葛洲坝三江下引航道水位波动特性及其影响分析

庞正芳 胡合欢 谢齐 王付杰 王俊

摘要：为了探明葛洲坝船闸泄水对三江下引航道内水位变化以及船舶通航的影响，通过原型观测及统计分析的方式研究了葛洲坝三江下引航道水位波动特性。基于葛洲坝水利枢纽运行初期的观测资料和三江下引航道两岸沿程流态情况，在三江下引航道两岸沿程对称布设9对水尺，对葛洲坝2号、3号船闸不同泄水组合下的水位进行同步观测。结果表明：当两闸联泄间隔在0～8 min时，水体势能呈叠加效果，8 min之后水体势能呈抵消效果;试验观测到最低波谷达0.75 m，枯水期两闸联泄时间间隔宜大于8 min;船闸泄水后14～38 min，三江水位低于庙嘴站水位，对通航产生不利影响，应加强交通组织和航道观测。

关 键 词：船闸泄水; 下引航道; 水位波动; 原型观测; 葛洲坝水利枢纽

中图法分类号： U641

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.035

0 引 言

葛洲坝三江航道由上游引航道、2号和3号船闸、6孔冲沙閘及下游引航道等部分组成，航道全长6.5 km：其中，上游引航道2.5 km，口门宽230 m;下游引航道长4.0 km，最小底宽120 m，口门宽150 m，设计底高程为34.5 m。3号船闸有效尺度为120.0 m×18.0 m×3.5 m，2号船闸有效尺度为280.0×34.0×5.0 m[1-3]。葛洲坝船闸承担着长江干流上往来船舶通航，但船闸泄水易引起下游水体往复流动[4-6]，影响三江下引航道内水位变化，给通航带来了很大安全隐患。

推动长江经济带发展是国家的一项重大区域发展战略，对葛洲坝船闸通过能力提出了更高的要求[7-8]。然而，葛洲坝航道水位波动特性不同于常规的波动特性，更应该看做是水的往复流动造成的水位周期性的上涨与回落，该特性影响了通航安全，严重制约船闸通过能力，降低了航运经济效益。

葛洲坝水利枢纽建成初期，研究人员已对葛洲坝三江下引航道同步水位进行了观测，对于2号、3号船闸通航时下泄流量对三江下引航道的影响进行了初步探讨[9-10]。近年来，三峡大坝建成后上游来沙绝大部分被拦蓄在大坝上游[11-12]，通过三峡大坝和葛洲坝进入到三江下引航道的泥沙很少[13]，清水下泄使得葛洲坝三江下引航道的河床地形受冲刷发生变化，更加影响航道维护和船舶安全运行[14]。

为此，本文对2号、3号船闸通航时下泄流量引起的水位波动特性进行原型观测，研究三江下引航道近期水位变化规律以及2号、3号船闸通航船舶的吃水控制，为三江下引航道维护、保障船舶安全航行提供依据，以期提高船闸通航通过能力，更好服务于长江经济带发展战略。

1 水位观测方案

在观测开始前，充分研究葛洲坝船闸的调度计划，根据调度计划合理安排观测时间，并与相关部门积极沟通协调，为现场观测调度做好准备，在合适的水位窗口期采集测点水位数据。

1.1 站点布设

参考葛洲坝水利枢纽运行初期的观测资料，并根据三江下引航道两岸沿程流态情况，布设水位观测站点。考虑到三江桥以上区域接近船闸下闸首，水位受船闸泄水影响波动较大，水位变化较桥下游更为剧烈，因此在三江桥以上航段适当增加观测断面密度，具体为三江桥以上布设6对临时水尺，相邻测站距离不大于400 m;三江桥以下布设3对临时水尺，间距约为500 m。确保测点能充分反映测区水位变化，无沙洲、浅滩阻隔，无雍水回流现象，不直接受风浪和急流冲击影响，并且能够牢固设置水尺，便于水位观测和水准观测，各测站分布如图1所示。

水尺施工前，对测量控制点进行了复测核验，其中平面控制复核采用RTK模式，高程控制复测采用四等高程。水尺安设后，对水尺平面位置和零点高程重新测定，确保观测水尺位置准确，有效取得水位资料，保证水位观测精度在允许范围内。

