三峽工程引航道沖沙流量的合理規(guī)模

1、    三峽工程引航道沖沙流量的合理規(guī)模            作者：周建軍時間：2007-11-25 12:12:00                     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

2、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)模控制在4000m3/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地。本文建議，三峽工程采用4000m3/s的沖沙流量規(guī)模。  關鍵詞：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

3、通航條件是改善長江中上游航運條件的關鍵所在。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

4、。     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)

5、作者近年來關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)模控制在4000m3/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，

6、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

7、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，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，

8、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22000m3/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

9、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/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

10、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。3 小流量沖沙的可行性    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

11、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66.5m(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1 葛洲壩三江上引航道進口處沖沙前后過水斷面Measured inlet sections in Sanjiang up

12、per approach of Gezhouba Project before/after flushing S=k（u3/ghw）(1)    式中 U是平均流速；h是水深；是泥沙沉速；g=9.81；m1.0。由于三峽與葛洲壩相距僅幾十公里，三峽引航道的泥沙和葛洲壩引航道的泥沙應該很接近，沉降速度基本一致。而在相同的沖沙流量下，三峽引航道的平均流速是葛洲壩的1.561.82倍，所以，三峽引航道的挾沙能力將是葛洲壩的510倍。對上游引航道而言，三峽工程顯然沒有必要采用與葛洲壩工程相同的沖沙流量。如果三峽與葛洲壩上游航道按相同的挾沙能力設計，則由公式(1)

13、三峽工程引航道的沖沙流量為Q三峽沖沙=(0.44-0.54)Q葛洲壩三江沖沙(2)葛洲壩三江航道沖沙流量一般為8000m3/s，因此，三峽上游航道的沖沙流量大約為4000m3/s。    三峽工程下游引航道的水位可以通過葛洲壩工程控制，沖沙時可以降低。三峽工程下游引航道的寬度為180m，口門寬200m，航道底的維護高程為57m，汛期最低水位是由葛洲壩水庫66m控制(約6769m)，全年最低通航水位為63m；葛洲壩三江下游航道的最小寬度為120m，口門寬是150m，航道底的維護高程為34.5m，全年最低通航水位為39.0m。對比之下，葛洲壩工程下游引航道的截面積應該

14、比三峽下引航道小，沖沙條件較三峽工程應該更加有利。但是，由于葛洲壩工程是徑流式電站，航道沖沙時機不可能安排在枯水季節(jié)，一般須在大江流量大于2200023000m3/s的時候沖沙，這時，下游河道的水位高于46.5m，最大沖沙水深大于12.0m。而三峽工程的下游水位是處于葛洲壩工程水庫的控制范圍以內(nèi)，汛末可以考慮降低葛洲壩水庫水位沖沙。建議三峽沖沙時葛洲壩水庫的壩前水位降低到62.5m，三峽工程下引航道出口的水位將為6363.5m，最大沖沙水深約6.5m。沖沙時，三峽工程的最大水深為葛洲壩工程的54.2%；假設沖沙開始時，三峽工程和葛洲壩工程的淤積厚度均為2m，則三峽工程的水深僅為葛洲壩工程的45

15、%。沖沙時三峽的最大過水面積僅為葛洲壩的58.471.1%；在相同流量下，三峽工程下游引航道的挾沙能力是葛洲壩工程的511倍。若按相同的挾沙能力設計，則三峽工程下游沖沙流量的規(guī)模     Q三峽沖沙=(0.45-0.58)Q葛洲壩三江沖沙(3)與(2)基本一致。另一方面，同樣用公式(1)的挾沙能力作為衡量標準，沖沙時三峽工程下游引航道挾沙能力指標將高于上游。因此，三峽工程引航道的沖沙流量可按(2)確定。    葛洲壩工程從1986年開始，運行水位已達到6666.5m。表1給出了1986、1987年三江航道的沖沙流量、水位及效果9?？梢姡瑳_沙條件和前面分析的條件是基本吻合的，沖沙效果(特別是下游)也是顯著的。雖然上游效果略差，但最大水深都已經(jīng)超過了分析中假定的9m。    從葛洲壩工程的設計和現(xiàn)狀可以看出，三峽工程引航道沖沙的流量由公式(2)計算是基本上可靠的，故三峽工程可以采取小流量沖沙的方案。由于葛洲壩三江的沖沙流量一般為8000m3/s，所以，三峽引航道的沖沙流量可以限制在4000m3/s以內(nèi)。表1 葛洲壩工程三江航道的沖沙情況9Observed data