三峡工程引航道非恒定流通航条件研究

孙尔雨　杨文俊

摘要：三峡大坝泄洪和船闸充泄水运行全过程中，上、下游引航道内将产生往复流和重力长波运动，从而对相应的通航条件产生一定程度的不利影响。试验研究表明：按照“消散波能”的原则，以消浪、减速、改善流态为目标，采取若干相应的工程和调度措施，即可将引航道的通航条件控制在航运规范允许的范围以内；

关键词：三峡工程；引航道；非恒定流；通航；改善措施

一般水利枢纽在汛期调洪和船闸充、泄水运行全过程在上、下游引航道内将产生不同程度的非恒定流，从而对航运构成相应的不利影响。

按照三峡大坝调洪运行的原则，在上游来水量大于56700m3/s条件下，下泄流量为56700m3/s；上游来水量小于

56700m3/s条件下，按天然流量过程下泄。在汛期，特别是在7～8月份，本河段的流量变幅大较大。

三峡船闸在允泄水运行过程中，启门时间为2min，最大充泄水流量为800～900m3/s，也就是说，在2min多的时段内，充泄水流量将由0增至800～900m3/s。

可见，三峡工程上下游引航道的非恒定流问题是很突出的。

另一方面，即使在上游来水量和下泄流量保持恒定的条件下，由于特殊的边界和水流的固有特性，坝区一定流程河段和引航道内的水流态势仍表现出一定程度的非恒定性，同样应该探明这种态势对航运可能构成的不利影响。

1 坝区河段势态特点

长江三峡水利枢纽坝址位于西陵峡庙南宽谷中部的三斗坪弯道部位，系葛洲坝水库长期年迥水区。坝前河段自庙河至美人沱，流程7km，河道微弯，南岸稍凸，美人沱至百岁溪，流程2.5km，河道顺直；百岁溪至太平溪，流程1.5km，河道弯曲明显，南凸北凹，太平溪至坝前，流程6km，河道顺直。坝前17km河道，两岸多见山脚、岸咀、石盘、碛坝绵延不断，参差相向外伸，并对有孤礁、石堆潜布江中：葛洲坝蓄水后，水位抬升20m，泥沙淤积较多，床面有所坦化，但两岸如旧，尤其高出水面的岸坡奇特地形地貌，也相继伸布江中，沿岸挑流、斜流、泡濆、漩涡、夹堰水等复杂流态仍十分发育，通航条件虽有很大改善，但在高洪期(流量大于40000m3/s)以及葛洲坝泄洪时，流态儿近于天然状况。坝前6km河道江面宽阔，汛期水面最大宽度达1400m，一般为1000m左右(见图1)。

图1 三峡水利枢纽坝区河势图

三峡工程成库后，坝前河段水位由现在的70m左右升至135～175m。坝前水面宽达2800m。自坝前上溯10km，水面逐渐束窄为700余m。在原水面以上的两岸特异地形形成了新的水流边界。坝前4km的河段左岸上起九岭山下迄左电厂前形成广阔和回流区。由九岭山再上溯2km至太平溪口下首的左凹岸线，亦产生较强回流，回流和主流形成阵发性相互挤压而使得回流边界呈现现出左右摆动之势。在水库形成稳定的水下地形(成库后80年)之前，坝前10余km河段主流随淤积地形之逐年抬高而渐趋左移。

通航建筑物及其上引航道位于坝前左岸阶地上，引航道渠底开挖高程为130m，淤积控制高程为139m。上引航道口门上巨九岭山1km。

在双线船闸同时充水运行过程中，反弧门开启2.5min左右，允水流量即由0增至最大值840m3/s，充水历时要求12min。可见，船闸充水运行对引航道通航条件的影响至关重要坝下9km河段为宽谷段，汛期水面最大宽度1400m，一般为800～100m，河槽为复式断面主泓偏右。下引航道居于左边滩部位，隔流堤沿线基本为贴边顺流、缓流区。下引航道口门以下约500余m范围内为三角形迥流区，迥流区最大宽度与口门宽度相近。

2 非恒定流的演进态势描述

2.1 船闸充水(上引航)

在船闸充水运行过程中，航道水流呈现出往复、起落、晃荡的复杂态势，属长波型态，往复态势盛而复衰，衰而又盛，起落状况长而又消，消而复长，晃荡呈现强而又弱，弱而复强，周期性表现得较为明显而又恒常。

在充水启门后，历经2个多周期后(1h)渐次衰竭，方见水流恢复初始状态。水面在起落和晃荡运动中仅表现为平稳升降和较长距离的倾斜变化，破碎波不发育。水面的这种升降和倾斜愈往上游愈贴近初始水面，而且有隔流堤时较大，无堤时较小；短堤时堤头以下较大而以上逐渐减小；逾近船闸充水的取水口和渠道封闭端愈大，而远离取水口和渠道封闭端很小(见图2)。

图2 上游引航道流态图

(30+2小包短堤方案Q=56700m3/s，HL=147.0m)

2.2 船闸泄水(下引航道)

