三峽水庫常見灘流分析

三峽水庫常見灘流分析

三峽水庫蓄水后，尤其是在三峽水庫175米的蓄水期，三峽大水庫至重慶段的水深顯著增加，比降水泛濫，流速減慢，河流變寬。這是一條較好的庫-河，庫-河條件顯著改善，促進了庫-河的快速發(fā)展。但是,在汛期按照145m的低水位運行,水庫回水范圍減小,位于豐都至涪陵間的洪水急流灘河段如和尚灘等因洪水水流湍急而形成急灘礙航,影響船舶通行,已成為限制三峽水庫航道整體通航能力提升的瓶頸。1和灘上游的泥沙條件和尚灘位于烏江與長江交匯口下游約3.2km,距宜昌上游約532.8km,距壩址486.3km,處于三峽水庫常年回水區(qū)末端,是川江著名的洪水急流灘。該河段河道順直,河槽橫斷面呈窄深型(圖1)。右岸有和尚灘石梁伸入江中,左岸有群豬灘和郭家嘴石梁,形成交錯對峙狀態(tài)。灘段上游河道呈微彎形,江中有美女磧和小和尚石,河道偏南有許多礁石潛伏,北岸王八磧與硯臺石間有暗淺相連,在硯臺石與群豬灘之間有暗淺深入江中,南岸有惡狗堆與盤蛇子石梁。和尚灘上游的苦竹沱內(nèi)常年有回流,郭家嘴下游灘內(nèi)也常年有回流。在1955—1956年、1969—1971年期間及“7250工程”1996年炸除了左岸和尚灘石嘴和右岸郭家嘴石梁,總工程量約22萬m3。和尚灘段河床形態(tài)極不規(guī)則,兩岸石梁高大、凸出,尤其是右岸和尚灘的亂石嘴與左岸群豬灘及郭家嘴石梁交錯對峙,阻束水流汛期成灘。三峽水庫蓄水前該灘的成灘水位為145.8m,最洶水位在151~154m,到155.5m以上,灘勢逐漸減弱。當長江、烏江同時漲水時,灘勢更加兇猛,水流湍急,泡漩洶涌,因郭家嘴石梁與和尚灘石梁的挑流使兩嘴下均呈現(xiàn)較大回流沱及泡漩等不良流態(tài),若船舶不慎,便有“打張”的危險。三峽工程建成后按175m水位運行時,雖然該灘的航道條件得到較大程度改善,但汛期流量較大時仍然會出現(xiàn)礙航特征。和尚灘上下游河道較寬,在和尚灘段由于左右岸基巖突出致使河道驟然縮窄而成灘。但因其左右基巖并非對峙,而是右岸與左岸突嘴上下交錯形成,因而屬于突嘴型中的錯口急流灘。2河流網(wǎng)格線及其交角和尚灘河段計算區(qū)域為涪陵大橋上游至下游清溪場,全長約16km。平面二維數(shù)模在計算域內(nèi)共布置500×60個網(wǎng)格點,經(jīng)正交計算后得到如圖2所示的正交網(wǎng)格圖,網(wǎng)格線的交角除岸邊個別節(jié)點以外均為88°~92°,基本保持正交。正交曲線網(wǎng)格沿河流方向間距約32m,沿河寬方向間距約為20m。二維數(shù)學模型對和尚灘實測瞬時水面線及流速、流向(2008年8月,流量Q=33500m3/s)進行了驗證。3航道條件變化3.1壩前和灘灘口水位三峽水庫按175m方案蓄水后,和尚灘河段水位較天然情況下有所抬高,尤其在蓄水期,水位最大抬高約38m。在汛期,壩前水位按145m運行時,水位有所抬高,但幅度不大(圖3),清溪場量15100m3/s時,和尚灘灘口水位為148.38m,較天然情況下水位抬高3.56m;清溪場量50000m3/s時,和尚灘灘口水位為160.85m,較天然情況下僅抬高1.47m。3.2寬帶壓水面流速特征數(shù)學模型計算對比了和尚灘河段灘面斷面流速分布及最大流速變化情況。在汛期壩前145m水位時,該河段洪水流速較天然情況有所減緩,斷面流速分布亦更加趨于均勻化。從流量15100m3/s到50000m3/s時,和尚灘河段灘面最大流速變化情況對比來看,局部流速比天然情況減小最大可達0.68m/s,灘面流速平均值最大減小約為0.31m/s(圖4)。且隨著流量的增多,流速減小幅度越小,在流量為50000m3/s時,其斷面上主流流速分布基本一致,最大減小幅度僅約0.25m/s。3.3和灘河段河寬汛期,三峽水庫按壩前水位145m運行,和尚灘河段航道的河寬有所增加,且隨著流量的增大,增幅逐漸減小。二維數(shù)學模型比較了流量15100m3/s到50000m3/s時,和尚灘河段河寬的變化情況。與天然情況相比較,清溪場流量在15100m3/s時,和尚灘河段滿足4.5m航道水深的航寬平均變寬了33.4m,局部最大處變寬了73.4m(圖5)。當流量超過35000m3/s時,航寬較天然情況下相差不大。4自航上灘水力指標圖6比較了三峽成庫后汛期壩前145m水位時和尚灘河段實測航跡線上最不利流速、比降組合的變化情況,在汛期壩前水位145m時,航跡線上的流速比降組合較天然情況下有大幅改善。當流量為15100m3/s,流速減小了0.24m/s,比降減緩了0.12‰;當流量為35100m3/s,流速減小了0.46m/s,比降減緩了0.46‰;當流量達到50000m3/s,流速減小了0.15m/s,比降減緩了0.47‰。1)對萬噸級船隊(1654kW、2339kW推輪配合1000~3000t駁船組成的萬噸級船隊),其自航上灘水力指標見表1。在天然情況下,清溪場流量15100m3/s,航線上最大流速比降組合為1.85m/s×0.21‰,可滿足自航上灘;而當流量為20100m3/s,航線上最大流速、比降組合為2.24m/s×0.38‰,不滿足自航上灘指標。壩前145m蓄水時,清溪場流量在20100m3/s,航線上最大流速比降組合為1.95m/s×0.15‰,可自航上灘;流量為25000m3/s,航線上最大流速比降為2.41m/s×0.19‰,不滿足自航上灘。2)對3000噸級單船,其自航上灘水力指標見參考文獻。在天然情況下,清溪場流量20100m3/s以下時可自航上灘;而壩前145m蓄水時,清溪場流量在35100m3/s以下時可自航上灘。2008年8月,三峽816在清溪場流量為31100m3/s成功自航上灘,可見汛期三峽大壩按145m方案蓄水時,對和尚灘航道的船舶自航上灘能力有一定程度的改善。5峽水庫航道適用率低,航道維護尺度好,自航上灘流通壓力較強,影響了三峽航運效益顯著提升通過數(shù)值模擬及實測資料分析等手段,分析了三峽成庫后常年回水區(qū)末端和尚灘的航道條件變化情況及上灘能力。在汛期,三峽水庫壩前水位為145m,和尚灘河段水位抬高了1.47~3.56m流速減小0.68m/s,滿足4.5m水深的航寬變寬了33.4m,航道維護尺度從2.9m×60m(水深×航寬,下同)變?yōu)榱?.5m×150m,航道尺度大大提高。萬噸級船隊自航上灘流量由15100m3/s提升至20100m3