三峽工程引航道沖沙流量-合理規(guī)模

1、三峽工程引航道沖沙流量-合理規(guī)模            摘要：本文系統(tǒng)比較了三峽工程與葛洲壩工程的具體條件，結(jié)合泥沙實體模型和數(shù)學模型的研究成果，提出了三峽引航道沖沙流量的合理規(guī)模。三峽工程可以用較葛洲壩工程規(guī)模小的“小流量沖沙”措施實現(xiàn)“動水沖沙”。通常條件下，將引航道沖沙設施的規(guī)?？刂圃?000m3/s的范圍以內(nèi)，就可以達到很好的沖沙效果；如果沖沙時進一步考慮小幅度降低水庫水位，則尚可以進一步降低沖沙流量或增加沖沙效果。降低水位沖沙系非結(jié)構(gòu)措施，可以作為今后運用中的安全余

2、地。本文建議，三峽工程采用4000m3/s的沖沙流量規(guī)模。  關(guān)鍵詞：三峽工程 引航道 泥沙淤積 動水沖沙 小流量  1 前言     三峽樞紐通航條件是改善長江中上游航運條件的關(guān)鍵所在。為此，三峽工程布置了雙線五級船閘和垂直升船機兩套通航建筑，使通航規(guī)模與葛洲壩工程的三線船閘一致。     根據(jù)葛洲壩工程的經(jīng)驗和三峽工程的泥沙研究成果14，在工程運用后期，壩區(qū)的泥沙淤積將會比較嚴重，上下游引航道布置一定長度的防淤隔流堤是必要的。為此三峽下游引航

3、道采用了長隔流堤將引航道與主流分開，上游引航道采用了興建一條將船閘、升船機引航道及由臨時船閘改建的沖沙閘全部包括在內(nèi)的所謂“全包”隔流堤方案。由于臨時船閘的缺口可以改建為能泄放2500m3/s的沖沙閘，所以，“全包”方案已經(jīng)為沖沙提供了一個重要的沖沙設施。     盡管上下引航道興建了防淤隔流堤，但是，上下引航道年內(nèi)泥沙淤積量還是很大。據(jù)研究資料統(tǒng)計，到后期上下游引航道的礙航淤積量均在100萬m3以上?？紤]到通航條件的限制和淤積在時間上的不均勻性，單靠機械挖泥將是難以應付的，必須考慮一定規(guī)模的水力沖沙設施。葛洲壩工程采用“靜水過船，動水沖沙”7已經(jīng)被實踐

4、證明為成功的經(jīng)驗，三峽工程應該借鑒。但是，三峽與葛洲壩工程又是有差異的，三峽工程可以利用葛洲壩工程所沒有的有利條件，而不應完全照搬葛洲壩的沖沙規(guī)模。三峽“動水沖沙”的規(guī)模應該根據(jù)其具體情況分析來決定。     根據(jù)作者近年來關(guān)于三峽工程上下游引航道泥沙淤積對策方面的實體模型試驗和數(shù)學模型計算研究，在具體分析了三峽工程的有利條件的基礎(chǔ)上，本文提出可用“小流量沖沙”的措施實現(xiàn)三峽工程的“動水沖沙”，引航道沖沙設施規(guī)?？刂圃?000m3/s的范圍以內(nèi)，就可以達到很好的沖沙效果。如果進一步考慮降低水庫水位等非結(jié)構(gòu)措施，沖沙流量還可以減少，這可以作為余地，有利于確

5、保三峽上下引航道的暢通。 2 葛洲壩工程與三峽工程沖沙條件的比較     葛洲壩工程采取動水沖沙的方法對維護上下游引航道起到了決定性的作用，這是值得三峽工程借鑒的。但是，由于三峽與葛洲壩工程畢竟存在差別，定量上決定三峽工程沖沙流量的規(guī)模應該結(jié)合三峽工程的具體條件進行具體分析。張瑞瑾在分析葛洲壩工程的情況并總結(jié)出“靜水過船，動水沖沙”措施時是根據(jù)下列三個客觀條件7，即：     1)長江屬于年平均泥沙濃度略大于1kg/m3的“中沙河流”；     2)葛洲壩工程是水量

