.

表2　水位驗證表

2.2.4流速分布及流向驗證

采用洪中枯多級流量下的實(shí)測大斷面流速資料進(jìn)行驗證，結(jié)果表明，流速大小及分布與實(shí)測資料較為一致，偏差值基本在±0.20 m/s以內(nèi)且不超過±5%；此外，流向驗證表明，數(shù)模計算流場的流向與浮標(biāo)跡線走向基本一致.

2.2.5驗證小結(jié)

通過水田角河段水位、流速及流向等驗證，計算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好，滿足數(shù)學(xué)模型相似性要求，說明本文采用的平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型能正確模擬實(shí)際河道的水流運(yùn)動和沖淤變化，可用于下一步研究.

3整治思路與方案

3.1通航標(biāo)準(zhǔn)

目前，兩壩間最小航道維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為：3.5 m×80 m×750 m.根據(jù)兩壩間設(shè)計船型的通航安全和實(shí)際通航條件，結(jié)合兩壩間上、下游河段規(guī)劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，本研究河段的設(shè)計航道尺度確定為：4.0 m×150 m×1 000 m.

3.2整治原則及思路

整治方案采用“整治為主、疏浚為輔，整治與疏浚相結(jié)合”的方法，遵循“因勢利導(dǎo)”的原則布置.先用常規(guī)的擴(kuò)大泄水?dāng)嗝娣ㄕ嗡锝羌睘?，以分析其整治效果和可行性；再采取潛壩致淺成緩法，開辟緩流航道，以此來改善水田角急灘的上水通航條件；最后采用“左疏右抬”法即擴(kuò)大泄水?dāng)嗝婧蜐搲沃聹\成緩兩種方法的綜合方法整治水田角急灘，并分析其整治效果和可行性.

3.3整治參數(shù)

根據(jù)礙航特性，對水田角進(jìn)行洪中水整治，灘段在流量小于25 000 m3/s時通航條件較好，超過25 000 m3/s后通航條件逐漸變差，因此擬定流量25 000 m3/s、30 000 m3/s、32 500 m3/s、35 000 m3/s、40 000 m3/s、42 500 m3/s、45 000 m3/s作為基礎(chǔ)計算工況，整治水位為壩前63 m.

3.4整治方案

水田角航道整治方案采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型的研究方式，經(jīng)水流特性研究和成灘特性研究兩個階段的層層修改、逐步調(diào)試及優(yōu)化后而形成的.整治方案急灘段左岸擴(kuò)大了過河區(qū)的泄水?dāng)嗝?，減緩過河區(qū)域的流速，改善河床平面形態(tài)，調(diào)整局部比降；右岸修筑潛壩，增加上行航域的水流阻力，減緩流速，形成一定寬度和長度的緩流區(qū)，平面布置(見圖3).

圖3　平面布置圖

(1)左岸開挖：在丁頭鎮(zhèn)～曬經(jīng)坪一帶進(jìn)行開挖，開挖底部高程為35 m，挖深約30 m.為了減少上游水面的降落，在開挖區(qū)進(jìn)出口段采用變底部高程開挖.

(2)整治建筑物：右岸建筑3條潛壩，其中獅子腦～水田角一帶采用雙潛壩，在過河區(qū)上行航線稍上游修筑潛壩的潛壩1#-1長約51 m，獅子腦～水田角一帶修筑潛壩2#長約40 m.兩條潛壩壩頂高程均為56.5 m，壩頂寬度為3 m.

4整治效果分析

通過圖4的演變趨勢，水田角一帶綜合指標(biāo)均未超出臨界值；在過河區(qū)，Q=40 000 m3/s時，EC超出臨界值0.3，考慮過河區(qū)臨界指標(biāo)可增加0.3～0.5，船舶可以自航上灘，成灘流量提升到45 000 m3/s以上.方案既改善了礙航急灘的水流特性，為船舶提供了良好的自行上灘的環(huán)境，同時，又縮減了施工量，降低了施工成本，更具工程實(shí)用性.

圖4　航道整治方案各級流量綜合指標(biāo)

5左疏右抬法的適用條件分析

5.1灘段特征

本研究灘段的地形主要特征表現(xiàn)為河床泄水?dāng)嗝娴目s小.如兩壩間樂天溪至南津關(guān)段河寬較窄，多在300～800 m之間，最窄處僅200余m，其中水田角灘上游進(jìn)口段(三把刀～獅子腦)河寬約380 m，而造成其泄水?dāng)嗝婵s小的主要原因是河床由較堅硬的基巖構(gòu)成，抗沖能力很強(qiáng).因此隨著流量增大，過水面積增率遠(yuǎn)小于流量的增率，造成灘段流速急，流態(tài)紊亂.對于水田角峽谷型洪水急灘來說，擴(kuò)大泄水?dāng)嗝娣╗6-7]基本不適用；水田角灘下游是水深達(dá)100 m的蓮沱河段，筑壩壅水法幾乎不可能實(shí)現(xiàn).“上疏下抬法”根本無法實(shí)施，所以對深水基巖急灘來說，常規(guī)的整治方法是難以解決其礙航問題的.

