長江三峽明渠導流的試驗研究與原型運行調查 論文

1、長江三峽明渠導流的試驗研究與原型運行調查 論文    摘要：該文闡述三峽明渠導流的模型試驗研究成果，含明渠池流能力，過流斷面形式，渠道進口縱向堰頭部形狀，河岸保護，航道河段整治及船只上行航線等。并對原型泄洪運行中尤其是1998年大洪水作了觀測，包括明渠水流情況，兩岸水位，明渠底面沖淤變化，圍堰護坡淘刷及船只航行等。關鍵詞：明渠導流 縱向圍堰 河岸保護 航道整治 航跡線 運行觀測 三峽第二期縱向圍堰左側的主河道，修建河床溢流壩和左岸廠房，以及左岸5級連續(xù)船閘，由導流明渠泄流，由明渠和臨時船閘通航。試驗研究是長江科學院、中國水利水電科學院、西南水運

2、工程科研所各自的水力學整體模型(比例尺為1100；1120；1150)進行的。施測了明渠泄流能力，流速、水流形態(tài)、水面坡降及船隊航行軌跡線，船舶對岸流速、操作使用舵角和航行漂角等。在明渠導流運行期間，長江科學院、長江委水文局和葛洲壩工程管理局進行了原型觀測，現(xiàn)將有關調研成果資料整理如下。1 水力學模型試驗研究1.1 明渠布置與渠道尺寸明渠布置在長江右岸(圖1)，沿中堡島右側的后河，明渠是由上、下游引航道，上、下游園弧連接段，直線渠身段所組成。試驗比較明渠寬度450、465 m及410、400、350 m的不同規(guī)模方案1。在試驗流量10 00035 000 m3/s，觀測到混凝土縱向圍堰頭部的位

3、置和形式對明渠影響很大，在堰頭形式不適宜時，縱向圍堰側旁會形成回流，最大回流寬度占到明渠一半，水流擠向凹岸一側，更增大右側航道流速。為調整斷面流速，降低凹岸一側航道寬度內流速，模型試驗曾比較過加設隔流提、斜潛壩，采用右高左低的復式斷面，而以上縱頭部段為弧形曲線及以凹岸一側航寬內渠底升高的復式斷面效果最好，其升高度應以滿足航道水深為限。經(jīng)綜合論證，按所提試驗成果比較分析，決定采用明渠結合臨時船閘的施工通航方案，故選定明渠寬度350 m。該方案在流量10 000 m3/s時，可滿足省市縣地方船隊的航行要求。當流量為20 000 m3/s時，靜水率定流速4.9 m/s的3×1 000 t1

4、 960.65 kW長航公司船隊可沿明渠左、右航線上、下航行安全通過。1.2 明渠斷面及縱向圍堰形式在設計選定明渠寬度350 m后，對明渠上、下口引航道的開挖范圍、縱向圍堰頭部曲線形狀、渠底開挖高程，泄洪水位流量作了深入的試驗研究。1998年提出的布置為:右岸邊線長3 950 m，其中渠身段長1 700 m。明渠采用復式斷面:右側高渠底高程58.0 m，寬度100 m;左側低渠寬250 m，底高程順水流向為：距壩軸線44 m的上游高程50.0 m，壩軸線上游44 m到壩軸線下游113 m為45.0 m，壩軸線113 m以下為38.0 m。明渠上游引航道段長約1 050 m，其右側100 m寬范

5、圍高程58.0 m，左側高程54.0 m。下游引航道段長約1 200 m，其右側寬100 m范圍高程58.0 m，左側高程48.0 m。導流明渠左側為混凝土縱向圍堰，其軸線長度為1 209 m，其中上縱段長530.0 m ，壩身段長113.0 m，下縱段長566.0 m。上縱頭部位置及曲線，經(jīng)過20個方案的比較試驗和多次修改，最后選定:左側為半圓臺，其頂圓半徑為2.5 m，底圓半徑為28.75 m，上縱頭部右側為1/4橢圓曲線。1.3 明渠的泄流能力及其防沖保護1.4 明渠上、下游航道連接河段的整治整治措施是將上、下游航道連續(xù)河段規(guī)劃航道內的礁石開挖到高程600 m，沙包開挖到高程61 m，進

