三峽工程明渠截流水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1、三峽工程明渠截流水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐摘要：三峽工程明渠截流，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流明渠封堵、形成三期基坑，為樞紐圍堰發(fā)電創(chuàng)造蓄水條件的關(guān)鍵性工程。它具有流量大、流速大、落差大、能量大、拋投量大等特點(diǎn)。水文部門設(shè)計(jì)了水文信息采集傳輸處理發(fā)布與反饋等4個(gè)子系流的明渠截流水文監(jiān)測系統(tǒng)。運(yùn)用先進(jìn)的水文儀器設(shè)備與技術(shù)措施，開展水位、流速、流量、流態(tài)、水下地形等項(xiàng)目觀測，為明渠截流提供了準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)水文信息。關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測系統(tǒng)明渠截流三峽工程水文監(jiān)測在三峽水利樞紐的規(guī)劃論證階段和工程開工后，一直發(fā)揮著重要作用，為工程的科研、設(shè)計(jì)、截流布局及施工方案選擇等提供了科學(xué)依據(jù)。按照工程設(shè)計(jì)，三峽工程于2002年11月

2、實(shí)現(xiàn)明渠截流。水文部門圍繞明渠截流戧堤進(jìn)占、龍口、大壩導(dǎo)流底孔過流、三期圍堰度汛等觀測為重點(diǎn)，兼顧庫區(qū)、壩區(qū)、壩下游水文監(jiān)測，做了深入的研討，制定了詳細(xì)周密的監(jiān)測方案，為明渠截流提供及時(shí)、準(zhǔn)確的水文資料和分析成果。本文就截流河段與工程概況，水文監(jiān)測目的、主要內(nèi)容及作用，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，監(jiān)測儀器設(shè)備與技術(shù)措施，以及監(jiān)測系統(tǒng)在截流實(shí)踐中的應(yīng)用等分別論述如下。1河段與工程概況1.1河段概況三峽工程施工區(qū)從伍相廟至鷹子咀長約12k，面積15.28k2。為較好地掌握施工區(qū)水文、河道、水環(huán)境變化情勢，水文監(jiān)測河段上起太平溪、下至蓮沱，全長22k，水域面積約為22k2（以下簡稱壩區(qū)河段）。大壩軸線以上1.5k

3、至大壩軸線以下1k為明渠截流水文監(jiān)測河段（以下簡稱截流河段），全長2.5k，面積約為3.0k2。三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測布置見圖1。圖1三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測布置圖1.2工程概況三峽工程明渠截流繼一期導(dǎo)流明渠開挖、二期大江截流導(dǎo)流和通航之后、為修筑三期圍堰而實(shí)現(xiàn)戧堤進(jìn)占與合龍的關(guān)鍵性工程。（1）三期圍堰工程。三期圍堰位于導(dǎo)流明渠內(nèi)。三期上游圍堰為級臨時(shí)建筑物，圍堰軸線長427，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為4月份實(shí)測最大流量176003/s（1877年1990年資料，下同），相應(yīng)上游水位81.05，堰頂高程83.0，最大堰高33.0。三期下游圍堰為級臨時(shí)建筑物，圍堰軸線長415，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為頻率2

4、%的洪水流量790003/s，相應(yīng)擋水位78.3，堰頂高程81.5，最大堰高36.5。上、下圍堰均由風(fēng)化砂、石渣、石渣混合料和塊石以及反濾料構(gòu)筑而成，總填筑量分別為146.58萬3和152.48萬3。（2）明渠截流分流工程明渠截流期采用大壩泄洪壩段導(dǎo)流底孔分流。22個(gè)導(dǎo)流底孔分別布設(shè)在泄洪壩段的表孔正下方跨縫處，其有壓出流口尺寸為68.5，中間16孔進(jìn)口底高程56.0，兩側(cè)各3孔進(jìn)口底高程57.0。大壩底孔泄流能力受二期上下游圍堰拆除高程和底寬的影響，設(shè)計(jì)明渠截流前，上游圍堰拆除高程57，底寬不小于550；下游圍堰拆除高程53，底寬不小于410。（3）明渠截流戧堤工程三期截流采用上、下游戧堤立

