葛洲壩三江下引航道水位波動特性及其影響分析

龐正芳 胡合歡 謝齊 王付杰 王俊

摘要：為了探明葛洲壩船閘泄水對三江下引航道內(nèi)水位變化以及船舶通航的影響，通過原型觀測及統(tǒng)計分析的方式研究了葛洲壩三江下引航道水位波動特性?；诟鹬迚嗡麡屑~運行初期的觀測資料和三江下引航道兩岸沿程流態(tài)情況，在三江下引航道兩岸沿程對稱布設(shè)9對水尺，對葛洲壩2號、3號船閘不同泄水組合下的水位進(jìn)行同步觀測。結(jié)果表明：當(dāng)兩閘聯(lián)泄間隔在0～8 min時，水體勢能呈疊加效果，8 min之后水體勢能呈抵消效果;試驗觀測到最低波谷達(dá)0.75 m，枯水期兩閘聯(lián)泄時間間隔宜大于8 min;船閘泄水后14～38 min，三江水位低于廟嘴站水位，對通航產(chǎn)生不利影響，應(yīng)加強(qiáng)交通組織和航道觀測。

關(guān) 鍵 詞：船閘泄水; 下引航道; 水位波動; 原型觀測; 葛洲壩水利樞紐

中圖法分類號： U641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.035

0 引 言

葛洲壩三江航道由上游引航道、2號和3號船閘、6孔沖沙閘及下游引航道等部分組成，航道全長6.5 km：其中，上游引航道2.5 km，口門寬230 m;下游引航道長4.0 km，最小底寬120 m，口門寬150 m，設(shè)計底高程為34.5 m。3號船閘有效尺度為120.0 m×18.0 m×3.5 m，2號船閘有效尺度為280.0×34.0×5.0 m[1-3]。葛洲壩船閘承擔(dān)著長江干流上往來船舶通航，但船閘泄水易引起下游水體往復(fù)流動[4-6]，影響三江下引航道內(nèi)水位變化，給通航帶來了很大安全隱患。

推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展是國家的一項重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，對葛洲壩船閘通過能力提出了更高的要求[7-8]。然而，葛洲壩航道水位波動特性不同于常規(guī)的波動特性，更應(yīng)該看做是水的往復(fù)流動造成的水位周期性的上漲與回落，該特性影響了通航安全，嚴(yán)重制約船閘通過能力，降低了航運經(jīng)濟(jì)效益。

葛洲壩水利樞紐建成初期，研究人員已對葛洲壩三江下引航道同步水位進(jìn)行了觀測，對于2號、3號船閘通航時下泄流量對三江下引航道的影響進(jìn)行了初步探討[9-10]。近年來，三峽大壩建成后上游來沙絕大部分被攔蓄在大壩上游[11-12]，通過三峽大壩和葛洲壩進(jìn)入到三江下引航道的泥沙很少[13]，清水下泄使得葛洲壩三江下引航道的河床地形受沖刷發(fā)生變化，更加影響航道維護(hù)和船舶安全運行[14]。

為此，本文對2號、3號船閘通航時下泄流量引起的水位波動特性進(jìn)行原型觀測，研究三江下引航道近期水位變化規(guī)律以及2號、3號船閘通航船舶的吃水控制，為三江下引航道維護(hù)、保障船舶安全航行提供依據(jù)，以期提高船閘通航通過能力，更好服務(wù)于長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略。

1 水位觀測方案

在觀測開始前，充分研究葛洲壩船閘的調(diào)度計劃，根據(jù)調(diào)度計劃合理安排觀測時間，并與相關(guān)部門積極溝通協(xié)調(diào)，為現(xiàn)場觀測調(diào)度做好準(zhǔn)備，在合適的水位窗口期采集測點水位數(shù)據(jù)。

1.1 站點布設(shè)

