三峡—葛洲坝间河段汛期通航水流条件研究

    孟鑫

    

    

    

    摘 要：两坝间河段是长江中上游的咽喉河段，受两岸高山峡谷制约，汛期水流流速大、比降大，呈洪水急流滩特性，再加上受三峡电站调峰和葛洲坝电站反调节的双重影响，通航条件极其复杂，安全风险多，监管压力大，通航管理要求高。本文采用平面二维水流数学模型模拟分析了恒定流和非恒定流条件下重点滩段的水位、比降、流速等水流特性，研究成果可为两坝间适航流量研究提供技术支撑，为两坝间河段船舶航行和通航管理等提供参考。

    关键词：两坝间河段;汛期;水流条件;非恒定流

    中图分类号：U641? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）09-0012-04

    1 引言

    三峡至葛洲坝两坝间河段长约38km，其中，乐天溪至南津关26km河段处于峡谷区，平面形态蜿蜒曲折，河谷陡峭，河槽窄深，河道断面多呈“U”型或“V”型断面，河道纵剖面跌宕起伏。当汛期大流量时，由于河道狭窄，水流不畅，坡陡流急，流态紊乱，航行条件险恶，尤其是水田角、喜滩、大沙坝、偏脑等洪水急流险滩和弯度达到90°的石牌弯道等险滩情况最为突出，是川江航道中船舶航行最为困难的区段[1-3]。尤其是在三峡电站调峰和葛洲坝反调节过程中，两坝间非恒定流产生的附加流速和附加比降会增加船舶航行阻力，加大船舶上行难度。为配合三峡—葛洲坝两坝间航道船舶适航流量研究，采用平面二维水流数学模型模拟分析了恒定流和非恒定流条件下重点滩段的水位、比降、流速等水流特性，为两坝间适航流量研究提供技术支撑，为两坝间河段船舶航行和通航管理等提供参考。

    2 汛期恒定流水流特性分析

    根據《三峡—葛洲坝枢纽河段通航管理办法》，两坝间河段最大通航流量为45000m3/s，限制性通航流量为25000～45000m3/s。为详细研究通航期大流量条件下两坝间水力要素的变化规律，共计算了9种流量级，分别为25000m3/s、27500m3/s、30000m3/s、32500m3/s、35000m3/s、37500m3/s、40000m3/s、42500m3/s、45000m3/s。

    根据《三峡（正常运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》，葛洲坝水利枢纽正常运行水位66m，最低运行水位为63m。2012—2015年实测数据表明，三峡下泄流量25000m3/s时，葛洲坝坝前水位一般为64.5～66.5m。因三峡下泄流量相同时，葛洲坝水位越高，两坝间航道流速、比降趋于减小，航行条件相对变好;汛期两坝间相同来流情况下，葛洲坝坝前最低运行水位63m，是两坝间航道最不利工况条件。因此，在恒定流水流分析中，重点以葛洲坝坝前水位63m与三峡不同下泄流量组合情况下的工况开展，葛洲坝坝前水位65.5m作为对比，重点滩段水流条件主要以典型航线上的流速、比降进行分析。

    2.1 重点滩段航线流速

    对水田角、喜滩、大沙坝、石牌、偏脑等5个重点滩段的上行和下行航线（图1）最大流速进行统计分析（表1～2），并对葛洲坝水位65.5m与63m情况下各滩段航线最大流速的变化率进行了统计分析（表3），结果表明：

    （1）随三峡下泄流量增大，各滩段的上行和下行航线最大流速均呈增大态势，且航线最大流速一般是上行航线小于下行航线。

    （2）相同条件下，各滩段上行航线最大流速中，喜滩与大沙坝较为接近，总体上以大沙坝最大。

    （3）在葛洲坝水位65.5m时，各滩段的上行、下行航线流速有所减小，在分析滩段中，上行、下行航线流速变化一般小于0.3m/s，最大变化率一般小于8%，各滩段流速主要受河道流量控制，葛洲坝水位变化的影响相对较小。