5.2水流條件特征

“左疏右抬法”這種非常規(guī)的綜合整治方法并非適用于所有的急流灘，只有在一定條件下的灘段此種方法才能完全體現(xiàn)出良好的整治效果.下面對整治后河段的水位、比降、流速，流態(tài)等特征進(jìn)行了適用性分析.

5.2.1水位特征

“左疏右抬”法中，航線所在岸側(cè)的潛壩致淺成緩法的整治前提是方案前后的水位變化不大.即若河道洪枯水位變化大，在潛壩高度、寬度不變時，洪水期水位高，潛壩上方水域的流速減幅??；枯水期水位低，流速減幅大，但有可能造成通航水深不足，不利船舶通行.由此得出，“左疏右抬”法適用于洪枯水位變化不大的急灘整治中，如兩壩間河段，庫區(qū)常年洪枯水位變幅在3～5 m左右，變幅微小，可采用該整治方法.航道整治方案各級流量水面線與工程前的對比(見圖5).

可以看出，整治方案水位變化的總體規(guī)律與工程前的趨勢基本一致.總體上看，庫區(qū)常年洪枯水位變幅對水位的影響較小，不會出現(xiàn)枯水期通航水深不足帶來的礙航問題，該法可廣泛應(yīng)用于庫區(qū)洪水急灘整治中.

圖5　航道整治方案與工程前航線水面線變化

5.2.2比降特征

整治方案實(shí)施后，從圖6中可以看到，三把刀以上比降基本保持不變；因潛壩2#的存在，獅子腦稍上游比降存在局部增大，增值最大約0.15‰，增幅不大；獅子腦～南沱上游水面比降有所減緩，減小值為0.13‰～0.56‰，且流量越大減小得越明顯；南沱～大石包斷面水面比降有不超過0.2‰的增大.

圖6　航道整治與方案前的水面比降沿程變化

5.2.3流速特征

基于邊灘部分流速與束窄率、減深率的變化關(guān)系，經(jīng)過不斷的優(yōu)化提出推薦方案的整治措施.現(xiàn)對其整治后的流速變化情況進(jìn)行分析.圖7給出了航線流速沿程變化情況，水田角～梳子溪段航線流速明顯減小，最大減小值達(dá)到了3.68 m/s，對改善急灘通航十分有利；丁頭鎮(zhèn)以上河段航線流速基本保持工程前的狀態(tài)；水田角以下至大石包，航線流速整體上表現(xiàn)為減小，局部存在流速增加的情況，不過本航段航線流速不大，對船舶上行不會造成明顯影響.

圖7　航線流速沿程變化

5.2.4水流特征

水田角急灘航線岸邊流速較緩，以梳子溪～獅子腦為界，上游左岸流速緩，下游右岸流速較緩，所以船舶在獅子腦附近(K1+500)搭跳過河.“左疏右抬”法中，一岸通過開挖減緩過河區(qū)的流速，另一岸用潛壩致淺成緩法減小岸邊流速，開辟緩流航道，使船舶利用兩岸的緩流“搭跳”上灘.因此當(dāng)急灘兩岸具有“搭跳”上灘的平面和水流條件時，可采用這種整治效果明顯的方法.

5.3小結(jié)

綜上所述，“左疏右抬”法并不適用于所有的急灘整治，應(yīng)對每一河段的礙航特性進(jìn)行具體的分析.如果礙航灘段是以流急礙航為主、兩岸具有“搭跳”上灘的平面和水流條件、洪枯水位變幅不大的庫區(qū)深水急灘時，則可以采用“左疏右抬”法進(jìn)行整治.

6結(jié)論

(1)研究河段地處西陵峽河段，受兩岸山勢及河道節(jié)點(diǎn)限制，河岸及河床抗沖性能較好，近期深泓平面和縱向以及斷面形態(tài)均未發(fā)生明顯改變，河床及河勢均較為穩(wěn)定.

(2)建立了二維水流數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用兩壩間蓮沱段實(shí)際水文測驗資料，通過對整治段模型河床糙率、網(wǎng)格密度等參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，對模型進(jìn)行四級洪水流量的水位、流速及流向的驗證，其結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好，能較好的模擬河道水流條件.

(3)整治方案遵循“因勢利導(dǎo)”的原則布置，經(jīng)充分優(yōu)化后形成.通過對岸采取擴(kuò)大泄水?dāng)嗝娣?，本岸則采用潛壩致淺成緩法，形成“左疏右抬”的綜合整治方法.計算結(jié)果表明，“左疏右抬”法可明顯改善通航條件，較大幅度提高通航流量.

(4)總結(jié)了“左疏右抬”法的適用條件，它只適用于以流急礙航為主、兩岸具有“搭跳”上灘的平面和水流條件、洪枯水位變幅不大的庫區(qū)深水急灘.

(5)由于船舶上行航線靠近岸邊，而在庫區(qū)深水急灘整治中，無論是開挖還是筑壩，在水下進(jìn)行施工的工程方案仍存在一定難度，因此可以考慮在航線下方搭建水下平臺，平順?biāo)?，減緩流速，還可降低施工難度，為船舶上灘提供良好的水流條件，建議今后在這方面展開研究.

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