參考葛洲壩水利樞紐運行初期的觀測資料，并根據(jù)三江下引航道兩岸沿程流態(tài)情況，布設(shè)水位觀測站點?？紤]到三江橋以上區(qū)域接近船閘下閘首，水位受船閘泄水影響波動較大，水位變化較橋下游更為劇烈，因此在三江橋以上航段適當(dāng)增加觀測斷面密度，具體為三江橋以上布設(shè)6對臨時水尺，相鄰測站距離不大于400 m;三江橋以下布設(shè)3對臨時水尺，間距約為500 m。確保測點能充分反映測區(qū)水位變化，無沙洲、淺灘阻隔，無雍水回流現(xiàn)象，不直接受風(fēng)浪和急流沖擊影響，并且能夠牢固設(shè)置水尺，便于水位觀測和水準(zhǔn)觀測，各測站分布如圖1所示。

水尺施工前，對測量控制點進(jìn)行了復(fù)測核驗，其中平面控制復(fù)核采用RTK模式，高程控制復(fù)測采用四等高程。水尺安設(shè)后，對水尺平面位置和零點高程重新測定，確保觀測水尺位置準(zhǔn)確，有效取得水位資料，保證水位觀測精度在允許范圍內(nèi)。

1.2 觀測條件

為減小試驗誤差，充分提高試驗精度，選擇在枯水期三江航道廟嘴站水位達(dá)到39.0，39.5，40.0，40.5，41.0，41.5 m 6種水位時，觀測葛洲壩2號、3號船閘不同泄水組合（單閘泄水、聯(lián)泄、有船、無船等）時的不穩(wěn)定流波動情況（見表1），具體觀測時間為2018年的11月至次年4月。

1.3 觀測次數(shù)

因船閘泄水生成的波是長波，傳播速度較快，為捕捉到高精度數(shù)據(jù)，將觀測間隔時間設(shè)置為每30 s一次，為避免遺漏船閘泄水伊始的水位波動過程，從開閘泄水前5 min開始觀測，并持續(xù)至少30 min，直至引航道水位恢復(fù)平靜。在每種水位、船閘泄水組合情況下至少進(jìn)行3～5組數(shù)據(jù)的采集。

1.4 觀測方法

三江下引航道為葛洲壩樞紐的主航道，是在原三江河道的基礎(chǔ)上經(jīng)過人工疏浚獨立于長江主河槽的航道，設(shè)有兩座船閘（2號、3號），最大泄水流量可達(dá)1 000 m3/s[15]，且航道狹窄，航道內(nèi)流場流態(tài)易受過往船只影響。故試驗采用人工觀測方式，各測站人員由調(diào)度人員統(tǒng)一指揮，使用即時通訊工具進(jìn)行信息溝通，以滿足對觀測頻率的要求，提高水位觀測精度和水位觀測效率。

將觀測水位數(shù)據(jù)與實時廟嘴站水位相減求得絕對值，得出波峰幅值和波谷幅值，根據(jù)波幅=波峰幅值+波谷幅值，求出相應(yīng)的波幅值，并統(tǒng)計出不同水位條件下、不同船閘泄水組合下各水位站的波幅情況。為節(jié)約篇幅，在此僅以水位39.0 m為例，2號、3號船閘不同泄水組合下的水位波幅統(tǒng)計結(jié)果列于表2。

2 水位波動特性分析

2.1 波速與波長分析

通過繪制不同水位、不同閘次組合的水位曲線圖可知，波峰的傳遞有著極強(qiáng)的相似性。根據(jù)各水位站之間的距離間隔，粗略估算出波峰的傳播速度約為10 m/s，這遠(yuǎn)大于實際觀測到的水流速度，即水體勢能（波）的傳播速度遠(yuǎn)大于水流速度。證明了勢能的傳播并不是通過實體的流動進(jìn)行傳播的，而是以能量（波）的形勢進(jìn)行傳播的。本次觀測中通過計算水位在39.0，39.5，40.0，40.5，41.0，41.5 m時各泄水組合的波峰傳遞速度，求取平均值，得知波速均分布在9～10 m/s范圍內(nèi)。

參照歷史觀測資料[9，15]，這種重力勢能波波長達(dá)10余千米，結(jié)合此次觀測的實際條件，觀測區(qū)間較短（未能覆蓋半個波長），只能大概地間接測算出泄水波首波的波長約20 km。同時，波幅只有1.0 m左右，坡度平緩（平均坡度只有5×10-5），無礙船只航行，因此波長對于航行影響可忽略不計。