    2.2 重点滩段比降

    计算水田角、喜滩、大沙坝、石牌、偏脑等5个重点滩段平均水面比降（葛洲坝水位63m），并以200m间距（约为2倍船长）对各滩段的上行航线局部最大水面比降进行统计和变化率分析（葛洲坝水位63m、65.5m，表4～6），结果表明：

    （1）随三峡下泄流量增大，各滩段的平均水面比降与上行航线局部最大水面比降均呈增加趋势。

    （2）在葛洲坝水位63m时，相同流量级下，各滩段平均水面比降以喜滩为最大，其次为水田角、偏脑、大沙坝，南津关河段最小;各滩段上行航线局部最大水面比降以水田角为最大，其次为喜滩、偏脑、大沙坝，南津关河段最小。

    （3）在葛洲坝水位63m时，从各滩段的平均水面比降来看，在流量45000m3/s时，一般小于0.3‰，但以各滩段上行航线局部最大比降来看，各滩段的比降显著增加，且存在局部大比降现象。

    （4）在葛洲坝水位由63m增加至65.5m时，各滩段的上行航线局部比降主要呈减小态势，在分析流量级下，水田角、喜滩、大沙坝、石牌、偏脑、南津关等滩段的比降最大变化率分别为15.7%、12.%、4.6%、21.4%、9.2%、10.9%，除石牌上行航线局部最大比降变化率超过16%外，其余滩段上行航线局部最大比降变化率均小于16%，总体来看，葛洲坝水位在63m～65.5m变化时，各滩段上行航线局部最大比降也主要受河道流量控制，葛洲坝水位变化的影响也不大。

    2.3 重点滩段流场

    各典型滩段均存在不同程度的回流现象，回流流速随着河道流量的增大而增大，各重点滩段具体表现为：

    （1）水田角：弯顶左右两侧均形成较大范围的对口回流区，弯顶处流向基本保持一致。水田角河段回流对主河道宽度影响最大，随着三峡下泄流量的增加，回流长度逐渐增加，回流区的存在较大程度地减小了断面有效过水面积，使得断面主流流速大大增加。

    （2）喜滩：河面狭窄，河床窄深，河势顺直，出口段下游连接弯曲河段，主流靠近左岸，流速左缓右急。受两岸地形控制，在白马沱附近形成对口回流，三条沟上游形成错口回流。

    （3）大沙坝：上游河势微弯，中段河面收缩，为洪水急流滩，存在零星回流区分布，回流流速较小，各流量级下回流区范围变化不大。大沙坝横驶区附近（大沙坝岸嘴处）有斜流。

    （4）石牌：急弯险滩，河势急转达90°左右，受下段石牌岩盘的影响，深泓北折，主流横向扩散，石牌弯道凹岸有较大范围回流区。

    （5）偏脑：河道顺直，河段进口处主流偏右岸，至柑子溪偏至左岸，达偏脑岸嘴主流又偏右岸下，存在错口回流区。

    3 汛期非恒定流水流特性

    3.1 非恒定流模拟方案

    根据2015年水利部批复的《三峡（正常运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》，葛洲坝库水位最大日变幅应不大于3.0m，最大小时变幅应小于1.0m，当三峡出库流量大于25000m3/s、且下泄流量日变幅大于5000m3/s时，由调度单位通知三峡通航局。2012～2015年实测资料显示，三峡下泄流量大于25000m3/s时，日间最大流量增幅14100m3/s，发生于2012年18～19日，三峡日均出库流量从31000 m3/s增加至45100 m3/s;日间流量最大减幅10800m3/s，发生于2012年22～23日，三峡日均出库流量从36300 m3/s减小至25500m3/s。