1.2 观测条件

为减小试验误差，充分提高试验精度，选择在枯水期三江航道庙嘴站水位达到39.0，39.5，40.0，40.5，41.0，41.5 m 6种水位时，观测葛洲坝2号、3号船闸不同泄水组合（单闸泄水、联泄、有船、无船等）时的不稳定流波动情况（见表1），具体观测时间为2018年的11月至次年4月。

1.3 观测次数

因船闸泄水生成的波是长波，传播速度较快，为捕捉到高精度数据，将观测间隔时间设置为每30 s一次，为避免遗漏船闸泄水伊始的水位波动过程，从开闸泄水前5 min开始观测，并持续至少30 min，直至引航道水位恢复平静。在每种水位、船闸泄水组合情况下至少进行3～5组数据的采集。

1.4 观测方法

三江下引航道为葛洲坝枢纽的主航道，是在原三江河道的基础上经过人工疏浚独立于长江主河槽的航道，设有两座船闸（2号、3号），最大泄水流量可达1 000 m3/s[15]，且航道狭窄，航道内流场流态易受过往船只影响。故试验采用人工观测方式，各测站人员由调度人员统一指挥，使用即时通讯工具进行信息沟通，以满足对观测频率的要求，提高水位观测精度和水位观测效率。

将观测水位数据与实时庙嘴站水位相减求得绝对值，得出波峰幅值和波谷幅值，根据波幅=波峰幅值+波谷幅值，求出相应的波幅值，并统计出不同水位条件下、不同船闸泄水组合下各水位站的波幅情况。为节约篇幅，在此仅以水位39.0 m为例，2号、3号船闸不同泄水组合下的水位波幅统计结果列于表2。

2 水位波动特性分析

2.1 波速与波长分析

通过绘制不同水位、不同闸次组合的水位曲线图可知，波峰的传递有着极强的相似性。根据各水位站之间的距离间隔，粗略估算出波峰的传播速度约为10 m/s，这远大于实际观测到的水流速度，即水体势能（波）的传播速度远大于水流速度。证明了势能的传播并不是通过实体的流动进行传播的，而是以能量（波）的形势进行传播的。本次观测中通过计算水位在39.0，39.5，40.0，40.5，41.0，41.5 m时各泄水组合的波峰传递速度，求取平均值，得知波速均分布在9～10 m/s范围内。

参照历史观测资料[9，15]，这种重力势能波波长达10余千米，结合此次观测的实际条件，观测区间较短（未能覆盖半个波长），只能大概地间接测算出泄水波首波的波长约20 km。同时，波幅只有1.0 m左右，坡度平缓（平均坡度只有5×10-5），无碍船只航行，因此波长对于航行影响可忽略不计。

2.2 泄水条件下波幅时空变化

2.2.1 波幅沿时变化规律

由表2可知，各水位观测站虽然在波幅大小上显示出差异性，但水位的波动趋势具有极高的相似性：总是在船闸泄水后水位迅速上升至波峰，再回落至波谷，且波谷水位低于静水面水位，继而抬升，再次回落，而后逐渐恢复至静水面。但后续的抬升和回落幅度均弱于首次涨落的幅度。以2019年2月24日12：48 2号闸单闸泄水为例，左右岸各水位站沿时波动曲线如图2～3所示。

2.2.2 波幅沿程变化规律

通过把各个水位站同一时间段的水位变化曲线进行叠加分析，就能清楚地看出波峰沿程的变化趋势。经过对不同水位、閘次组合情况下的波幅观测数据资料统计比较，发现2018年12月16日13：18两闸联泄时波幅最大，如图4～5所示（图中波峰、波谷、波幅均表示左右岸的平均值）。很明显看出LG/RG、LH/RH、LI/RI 3对水位站的波幅明显减小，LI/RI站因靠近大江、三江的交汇处，受船闸泄水的影响最小。最大波幅、波谷出现在LA/RA站，A～F站波幅存在逐渐减弱趋势。