6、豐沛的徑流式電站，每年在相當長的時間中存在較多的棄水；     3)樞紐宣泄洪水需要較多的泄洪閘，沖沙閘可以起泄洪閘的作用。     三峽工程與葛洲壩工程比較，在條件上存在很大的差別。這些差別是由于工程的規(guī)模，水頭及泄洪布置方式以及長江上游大型水電工程群的綜合作用所決定的。     三峽工程與葛洲壩工程雖然僅僅相距幾十公里，天然條件下的水沙條件幾乎完全一致。然而，三峽工程是具有幾百億m3庫容，允許上百億m3泥沙淤積的大型水庫，雖然水庫運行初期也有相當數(shù)量的泥沙到達壩前，但是，

7、水庫需要約100130年才能達到初步的沖淤平衡，平衡前到達壩前的泥沙濃度將會遠小于天然情況，至少前30年的淤積情況不會象葛洲壩工程引航道那樣嚴重。同時，國家已將金沙江的開發(fā)列上日程，向家壩或溪落渡之一可望在10年內(nèi)開工。即使是庫容量相對較小的向家壩水庫，前30年平均年攔沙量估算亦達1.25億m38，約為長江總輸沙量的四分之一。上游水庫攔沙后，三峽工程上下引航道在近期和中遠期的泥沙淤積都將得到一定的延緩。興建規(guī)模大而且?guī)资暌院蟛攀褂玫臎_沙設施勢必造成資金的極大積壓。     三峽樞紐不是徑流式電站。三峽工程在145m水位時，電廠滿發(fā)需要的流量大約為220

8、00m3/s，在每年9月需要沖沙時，長江平均來流量僅27500m3/s，雖然存在一定的棄水，但棄水量已經(jīng)很小。特別是上游水庫投入運行之后，水能資源的綜合利用和優(yōu)化調(diào)度更將大大減少三峽工程的棄水。在棄水量較小的樞紐，用于沖沙的水量必須通過綜合經(jīng)濟比較加以合理地確定。如果沖沙流量太大，每年可以安排沖沙的時機將會受到限制，航運與發(fā)電的矛盾將會突出。     三峽工程是高水頭的樞紐。它包括了規(guī)模宏大的泄洪建筑物。沖沙設施不再象葛洲壩工程那樣是泄洪的必需設施之一，其建設投資是必須認真考慮的因素。而且，如果沖沙設施的規(guī)模象葛洲壩工程一樣，達到800010000m3/

9、s的流量，則由于水頭高，在隧洞布置、消能等方面將存在較大的難度，特別是隧洞的施工與過流對船閘高邊坡的穩(wěn)定和安全影響可能很大。設置大規(guī)模沖沙隧洞的可行性需要慎重研究。     三峽樞紐將船閘和升船機兩套通航設施都布置在左側(cè)，對部分引航道的共同利用和通航的管理等方面帶來一定的好處，但是，對航道的淤積和往復流的控制則帶來了困難5，6，特別是上游引航道的沖沙，不管三峽工程采用哪種隔流堤布置方案，采用多大的沖沙流量，引航道中都將存在沖沙的“死區(qū)”，機械挖泥作為輔助措施清除邊角等死區(qū)的泥沙淤積是必要的。引航道沖沙只能解決主航道線上的淤積問題。  

10、  3 小流量沖沙的可行性        2007-04-23        三峽工程上游引航道的控制寬度(139m高程以上平均240m)比葛洲壩工程三江上游引航道的最小寬度(57m高程以上平均250m)稍窄，同時，沖沙時航道水深相差很大。三峽工程汛期的水位是汛限水位145m，引航道沖沙時的最大水深僅為6m；葛洲壩工程作為三峽工程的反調(diào)節(jié)水庫，設計要求它具有3m的水位變幅，相應水位為6663m，沖沙時的水位一般是66m或66.

