臨時船閘運行過程中的泥沙淤積與流態(tài)分析

臨時船閘運行過程中的泥沙淤積與流態(tài)分析

三峽一期的建設時間為1998年至2003年。在此期間,由臨時船閘和導流明渠承擔長江客貨水運。由于施工期壩區(qū)的來水來沙條件接近于樞紐運行遠期的水沙條件,而且三峽工程永久船閘和升船機下游引航道一次建成,所以三峽工程二期施工期的引航道水流和泥沙淤積觀測資料,可與泥沙實體模型三峽工程建成后的引航道水流條件和泥沙淤積的預測值比較,以便分析實體模型試驗成果的可靠性,為通航建筑物引航道的防淤清淤工程設計和運行管理提供依據(jù)。1基本情況1.1引航道口長和口門長臨時船閘布置在長江左岸,為單線一級船閘。其上、下游引航道均設有防淤隔流堤(圖1)。上游引航道堤頭口門內(nèi)引航道長約905m,底寬由80m增加到口門處120m。堤頭至主航道長度約1500m,其中口門區(qū)400m,連接段1100m;清淤底寬口門內(nèi)為引航道底寬,一般為80～170m,口門外為120m,左右側(cè)清淤邊坡為1∶5。引航道口門內(nèi)和口門區(qū)底板高程均為61.7m,口門內(nèi)外礙航高程也均為61.7m。在口門外連接段劉家河和流荒背兩處進行了炸礁。下游引航道口門內(nèi)引航道長約4300m,其中臨時船閘單獨運用段長約2400m,底寬80m,底板高程58m;與永久船閘共用段長約1900m,底板高程為56.5m,底寬180m,口門處底寬為200m?？陂T至主航道長約2200m,其中口門區(qū)長度為450m,連接段長度為1750m,清淤底寬為200m,左右側(cè)邊坡為1∶5。引航道口門內(nèi)外礙航高程為61.6m。在口門區(qū)右側(cè)和連接段進行了局部炸礁。1.2模型類型和模型內(nèi)容壩區(qū)泥沙實體模型模擬的河段,上起臘肉洞,下迄曬經(jīng)坪,全長31.5km,模型為幾何正態(tài),平面和垂直比尺為150。模型同時模擬懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙,模型沙為湖南株洲精煤,相對密度為1.33。通過驗證試驗確定模型的懸移質(zhì)粒徑比尺為1.5,含沙量比尺為1.0,沖淤時間比尺為70。1.31洪水流量與輸沙量豐水豐沙、豐水少沙及少水少沙等不同類型水文年。1997～1999年和其它典型年宜昌站水文泥沙特征值見表1。根據(jù)宜昌站水文資料統(tǒng)計,1998年流量大于45000m3/s的天數(shù)為46d,而1954年為32d,1968年僅11d;1998年流量大于50000m3/s以上的天數(shù)為34d,而1954年為22d,1968年僅為4d。1998年主汛期的6,7,8三個月宜昌站洪水流量為3030億m3,大于1954年同期值,最大60d洪水流量也略大于1954年,相當于百年一遇。1998年宜昌站輸沙量略小于1954年,居有實測資料以來的第2位。因此,從引航道泥沙淤積而言,1998年水文年型比1954年型嚴重,比1968年更嚴重。2臨時關(guān)閉法流量控制2.1流量流狀態(tài)和通航流條件2.1.1設置上向水平垂直流速,低切線微彎線路,出口流量小,涉及多小環(huán)境、微生物.由于在上游引航道口門右側(cè)修建防淤隔流堤,口門區(qū)較原設計方案向上游移約200m,并在連接段航道的流荒背和劉家河二處進行炸礁(圖1),中心線以圓弧與直線平順銜接,組成略向左靠的微彎航線。在實測流量43900m3/s情況下,口門區(qū)(口門外長400m、寬120m)縱向流速均小于2m/s,最大縱向流速為1.62m/s;最大橫向流速為0.86m/s,最大偏角為47.16°,橫向流速有17個測點大于0.3m/s,占測點總數(shù)的68%;回流流速均小于0.4m/s。連接段(口門外長400～900m、寬120m)最大流速為1.96m/s,最大縱向流速為1.92m/s,最大橫向流速為0.57m/s,回流流速均小于0.4m/s。臨時船閘上游引航道口門區(qū)和連接段流速分布見圖2。2.1.2口門區(qū)和口金融區(qū)流量比較臨時船閘下游引航道口門區(qū)和連接段雖然位于左岸緩流區(qū)內(nèi),由于受右岸代石壩和楊家灣碼頭挑流的影響,在引航道口門區(qū)和連接段產(chǎn)生了較強的斜流,其強度隨流量的增大而加強。