5、堵，上游雙向、下游單向進(jìn)占的施工方案。設(shè)計(jì)按上游戧堤承擔(dān)截流總落差的2/3，下游戧堤承擔(dān)截流總落差的1/3。上、下截流戧堤總拋投量分別為35.85萬3和38.38萬3。戧堤施工進(jìn)占分為非龍口進(jìn)占和龍口進(jìn)占兩個(gè)階段,設(shè)計(jì)上、下截流龍口寬度分別為150和140，拋投量分別為20.4萬3和20.5萬3。設(shè)計(jì)截流流量103003/s，經(jīng)模型試驗(yàn)表明，上、下龍口最大平均流速分別達(dá)5.14/s和4.01/s，截流終落差4.11。合龍能量指標(biāo)達(dá)40.4萬k，為葛洲壩工程截流的2.6倍，是巴西伊泰普工程截流的1.4倍，居當(dāng)今世界龍口能量指標(biāo)之首。1.3水文監(jiān)測的目的、主要內(nèi)容及作用鑒于明渠截流的難度，水文監(jiān)測

6、的目的主要為三期截流設(shè)計(jì)、施工、截流指揮提供可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)也為模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算提供基本資料。特別要為在明渠截流過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以指導(dǎo)明渠截流施工決策和調(diào)度管理。水文監(jiān)測的主要內(nèi)容包括水下地形、截流落差、龍口流速、壩址流量及導(dǎo)流底孔分流量等，其主要作用是為掌握截流邊界條件、截流水流條件和截流環(huán)境影響的動(dòng)態(tài)變化，見表1。表1三期截流水文監(jiān)測的主要內(nèi)容及作用項(xiàng)目名稱主要內(nèi)容主要作用截流邊界條件水下地形水下地形形象掌握水下地形形象、口門水面寬及床沙的變化情況，為截流設(shè)計(jì)優(yōu)化、調(diào)整截流施工方案及進(jìn)度、模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)及水文、水力學(xué)計(jì)算提供基本資料固定斷

7、面固定斷面形象（含口門水面寬）床沙床沙（拋投料）顆粒級配截流水流條件水位壩區(qū)沿程水面線是監(jiān)測截流落差及其變化的基本資料。同時(shí)監(jiān)測葛洲壩水庫調(diào)節(jié)對截流水力學(xué)指標(biāo)的影響龍口落差、戧堤落差掌握上、下戧堤落差及其分配，指導(dǎo)上、下戧堤施工進(jìn)占的時(shí)機(jī)及進(jìn)度流速及流態(tài)護(hù)底加糙區(qū)流速、戧堤頭及挑角流速、龍口縱橫斷面流速、截流河段流態(tài)掌握戧堤口門區(qū)（以龍口為重點(diǎn)）的流速變化特征，指導(dǎo)戧堤進(jìn)占的拋投體塊徑、形狀、拋投方式及推填角度的選擇，以利戧堤頭的防沖和穩(wěn)定流量壩址流量、茅坪溪支流流量、大壩底孔及龍口分流量掌握壩址來水流量及導(dǎo)流、截流的分流量截流環(huán)境影響河床演變永久船閘下游引航道口門河勢及兩壩間河道演變截流對河