6、行了整治前與整治后對比試驗。在流量10 000 30 000 m3/s的對比試驗，結果表明:從保證上游航道連接段航深、消除跌水，泡漩等礙航流態(tài)，減少水流與航線夾角，減少橫向流速看，此項整治措施是必要的，也是有效的。2 導流期間原型觀測(1)明渠水流情況2。水流受渠道混凝土縱向圍堰縮窄的影響，在縱向圍堰首部樁號19480至19200的20 m范圍產(chǎn)生跌水，按模型上游水位與渠道原型樁號19560處水面差計，在流量35 90061 000 m3/s時落差2.303.3 m，并有波浪，堤頭有挑流作用，挑流線上流速較大；在渠身段，即河床高程由50 m過渡到45 m的區(qū)段，產(chǎn)生水面降落波動外，整個明渠過流

7、平順，水流條件好，主流偏右(圖1)。(2)明渠水位變化。在流量35 90061 000 m3/s時，縱向水位差1.21.65 m，縱向比降i=0.001 00.001 4。受渠道進口和出口彎道段水流離心力的影響，在渠道產(chǎn)生橫向水位差，在右岸護坡一側的凹岸產(chǎn)生壅高水位，在縱向圍堰一側的凸岸水位降低，水位差1.62.l m，橫比降0.004 30.005 6。(3)渠道糙率。進入明渠的水流在進口段受縱向圍堰束窄作用產(chǎn)生跌水和回流漩渦區(qū)，再往后水流為平穩(wěn)均勻段，直到明渠的出口處，這一渠道段為均勻流，可進行糙率計算。根據(jù)實測的明渠兩岸沿程水位即在右岸樁號19600至21160與縱向圍堰19600至20

8、600河段水尺的平均水位(即中心渠道)求出水面比降，取順直段低渠高程50 m，斷面平均流速，按均勻流謝才公式計算，即：根據(jù)明渠實測的過流量及渠道水位求得糙率，導流期間流量35 90061 000 m3/s，=0.0340.035。截流期間流量10 00014 000 m3/s，=0.0500.040。糙率隨水位流量降低而增大，反之則減少。(4)明渠出口及下橫圍堰流態(tài)。水流經(jīng)明渠出口后，主流偏右，在原一期圍堰附近產(chǎn)生較大水面波動。當流量61 000 m3/s，在樁號21120，離明渠右岸護坡約150 m寬的水域波浪高1.52.0 m，右側茅坪溪出口裹頭被淹，二期下游橫向圍堰為緩慢回流區(qū)。(5)脈

9、動壓力觀測。在導流明渠縱向圍堰和右岸護坡分別埋設4、5個脈動壓盒。在汛期觀測結果表明，當流量39 70061 000 m3/s，脈動壓力較小，最大值位于縱向圍堰19775斷面，脈動壓力幅值較大的分布在縱向圍堰側19560，19775及明渠右岸護坡21160斷面。脈動壓力均方根值7.604 E03 MPa。一般僅為1.l E0.31.003 E02 MPa，主頻在0.1951.95 Hz，脈動壓力幅值較小，頻率較低，對建筑物無影響。(6)1998年渡汛觀測。發(fā)現(xiàn)有三處流速較大，一是樁號19900三期碾壓混凝土圍堰基腳處，二是21160一期下游圍堰及茅坪溪改道工程出口附近，三是明渠進口混凝土縱向圍