在船闸泄水条件下，下引航道内的水流波动属于非恒定流涨水波和振荡衰减波的复合。闸室外泄水流与长江水交相激射，形成重力波(涨水波)和冲击波的复合波，同时向上游和下游推进。向上游推进的逆行波直抵坝下；向下游推进的顺行波在开门后4min行进至隔流堤头，一方面继续向下游推进，一方面绕过隔流堤头沿引航道逆行，经沿途边岸(弯道、束窄等)反射，相继产生反射波，抵达第五级船闸下闸首和升船机下闸首两个封闭端后，波能全面转化为势能。抵达时间分别为外泄开启后6.5和13min。水体沿陡壁爬高，并遭反射而形成最后一列反射波。反射波和后续原生波交锋、激射、叠合，形成波流运动的复合态势。内泄水流自6#闸首闸下出水口涌出，在对航道水体冲击的同时产生涨水波向下游推进，至船闸和升船机航道的汇合口，一方面继续下行出引航道，一方面绕过分隔体头部沿升船机引航道逆行，直至升船面下闸首，沿途及封闭端同样产生反射，并形成内泄波与外泄余波交锋、激射、叠合的复杂态势，约经3个波动周期后，水面趋于初始状态。

3 三峡工程上下游引航道通航条件评价

3.1 三峡上引航道

(1)三峡上引航道的通航条件有着多方面的影响同素，如：船闸充水、隔流堤的布置形式、坝前河段的淤积地形、大坝泄洪等等。其中，前二者为主导因素，后二者相对渐次。如果这些因素的最不利方面同时发生，即：船闸双线同时快速允水、隔流堤半屏敝的水面最为狭窄，坝前河段的水下地形为冲淤平衡状态，大坝泄洪流量大(通航流量标准为56700m3/s)而相应水深最小等状况同时发生，则通航条件最差。改善通航条件有效途径是对诸多最不利因素中人为可变因素的成功治理和改造。

(2)试验资料成果表明：如果仅在船闸上闸首前侧建长为660m的短隔流堤，在升船机上闸首前右侧建长度为250m的导航浮堤，即实施所谓“短堤”方案，则升船机上闸首前沿水位最大变幅可以不超过±0.15m，满足设计要求。其他部位水位变幅、流速、水面比降、靠船墩部位的系缆力均在航运规范允许范围内。如果在保留上述“短堤”和基础上，又在位于升船机之右的冲砂闸(施工期“临时船闸”所在部位)右侧建“长隔流堤”(从坝前向上游延伸了3km)，即实施所谓“长堤全包方案”，则升船机上闸首前水面变幅为-0.27m和-0.28m，不能满足设计要求。如果在“长堤全包”的条件下实施双线船闸错开12min(即相应重力长波的半个周期)充水，并同时将长堤的坝前500m直段前350m长度内凿开31个“导流洞”(每洞净宽2m，“洞”与“堤”二轴线交角45°)，则升船机沿水面变幅亦可控制在±0.15m以内，其他水域的有关水力指标亦均在航运允许范围内。

如果不开凿导流洞，左右线船闸错开充水，则升船机部位水面变幅可控制在±20em左右。

(3)在单纯大坝泄洪(恒定流)的条件下，由于特定边界和坝前河段水流的相互作用，而使得主流和迥流产生一定程度的非恒定性，进而在坝前一定长度河段和上引航道内形成往复流和重力长波运动。这种波流运动的相应水面变幅最大值为0.11m，不会对相应通航条件构成实质性不利影响。

3.2 三峡下引航道

(1)三峡下引航道的通航条件有着多方面的影响因素，如：船闸泄水及出水口的位置、大坝调洪方式及流量大小，电站调峰及葛洲坝反调节方式，下引航道初始水深等等，其影响程度均较大。改善通航条件的有效途径只能是对有关泄水通航运行方式的合理选择和调整。

(2)在双线船闸同时泄水的条件下，如果将全部水体直接泄于下引航道内，则在升船机下闸首引起的水位变幅最大可达3.4m。如果将大部水体(900m3/s)直接泄入隔流堤外侧的主河槽而将小部水体(约200m3/s)直接泄于下引航道内，则升船机下闸首的水位变幅有很大程度的降低，但仍达0.8m。如果实施双线船闸错开12.6min向主河槽泄水，并在出水口采用适当形式的消能工。则升船机下闸首的水位变幅可以不超过±0.20m，其他部位的流速、水面比降、水位变幅以及靠船墩部位的系缆力均可控制在航运规范允许的范围内。进一步降低升船机下闸首的水位变幅也是有可能的。

4 结论

(1)三峡大坝调洪、船闸充、泄水将产生非恒流而在其上、下游引航道形成重力长波运动。水流的这种运动将会对相应的通航条件构成不同程度的不利影响。

(2)引航道内的非恒定流通航条件的优化途径是最大限度地促成波能的迅速扩散而使单位水体的含能量最小，以达到消浪、减速、稳定水位、改善流态之目的。由此可以寻求到工程和调度的多种有效举措而将非恒定流的通航条件控制在航运规范允许的范围内。

(3)通过对多种有效举措的实施和运用，三峡工程上下游引航道内的非恒定流不会对其通航构成实质性不利影响。

[作者简介]

作者简介：孙尔雨，长江委长江科学院宜昌科研所总工。