2.2 泄水條件下波幅時空變化

2.2.1 波幅沿時變化規(guī)律

由表2可知，各水位觀測站雖然在波幅大小上顯示出差異性，但水位的波動趨勢具有極高的相似性：總是在船閘泄水后水位迅速上升至波峰，再回落至波谷，且波谷水位低于靜水面水位，繼而抬升，再次回落，而后逐漸恢復(fù)至靜水面。但后續(xù)的抬升和回落幅度均弱于首次漲落的幅度。以2019年2月24日12：48 2號閘單閘泄水為例，左右岸各水位站沿時波動曲線如圖2～3所示。

2.2.2 波幅沿程變化規(guī)律

通過把各個水位站同一時間段的水位變化曲線進(jìn)行疊加分析，就能清楚地看出波峰沿程的變化趨勢。經(jīng)過對不同水位、閘次組合情況下的波幅觀測數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計比較，發(fā)現(xiàn)2018年12月16日13：18兩閘聯(lián)泄時波幅最大，如圖4～5所示（圖中波峰、波谷、波幅均表示左右岸的平均值）。很明顯看出LG/RG、LH/RH、LI/RI 3對水位站的波幅明顯減小，LI/RI站因靠近大江、三江的交匯處，受船閘泄水的影響最小。最大波幅、波谷出現(xiàn)在LA/RA站，A～F站波幅存在逐漸減弱趨勢。

2.3 兩閘聯(lián)泄對波幅變化影響規(guī)律分析

由于兩座船閘運用情況不同，所以其下引航道會產(chǎn)生各種不同的波形，有的情況疊加使波幅增大，有的使波幅減小。在廟嘴站水位為39.5 m時，2019年2月24日12：48兩閘聯(lián)泄間隔14 min，2月25日14：00兩閘聯(lián)泄間隔1 min，1月2日14：15 2號閘單閘泄水，繪制三者的波幅沿程曲線如圖6所示。從圖6中可以看出：泄水間隔為1 min時波幅最大，2號閘單閘泄水時波幅其次，泄水間隔14 min時波幅最小。

在廟嘴站水位為40.5 m時，對2019年1月21日和22日觀測到的2號-3號閘聯(lián)泄情況進(jìn)行分析，1月21日15：04泄水間隔為20 min，1月22日14：37泄水間隔為7 min，1月22日12：27 2號閘單閘泄水，繪制三者的水位曲線圖見圖7。從圖7中可以看出：泄水間隔為7 min時波幅最大，2號閘單閘泄水時波幅其次，泄水間隔20 min時波幅最小。

因水體勢能傳播速度一致，由此試驗數(shù)據(jù)可知，從開始泄水到波峰出現(xiàn)的時間段內(nèi)，不同水位、不同閘次組合下波幅的差異不大。同時由2.2.1節(jié)分析可知，閘下首次波峰出現(xiàn)在泄水開始后約8 min。那么以泄水開始為零點，0～8 min水位處于上漲過程;8 min至波谷水位處于下降過程。當(dāng)兩閘聯(lián)泄間隔發(fā)生在0～8 min時，水體勢能呈現(xiàn)加強(qiáng)效果，波幅變大;當(dāng)兩閘聯(lián)泄間隔發(fā)生在8 min之后，水體勢能呈現(xiàn)抵消效果，波幅減小。

3 泄水對通航的影響分析

3.1 波動持續(xù)時間對通航影響

對泄水引起的波動進(jìn)行分析，可以看出波幅總是表現(xiàn)出逐漸削弱的趨勢，因此只需關(guān)注首次波峰波谷對通航的影響。其中又以波谷的出現(xiàn)對通航不利，應(yīng)重點監(jiān)控首次波動中下跨零點至相鄰上跨零點的時間段。對各水位站在不同閘次下重點時段進(jìn)行了統(tǒng)計，船閘泄水對通航影響時間統(tǒng)計見表3，表中斜線左邊為泄水開始至首次波動中下跨零點的時間間隔，斜線右邊為首次波動中下跨零點至相鄰上跨零點的時間間隔。