10、堰頭部引起的挑流線上。明渠內表面流速在流量61 000 m3/s時為6.94 m/s。在流量58 000 m3/s時，在19665斷面距縱圍堰50 m處，流速5 m/s;在右岸護坡19900斷面距岸10 m，流速7.22 m/s。說明設計采用混凝土或塊石護坡是必要的。(7)巡視檢查。1998年汛期經(jīng)歷過8次洪峰，流量大于50 000 m3/s，2次超過61 000 m3/s，圍堰上游水位達78 m，下游最高水位73.6 m，落差4.4 m，持續(xù)時間36天，圍堰承受水頭63 m。長江科學院1150整體模型試驗流量60 300 m3/s，上游蘇家坳水位78.35 m，相差0.35 m，兩者基本一致

11、。上游圍堰迎水側的塊石石渣，靠縱向圍堰上游頭部凸出部位受到水流沖刷局部坍塌，迎水面塊石未動;下游圍堰迎水面塊石未沖動，而迎水坡護坡局部坍塌，受明渠出流影響圍堰坡腳為回流區(qū)。距縱向圍堰后4050 m處的鋼筋護體沖走長3040 m，寬20 m的范圍。(8)明渠底面沖淤變化。明渠進口段河床由淤砂，粉質壤土及風化巖石層組成。根據(jù)1999年4月實測壩區(qū)水下地形圖資料，經(jīng)1998年汛期洪水沖刷，大江截流期間形成的淤泥已基本沖刷干凈;現(xiàn)在地形一般在58 59 m之間，與設計地形基本一致，局部地形最高高程60.0 m，最低53.5 m。渠身段由淤砂、砂卵石、砂質壤土及風化巖石組成，根據(jù)地質條件對渠底采用了現(xiàn)澆

12、筑混凝土板防護。對右岸邊坡根據(jù)不同巖石風化程度采用了不同厚度混凝土護坡護腳，經(jīng)1998年汛期洪水后，整個渠身除局部地區(qū)外均發(fā)生輕度沖刷，與設計高程基本一致;在渠的壩上游100 200 m地形被沖成順水流方向兩條沖槽，右槽寬約1020 m，一般沖深3 m，最大沖深8 m;左槽寬2030 m，一般沖深2 m，最大沖深5 m;明渠縱向圍堰一側，從壩軸線起至下游250 m長度范圍內有最大寬度約70 m的淤積區(qū)，最大淤高5 m。渠出口段，地質覆蓋層，渠身段，右岸邊坡過渡到覆蓋層邊坡，該河段是1998年汛期發(fā)生沖刷最顯著部位，明渠高渠部分在茅坪溪出口附近平均高程50 m，最低42 m，比設計斷面低16 m

13、。但明渠出口下縱圍堰端部附近有分地形超過53 m開挖高程，最高點為56.2 m。 3 施工通航研究與運行實況 導流明渠通航，導流明渠布置應滿足通航要求，只要寬度、水深、流速、比降、彎道及進出口水流銜接等滿足通航條件，利用明渠通航是可行的。一般要求:渠道平面布置應順直、其寬度、彎道半徑等根據(jù)地質條件和導流需要的航道標準定出。進、出口高程應滿足最低通航水位的水深要求。水流銜接平順，其軸線與河道主流方向夾角不宜大于25°。局部落差不宜大于0.5 m。渠底坡度應保證水流為緩流，流速不大于2.0 m/s。為明渠上架設橋梁，橋孔寬度、凈寬要求應按有關規(guī)范要求進行設計。明渠通航。通航標準

14、：1)長航船隊3×1 000 t2 640 HP或2×1 500 t2 000 HP，要求流量Q20 000 m3/s時，明渠航道范圍國內流速、流態(tài)和水面坡降，滿足上行船隊平均對岸航速V 0 >1.0 m/s；2)地方船舶要求在Q10 000 m3/s時，航道范圍國內最大流速Vmax2.50 m/s，沒有礙航要求。在宜昌和漢口整體模型上進行了明渠導流通航水流條件試驗，通過自航船模上水行駛，得到通過明渠的3條船隊上水航線如圖2。第一條航線，上水航行船隊從明渠下游左側靠近下游縱向圍堰頭進入明渠，然后沿左側縱向圍堰上行至壩線后斜穿主流過渠至右側，再沿右側上行駛出明渠；第2條