    在三峡电站调峰发电时，汛期两坝间河段还受调峰运行产生的非恒定流影响。由于非恒定流测量困难，目前缺少足够的实测数据，因此分别进行了实测非恒定流过程重现模拟和非恒定流传播规律概化计算分析。

    本次計算选取2015年6月30日～7月4日三峡瞬时下泄流量过程进行实测非恒定流过程重现计算（图2），分析非恒定流对水位、比降及流速的影响。其中，出口瞬时水位过程按平善坝水位站瞬时水位过程控制。

    3.2 水位变化

    与同流量条件下的恒定流（三峡下泄流量Q=32500m3/s）相比，非恒定流时坝下河段水位有不同程度变化。表7可见，水田角水位变幅在±0.1m，喜滩水位变幅在±0.16m，大沙坝水位变幅在±0.13m，石牌河段水位变幅在±0.19m，偏脑河段水位变幅在±0.23m。总体呈现距离葛洲坝越近，水位变幅越大。

    3.3比降变化

    从三峡调峰和葛洲坝反调节的影响来看，水田角、喜滩与大沙坝河段主要受调峰作用影响，偏脑河段主要受葛洲坝反调节作用控制。三峡调峰作用和葛洲坝反调节作用的叠加效应在大沙坝至石牌河段表现最为明显，从典型河段附加比降和局部比降来看（表8），两坝间局部最大河道附加比降在±0.06～±0.15‰之间，其中石牌河段附加比降（局部最大比降）最大，在±0.15‰之间;水田角河段次之，在±0.10‰之间。石牌河段附加比降较大，但局部最大比降绝对值相对较小。

    3.4 流速变化

    与同流量条件下的恒定流（三峡下泄流量Q=32500m3/s）相比，坝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，喜滩河段流速增加0.03～0.22m/s，大沙坝河段流速增加0.18～0.29m/s，石牌河段流速增加0.07～0.19m/s，偏脑河段流速增加0.02～0.17m/s，总体来看，非恒定流条件下，两坝间河段会不同程度的产生附加流速，附加流速增幅与河势和水深有关，流速总体增幅一般小于10%。

    4 结论

    （1）随三峡下泄流量增加，各滩段流速及比降均呈增加态势，葛洲坝水位变化对滩段流速及比降也具有一定影响，从各滩段的上行和下行航线最大流速、各滩段上行航线局部最大比降统计来看，各滩段的上行和下行航线最大流速的变化率一般小于8%，各滩段的上行航线局部最大比降变化率一般小于16%（石牌约为22%），表明分析滩段的流速及比降变化主要受三峡下泄流量控制，葛洲坝水位变化的影响相对较小。

    （2）在葛洲坝水位63m时，从各滩段的平均水面比降来看，在流量45000m3/s时，一般小于0.3‰，但以各滩段上行航线局部最大比降来看，各滩段的比降显著增加。如水田角，流量25000m3/s时，滩段平均水面比降为0.08‰，上行航线局部最大比降为0.41‰，增大0.33‰;流量45000m3/s，滩段平均水面比降为0.27‰，上行航线局部最大比降为1.22‰，增大0.95‰，可见，在两坝间的重点滩险上，存在局部大比降现象。

    （3）非恒定流计算结果表明，各河段主要受三峡调峰长波的影响，葛洲坝反调节短波仅对喜滩以下河段水位有影响，波幅在0.23m以内。大沙坝至石牌河段调峰作用与反调节作用叠加效应最为明显。

    参考文献：

    [1]长江三峡通航管理局. 三峡—葛洲坝两坝间航道船舶适航流量研究[R]. 湖北宜昌：长江三峡通航管理局，2018：27-30.

    [2]郝品正，冯小香，陈冬元. 长江三峡：葛洲坝两坝间深水急险滩航道整治技术[M].北京：人民交通出版社，2013： 1-5.

    [3]陈冬元. 三峡-葛洲坝两坝间汛期大样本实船试验分析研究[J]. 水道港口， 2018， 39（1）：67-72.