2.3 两闸联泄对波幅变化影响规律分析

由于两座船闸运用情况不同，所以其下引航道会产生各种不同的波形，有的情况叠加使波幅增大，有的使波幅减小。在庙嘴站水位为39.5 m时，2019年2月24日12：48两闸联泄间隔14 min，2月25日14：00两闸联泄间隔1 min，1月2日14：15 2号闸单闸泄水，绘制三者的波幅沿程曲线如图6所示。从图6中可以看出：泄水间隔为1 min时波幅最大，2号闸单闸泄水时波幅其次，泄水间隔14 min时波幅最小。

在庙嘴站水位为40.5 m时，对2019年1月21日和22日观测到的2号-3号闸联泄情况进行分析，1月21日15：04泄水间隔为20 min，1月22日14：37泄水间隔为7 min，1月22日12：27 2号闸单闸泄水，绘制三者的水位曲线图见图7。从图7中可以看出：泄水间隔为7 min时波幅最大，2号闸单闸泄水时波幅其次，泄水间隔20 min时波幅最小。

因水体势能传播速度一致，由此试验数据可知，从开始泄水到波峰出现的时间段内，不同水位、不同闸次组合下波幅的差异不大。同时由2.2.1节分析可知，闸下首次波峰出现在泄水开始后约8 min。那么以泄水开始为零点，0～8 min水位处于上涨过程;8 min至波谷水位处于下降过程。当两闸联泄间隔发生在0～8 min时，水体势能呈现加强效果，波幅变大;当两闸联泄间隔发生在8 min之后，水体势能呈现抵消效果，波幅减小。

3 泄水对通航的影响分析

3.1 波动持续时间对通航影响

对泄水引起的波动进行分析，可以看出波幅总是表现出逐渐削弱的趋势，因此只需关注首次波峰波谷对通航的影响。其中又以波谷的出现对通航不利，应重点监控首次波动中下跨零点至相邻上跨零点的时间段。对各水位站在不同闸次下重点时段进行了统计，船闸泄水对通航影响时间统计见表3，表中斜线左边为泄水开始至首次波动中下跨零点的时间间隔，斜线右边为首次波动中下跨零点至相邻上跨零点的时间间隔。

分析可知，船闸泄水开始约14～17 min后三江水位低于正常水位（庙嘴站水位），时间持续约16～21 min，即船闸泄水后的14～38 min范围内，三江水位低于庙嘴站水位，对通航产生不利影响，需要船舶驾引人员格外谨慎操作，确保安全。

3.2 波谷对通航影响

经观测，最大波谷出现在0～LA/RA站区间，统计2号船闸单闸泄水时最大波谷水位，如表4所列。

通过对实测波峰、波谷及庙嘴水位站水位的统计分析发现，若以庙嘴站水位为基准轴，船闸泄水波的波谷值要大于波峰值（波谷值比波峰值大20～30 cm），按两者之间的关系波幅=波峰+波谷，基于庙嘴站水位推算三江下引航道泄水波的波谷最低水位时，应该在庙嘴站水位减去波幅值一半的基础上再减去10～15 cm的安全阈值。

两闸联泄会产生最低波谷，对庙嘴站不同水位两闸联泄时的最大波谷进行统计，结果如表5所列。

从表5可以看出最大波谷达0.75 m时，对葛洲坝三江下引航道内航行船舶的安全形成较大隐患。结合上文所述，可知两闸联泄间隔在0～8 min时形成的水位最低，建议在枯水期两闸联泄的时间间隔大于8 min。

在航道维护中，用当日维护水深值与推算出的泄水波波谷最低水位值相减，得到船舶安全通航的维护水深值，船舶吃水深度须小于该值，以保障航行安全。

4 结 论

（1） 船闸泄水是造成航道内水位变化的根本原因。水的往复流动再加上船闸的频繁泄水，造成了三江下引航道水位周期性的波动。因此三江下引航道水位的波动特性不同于常规的波动特性，更应该看做是水的往复流动造成的水位周期性的上涨与回落。

（2） 船闸泄水造成的波动会引起水位长时间低于正常水位（庙嘴站水位），瞬时航道水深不能满足公布的航道计划维护水深，对通航产生不利影响，应加强交通组织和航道观测，注意提醒过往船舶定期分析河床地形变化，及时采取正确有效的管理措施，如实施清淤施工或调整助航标志等。

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（編辑：胡旭东）

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