15、航線，上水船隊沿明渠右側鄰岸航行通過明渠；第3條航線，船隊沿左岸上水航行到下縱堤頭時，提前斜穿主流過渠，再沿明渠右側航線鄰岸上行通過明渠。模型水流條件試驗表明，當流量20 000 m3/s，3×1 000 t2 640 HP船模(靜水率定航速，為4.9 m/s)沿明渠左(第1條航線)右(第2、3條航線)三條航線上行時，均能滿足對岸流速大于1.0 m/s要求。在流量25 000 m3/s條件，明渠內流速分布規(guī)律和水流流態(tài)與流量20 000 m3/s情況基本相同，但在航道上流速、水面坡降均有增加。在流量35 000 m3/s條件，明渠內流速增加，流態(tài)惡化。經(jīng)過模型試驗和有關單位研究認為，

16、當流量為10 000 m3/s以下時，大小船舶(隊)均從明渠行駛；流量在10 000 20 000 m3/s時，大型船舶(隊)經(jīng)明渠通航，小型船舶(隊)經(jīng)臨時船閘通過；流量超過20 000 m3/s，大小船舶(隊)場通過臨時船閘。1998和1999年汛期實測了多級流量船舶航跡線，以流量19 900 m3/s船舶通過導流明渠的航跡線圖3為例，上行船舶(隊)大部分平穩(wěn)地距混凝土縱向圍堰右側約70100 m水域航行。到混凝土縱向圍堰19660 m斷面后橫穿主流進入右岸航線；下行船舶(隊)大部分沿高低渠交界線水面航行，也有少數(shù)船只沿渠中間航行。這與模型試驗航道線、通航流量一致。說明原型與模型基本相似。

17、在原型實際運行中，為提高明渠通航流量，幫助上行船舶通過，在明渠右岸進口段設立絞灘站，站有定位船1艘、絞灘船2艘，遞纜船2艘，共五艘。借助絞灘能力輔助過灘，在大流量時運用，有少部分船隊可在流量35 000 m3/s絞灘上行。但2001年8月21日流量過渠33 000 m3/s，中午明渠禁航，上下來往行駛船舶從臨時船閘通行。9月5日流量降至31 000 m3/s，即恢復通航。4 結語(1)試驗研究確定的導流明渠右高左低的復式斷面及渠道進、出口形式和縱向圍堰頭部形狀，經(jīng)歷了1998年長時期的特大洪水考驗，明渠無顯著沖刷和淤積，圍堰安全無恙。說明設計、施工和試驗是成功的。(2)明渠泄流能力是確定二期圍

18、堰頂高程的指標，因此它的糙率研究實屬重要。根據(jù)實測資料明渠糙率，在流量61 00035 900 m3/s，=0.0340.035。截流期間流量14 00010 000 m3/s，=0.0400.050。(3)施工通航，由于長江航運的重要性，采用明渠結合臨時船閘通航較好的解決了施工通航問題。為了提高明渠通航流量，幫助上行船舶通過，在明渠右岸進口設立了傳統(tǒng)的絞灘站，借助絞灘能力輔助部分船隊過灘。總的來說，運行情況較好。參考文獻：1 長江科學院三峽工程科學院試驗與研究R.19972 陳元清，汪世鵬，寧廷俊長江三峽工程導流渠通航水力學原型觀測J泄水工程與高速水流，2000，(1)Open Channel Diversion''s Test Study and Prototype Operation Investigation of Three Gorges ProjectAbstract：This article introduces the model test achievement of Three Gorges Project open channel diversion, including open channel discharge capacity, discharge