11、5m(1987年后)，按相同的航深要求，葛洲壩工程的最大沖沙水深為9m。圖1是1995年沖沙前后，葛洲壩三江上引航道進口處的斷面。沖沙后過水面積為2781m2，平均水深達11m，大于前面采用的9m。三峽工程上引航道的沖沙水深較葛洲壩小1/3。如果假設沖沙開始時航道的淤積厚度同為2m，則三峽航道的水深僅為較葛洲壩的4/7。根據(jù)張瑞瑾的挾沙力公式圖2 下游航道沖沙效果與水位的關(guān)系(Q=2500m3/s,沖沙前引航道淤積50萬m3)Flushing efficiency for lower approach vs.water stages(Qflush=2500m3/s)表3 上游引航道的實體模型6

12、和數(shù)學模型5    2007-04-23        沖沙試驗和計算結(jié)果(第58年，淤積量單位：104m3)Scaled/numerical model results of flushing from theupper approach of TGP(58th year, unit:104m3) 沖沙前沖沙后沖沙效率實體模型58.220.864.3數(shù)學模型61.420.366.9    上游沖沙是否造成下引航道的大量淤積是汛期能否安

13、排沖沙的關(guān)鍵問題之一。在大水大沙年，三峽上游引航道可能出現(xiàn)礙航淤積，這時上游就必須進行汛期沖沙，而這時下游航道水深很大。從圖2可見上游沖沙會在下游引航道發(fā)生淤積，但是，淤積的數(shù)量是很有限的。關(guān)于這一點，在清華大學的1:120的實體模型上進行了汛期上游沖沙對下游航道影響的淤積試驗，也得出同樣的結(jié)論。上游沖沙不會太多地增加下游航道的淤積高程。而汛期三峽的下游水位高于67m，引航道內(nèi)汛期的淤積及上游沖沙產(chǎn)生的附加淤積不會引起下游航道在汛期礙航。    對于三峽工程上游引航道，實體模型試驗6和數(shù)學模型計算5都表明，即使在2500m3/s的條件下，引航道內(nèi)部的沖沙效率仍然可

14、以達到65%左右。剩余淤積量主要集中在靠近船閘的航道和船閘取水口周圍的深水區(qū)。表3是實體模型和數(shù)學模型第68年的沖沙試驗和計算結(jié)果。試驗和計算結(jié)果還表明，2500m3/s的沖沙流量稍有偏小，增加一定的流量還可以將效率大大提高。    三峽工程如采用小流量沖沙方案，還應該在航道設計中盡量采用節(jié)約流量的措施。動床沖刷時，必然出現(xiàn)河槽局部沖深現(xiàn)象(抽槽)而減少整體沖沙效果。葛洲壩工程上游就存在抽槽沖刷的現(xiàn)象。抽槽沖刷既不是通航所需要的，而且也降低了斷面的流速，減小有效的沖沙效率，其結(jié)果是增大了沖沙設施規(guī)模，浪費了寶貴的沖沙水源。因此，建議三峽工程上游引航道考慮必要的護底

15、措施。    2007-04-23            三峽電廠的水頭比葛洲壩大45倍，加上消能和工程上的難度，單位水量沖沙的成本比葛洲壩大45倍以上。在設計時應盡量考慮節(jié)約沖沙流量，增加單位水量的沖沙效果。而在實際運行中，則應該優(yōu)先使用在三峽配置的挖泥力量，沖沙設施應放在挖泥不能應付的時候啟用。    5 以進一步降低水深作為沖沙方案的安全余地     由于三峽上

16、下游引航道均處于水庫的控制之下，沖沙時引航道的水深可以人為調(diào)節(jié)。在大水大沙年或由于三峽長時間攔洪導致引航道大量淤積時，可在短期內(nèi)小幅度降低三峽和葛洲壩的庫水位以幫助引航道沖沙。上游引航道沖沙時水位可以降低2m，使引航道的最大沖沙水深減小到4m。對于三峽下游引航道，由于汛期水位較高，水深大于12m，即使有8000m3/s的沖沙流量也很難達到理想的沖沙效果。所以，下游引航道的沖沙應該安排在汛末葛洲壩水位較低的時候(正常日調(diào)節(jié)的最低水位62.5m)，沖沙時可降低到62m。降低水位沖沙系非結(jié)構(gòu)措施，不需要建設投入，僅在必要時使用，它將是經(jīng)濟的辦法。    關(guān)于降低三峽水庫