分析可知，船閘泄水開始約14～17 min后三江水位低于正常水位（廟嘴站水位），時間持續(xù)約16～21 min，即船閘泄水后的14～38 min范圍內(nèi)，三江水位低于廟嘴站水位，對通航產(chǎn)生不利影響，需要船舶駕引人員格外謹(jǐn)慎操作，確保安全。

3.2 波谷對通航影響

經(jīng)觀測，最大波谷出現(xiàn)在0～LA/RA站區(qū)間，統(tǒng)計2號船閘單閘泄水時最大波谷水位，如表4所列。

通過對實測波峰、波谷及廟嘴水位站水位的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，若以廟嘴站水位為基準(zhǔn)軸，船閘泄水波的波谷值要大于波峰值（波谷值比波峰值大20～30 cm），按兩者之間的關(guān)系波幅=波峰+波谷，基于廟嘴站水位推算三江下引航道泄水波的波谷最低水位時，應(yīng)該在廟嘴站水位減去波幅值一半的基礎(chǔ)上再減去10～15 cm的安全閾值。

兩閘聯(lián)泄會產(chǎn)生最低波谷，對廟嘴站不同水位兩閘聯(lián)泄時的最大波谷進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所列。

從表5可以看出最大波谷達(dá)0.75 m時，對葛洲壩三江下引航道內(nèi)航行船舶的安全形成較大隱患。結(jié)合上文所述，可知兩閘聯(lián)泄間隔在0～8 min時形成的水位最低，建議在枯水期兩閘聯(lián)泄的時間間隔大于8 min。

在航道維護(hù)中，用當(dāng)日維護(hù)水深值與推算出的泄水波波谷最低水位值相減，得到船舶安全通航的維護(hù)水深值，船舶吃水深度須小于該值，以保障航行安全。

4 結(jié) 論

（1） 船閘泄水是造成航道內(nèi)水位變化的根本原因。水的往復(fù)流動再加上船閘的頻繁泄水，造成了三江下引航道水位周期性的波動。因此三江下引航道水位的波動特性不同于常規(guī)的波動特性，更應(yīng)該看做是水的往復(fù)流動造成的水位周期性的上漲與回落。

（2） 船閘泄水造成的波動會引起水位長時間低于正常水位（廟嘴站水位），瞬時航道水深不能滿足公布的航道計劃維護(hù)水深，對通航產(chǎn)生不利影響，應(yīng)加強(qiáng)交通組織和航道觀測，注意提醒過往船舶定期分析河床地形變化，及時采取正確有效的管理措施，如實施清淤施工或調(diào)整助航標(biāo)志等。

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（編輯：胡旭東）

Analysis on water level fluctuation characteristics in Sanjiang lower approach channel of Gezhouba and its influence

PANG Zhengfang，HU Hehuan，XIE Qi，WANG Fujie，WANG Jun

（Changjiang Yichang Waterway Bureau，Yichang 443000，China）

Abstract：

In order to explore the influence of ship lock discharge on water level change and ship navigation in the Sanjiang lower approach channel of the Gezhouba Hydro-complex，the water level fluctuation characteristics in the approach channel were studied by prototype observation and statistical analysis.Based on the observation data at the early operation stage of the Gezhouba Hydro-complex and the flow pattern along the two sides of the approach channel，nine pairs of water meters were symmetrically arranged along the two sides of the approach channel，and the water levels in the channel under different discharge combinations of No.2 and No.3 locks were observed synchronously.The results showed that when the interval time between the two locks was 0 ～ 8 minutes，the water potential energy was superimposed，while the water potential energy was offset after 8 minutes.The minimum trough observed by the prototype observation was 0.75 m，and the interval time between the two locks should be greater than 8 minutes in dry season.Within 14～38 minutes after the lock discharge，the water level in the Sanjiang Station was lower than that of Miaozui Station，which had a negative impact on navigation，and traffic organization and channel observation should be strengthened.

Key words：

ship lock discharge;lower approach channel;water level fluctuation;prototype observation;Gezhouba Hydro-complex