8、道、航道口門區(qū)的河勢影響及拋投料對水環(huán)境的影響水環(huán)境截流河段及下游水質(zhì)2水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)三峽工程明渠截流施工布局和截流工程設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算、模型跟蹤試驗(yàn)等部門對截流水文監(jiān)測的要求，為確保水文數(shù)據(jù)全面、可靠、精度和時(shí)效，建立包括水文信息采集傳輸處理發(fā)布與反饋等四個(gè)子系統(tǒng)的三期截流水文監(jiān)測系統(tǒng)，見框圖2。為系統(tǒng)實(shí)施成立了五個(gè)專業(yè)組，即水文組、河道組、水質(zhì)組、水文信息處理中心和綜合組。2.1信息采集子系統(tǒng)。包括水位降水、龍口流速、流量、流態(tài)、口門水面寬、河道沖淤、水環(huán)境等，根據(jù)三峽壩區(qū)現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)條件，結(jié)合截流所需的水文信息，共布設(shè)18個(gè)水位站、2個(gè)水文站、17個(gè)流速

9、或流量監(jiān)測斷面、32個(gè)河道固定斷面、5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面。2.2信息傳輸子系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)有線或無線數(shù)傳方式，輔以電話、電臺或?qū)χv機(jī)等方式，將自動(dòng)、半自動(dòng)或人工采集的水文、河道地形數(shù)據(jù)，經(jīng)無線或有線數(shù)傳、或無線人工、有線人工傳至水文數(shù)據(jù)處理中心截流數(shù)據(jù)庫。各專業(yè)組之間的聯(lián)系采用短波電臺、電話（有線或AP電話）等。2.3信息處理、信息發(fā)布與反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立明渠截流水文信息處理中心，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)合理集成，實(shí)現(xiàn)水文信息接收、處理、存貯、檢索和e水文情報(bào)發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)化與自動(dòng)化。水文信息處理中心建立截流水文數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖表自動(dòng)處理與共享。截流水文數(shù)據(jù)庫包括水文

10、數(shù)據(jù)庫、河道數(shù)據(jù)庫、施工信息數(shù)據(jù)庫等，數(shù)據(jù)庫采用表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)掛靠長江三峽工程開發(fā)總公司局域網(wǎng)，其間專設(shè)“截流水文網(wǎng)站”，以動(dòng)態(tài)方式直接從數(shù)據(jù)庫生成水文實(shí)測信息、水文快報(bào)以及其他信息網(wǎng)頁，發(fā)布水文監(jiān)測信息。發(fā)布內(nèi)容包括水位、流量、流速、水面流速流向、泥沙、固定斷面、水下地形等信息和相關(guān)的分析成果。信息發(fā)布以截流指揮專用通信系統(tǒng)和“截流水文網(wǎng)站”為主，并以電子郵件、電傳、電話、電臺等為輔的方案。水文實(shí)測信息全面反映壩區(qū)河段水文變化情勢，在戧堤進(jìn)占和龍口合攏期每天發(fā)布一期；根據(jù)水情變化確定發(fā)布水文快報(bào)頻次，如在龍口合攏期，實(shí)時(shí)發(fā)布水位、流速、落差等信息。系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)查詢、信息反愧整

11、編歸檔及檢索等功能。3水文監(jiān)測儀器設(shè)備與技術(shù)措施截流水文監(jiān)測除采用常規(guī)的、成熟的測驗(yàn)方法和技術(shù)手段外，盡可能采用新的監(jiān)測儀器設(shè)備與技術(shù)措施。截流水文監(jiān)測是在特殊環(huán)境條件下的水文觀測，其儀器設(shè)備將經(jīng)受各種不利因素的制約，如明渠截流施工場地窄孝截流龍口水流湍急和高強(qiáng)度施工形成的復(fù)雜水域，以及無線電波干擾等，都將影響到水文監(jiān)測工作，也對儀器設(shè)備提出了更高的要求。根據(jù)明渠截流水文監(jiān)測的特點(diǎn)，應(yīng)立足于成熟的先進(jìn)儀器設(shè)備、先進(jìn)的技術(shù)手段，以收集、傳輸、發(fā)布水文資料。經(jīng)過調(diào)研和大量的儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)分析，確定在明渠截流水文監(jiān)測中使用以下關(guān)鍵儀器設(shè)備與技術(shù)措施。3.1ADP測流系統(tǒng)。ADP（AustiDppl