17、的水位，文獻11進行了系統(tǒng)分析。三峽水庫在汛期有棄水存在，這是可以降低水位沖沙的前提條件。在3040年后當上游引航道需要沖沙時，由于水庫自身的淤積，回水曲線抬高，降低2m壩前水位產(chǎn)生的影響僅在奉節(jié)以下約200km的范圍內(nèi)，棄水量約2億m3，降低和回蓄分別需要的時間為35小時，完全可以適應沖沙的要求。同時，沖沙過程對三峽水庫內(nèi)的重要碼頭的作業(yè)基本上沒有影響，對發(fā)電和通航的影響也較小。小幅度降低三峽水庫的水位是可行的。    三峽下游引航道處于葛洲壩工程的回水范圍以內(nèi)，降低葛洲壩水位即可以降低三峽下引航道的水位，從而增加沖沙效率。短期降低葛洲壩水庫水位可以增加三峽電廠

18、的發(fā)電水頭，兩個電廠的發(fā)電總量是不會減少的。根據(jù)三峽工程的運行規(guī)則，每年10月1日水庫從145m開始蓄水，10月底蓄至175m高程，31天內(nèi)蓄水總量221億m3，平均蓄水流量8251m3/s。根據(jù)宜昌站從18771982年的10月平均流量統(tǒng)計，105年中有91年三峽工程扣除蓄水后的下泄流量小于16000m3/s,在這種流量下從葛洲壩至三斗坪的壅水高度小于0.8m。若10月初沖沙時將葛洲壩的庫水位降低到62m(比最低庫水位低0.5m)，87%的年份可以將三峽工程下引航道出口的水位控制在62.8m以下。即使當上游流量更大時，三峽水庫還可在沖沙過程中多蓄水(蓄水強度大于8251m3/s)來保證下游水

19、位的降低。有條件的年份10月初多蓄水對增加發(fā)電量是有利的。至于沖沙使用的水量，可以考慮讓三峽水庫提前半天蓄水來提供。在降低水位沖沙過程中，由于下泄流量及兩壩間的水位在很短的時間內(nèi)大幅度降低，三峽至葛洲壩需斷航。然而，也因為兩壩間水位的降低，對沖刷其間的淤積(包括三峽下引航道口門外和連接段)，保證汛后通航水深是有好處的。同時，葛洲壩引航道還可以利用這一時機同時沖刷其引航道，以保證葛洲壩上引航道適應三峽日調(diào)節(jié)要求的62.5m通航的航道條件。表4 三峽小水深沖沙水力指標及與葛洲壩1987年沖沙試驗的比較Comparisons of small water depth flushing of TGP

20、approach with observations from Gezhouba Project in 1987    2007-04-23         工程名稱沖沙流量最大平均水深（m）引航到寬度（m）最小平均流速（m/s）挾沙力指標（U3/H）沖沙效果三峽上游40004.02404.1618.1三峽下游40005.82003.457.07葛洲壩三江上游800010.52503.052.5776.3%    2007-0

21、4-23         表5 葛洲壩三江下游引航道19811987歷年沖沙情況Flushing of Gezhouba navigation channel from 1981 to 1987  年份1981198219831984198519861987次數(shù)/總時間（h）2/222/223/292/204/361/102/22多次平均流量（m3/s）537560006083662562507750-80008000多次平均水位（m）    2007-0

22、4-23        45.6544.8244.5145.4246.8546.2046.6平均水深（m）11.1510.3210.0110.9212.2611.712.1流速（m/s）2.803.43.573.532.923.943.79U3/H1.963.834.564.032.035.244.52沖沙效率（%）90.1    2007-04-23        117.091.6124.598.890.1140.4注 1 由于淤積主要集中在靠近口門處，故平均寬度按口門尺寸150+2H計算；   2 多次平均值指多次沖沙的平均值，但不包括泄洪沖沙在內(nèi)。    綜合上述分析可見，三峽上游引航道在汛期沖沙時，可以小幅度降低三峽水庫水位以保證