12、erurrentPrfilers）是目前世界上最先進(jìn)的水文測驗(yàn)儀器之一，具有不擾動(dòng)流嘗測驗(yàn)歷時(shí)短、測速范圍大等特點(diǎn)。對截流河段多斷面的水文監(jiān)測，采用船載型ADP測流系統(tǒng)，輔以GPS導(dǎo)航技術(shù)，能快速、準(zhǔn)確地巡測各斷面的流速分布及流量或分流比，還可解決船舶無錨定位和全天候測驗(yàn)等問題；對龍口流速測驗(yàn)，采用無人測艇ADP測流系統(tǒng)，可精確地獲取龍口流速分布。3.2無人測艇測量技術(shù)。該方法是通過龍口上游150左右的錨錠船，用鋼絲繩牽引無人測艇（艇上安裝ADP等儀器）深入龍口進(jìn)行水文測驗(yàn)。無人測艇采用全密封雙體船結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)性好、阻力孝安全可靠等特點(diǎn)。錨錠船安裝有以計(jì)算機(jī)為主的控制中心及機(jī)電設(shè)備，控制無人測

13、艇測驗(yàn)。3.3GPS水道測繪系統(tǒng)。利用GPS接收機(jī)，配備數(shù)字測深儀或多波束測深儀、繪圖儀、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)鏈、通訊等設(shè)備組成的GPS水道測繪系統(tǒng)，可高效地施測水下地形和沖淤斷面，具有全天候、多功能、精度高、成圖快等特點(diǎn)。3.4無人立尺測量技術(shù)。對戧堤頭水位觀測，傳統(tǒng)的方法難以達(dá)到安全、高效的要求，選用成熟的無人立尺測量技術(shù)，并配以高精度的激光全站儀，可測量未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)，用于龍口戧堤頭水位和口門寬度的測量。3.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)水文信息遠(yuǎn)傳、處理、發(fā)布計(jì)算機(jī)化，具有快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。3.6監(jiān)測系統(tǒng)在明渠截流中的運(yùn)用實(shí)踐三峽明渠截流從2002年9月15日導(dǎo)流底孔閘門調(diào)試開始，至11月6日龍口合

14、龍結(jié)束，明渠截流水文監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測了明渠截流水文情勢變化，收集到全過程多要素完整的水文成果，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新截流水文網(wǎng)頁，為指導(dǎo)截流施工、調(diào)度、水文預(yù)報(bào)、提供了大量科學(xué)的水文信息。4結(jié)語三峽工程明渠截流是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水文監(jiān)測成為重要組成部分，是截流不可缺少的技術(shù)保障服務(wù)系統(tǒng)。三峽工程明渠截流水文監(jiān)測采用高新的監(jiān)測技術(shù)、選進(jìn)的儀器設(shè)備、高素質(zhì)的監(jiān)測人員以及合理可靠的組織措施保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，充分發(fā)揮水文監(jiān)測在三峽工程截流中的耳目和參謀作用，體現(xiàn)一流工程和一流的水文服務(wù)。參考文獻(xiàn)：1.鄭守仁.三峽工程三期圍堰及截流設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題.人民長江.2002.（1）2.孫伯先.李云中.三峽工

15、程大江截流水文測驗(yàn)設(shè)計(jì).中國三峽工程建設(shè).1997.（9）DesignfHydrlgialnitringSystefrRiverlsurenhangjiangRiverAbstrat:The3rdstageriverlsurefrnstrutinftheThreeGrgesPrjet(TGP)nhangjiangRiverisakeyprjetfrlsingthediversinhannel,fringthe3rdstagenstrutinpitandbuildingthefferdas.Riverlsurebatthisstageisharaterizedbylargelsuredisharge,highvelity,largeaterdrp,greatenergyandhighdupingintensity.Ahydrlgialnitringsysteistbeestablishedfrdatalletin,transissin,pressing,disseinatinandfeedbak.Advanedinstruentsandnitringtehnlgiesillbeusedfrbse