在流量為44800m3/s情況下,口門區(qū)(口門外長530m、寬200m)最大縱向流速為1.79m/s,回流流速小于0.4m/s,橫向流速大于0.3m/s的有9個測點,占測點總數(shù)的30%。連接段(口門外530～2000m、寬200m),最大流速為2.21m/s,最大橫向流速為1.44m/s,未出現(xiàn)回流區(qū)。施工二期下游引航道口門區(qū)和連接段流速分布見圖3。2.2試航報告的基本情況臨時船閘上游引航道1998年9月進行了實船試航。試航時流量為36000～41500m3/s,船隊為載重920t和1600t的2駁船隊。試航報告認為:(1)臨時船閘上游引航道流速并不大,航線上的流速均不超過2m/s,上游引航道口門存在弱回流,并有一定角度的斜流,在42000m3/s流量以下,中型船隊能順利地通過上游連接段和口門區(qū)進入引航道,直至進入船閘內(nèi)。(2)此次試航未對下游引航道進行測試,根據(jù)臨時船閘1998年5月開通以來船舶航行及此次試航情況來看,臨時船閘下游航道比上游航道要好。2.3模型原型的結(jié)果的比較2.3.1模型的航道斷面、流速壩區(qū)泥沙實體模型試驗的邊界條件與原型差異較大,其上游引航道為無防淤隔流堤方案,原型為有防淤隔流堤;原型口門區(qū)比模型向上游方向上移了約200m;模型的連接段流荒背和劉家河兩處礁石沒有整治;模型的航道中心線位置與原型也相差較大。因此,模型流速分布和數(shù)值與原型差別較大。原型和模型的口門區(qū)水流條件均能滿足縱向流速小于2.0m/s、回流流速小于0.4m/s的通航要求。原型口門區(qū)橫向流速超過要求值0.3m/s的點數(shù)占總測點數(shù)的68%,模型則小于要求值,但船模試驗與實船試驗成果均說明口門區(qū)水流條件能滿足通航要求,有部分區(qū)域橫向流速大于0.3m/s是允許的。2.3.2航道水流條件模型與原型的下游引航道布置方案一致。下游引航道口門區(qū)(口門外長530m、寬200m)原型最大縱向流速在流量44800m3/s時為1.79m/s(圖3);模型在流量45000m3/s時為1.93m/s。最大橫向流速原型為0.827m/s,模型為0.42m/s。回流流速原型和模型均小于0.3m/s。橫向流速大于0.3m/s的測點數(shù)占測點總數(shù)的百分比,原型為30%,模型為11%。船模試驗表明:在流量35000m3/s時,能全面滿足萬噸級船隊通航水流條件;在流量45000m3/s時,萬噸級船隊可沿航道中心線左右出口門,但僅能沿航道中心線以左進入口門;若將航速提高到3.6m/s,船隊可沿航道中心線左右進出口門。綜上所述,模型預測值與原型實測值在定性上完全一致,在定量上也基本吻合?？傮w而言試驗成果所反映的通航水流條件較原型差,偏于安全。3臨時大門用于引導航道內(nèi)的沉積物3.1初步觀測數(shù)據(jù)的分析3.1.11997年由于1997年上游引航道和下游引航道內(nèi)仍未通水,所以僅進行下游引航道口門外回淤量分析。1997年汛期5～9月引航道淤積情況見表2。3.1.2口內(nèi)化堆積量上游引航道從1998年3月13日至9月5日清淤前,上游引航道礙航高程在61.7m以上,口門內(nèi)的回淤量為51.57萬m3,口門區(qū)為7.36萬m3,連接段無淤積,口門內(nèi)外合計為58.92萬m3(表3),口門內(nèi)淤積量占總量的87.5%。為確保4m的設計航深,于9月12日至10月25日在航道內(nèi)及口門區(qū)共長約1200m范圍內(nèi)進行一次性清淤,清淤至高程62.0～63.0m,清淤總量為45.08萬m3。下游引航道1998年5月20日至1999年3月10日,引航道口門內(nèi)外回淤量(見表2),按永久通航期底板高程56.5m以上計算,口門內(nèi)為101.54萬m3,口門區(qū)為62.90萬m3,連接段為52.98萬m3,口門內(nèi)外合計217.42萬m3,口門外機械清淤量為43.73萬m3,實際合計回淤量應為261.14萬m3。3.1.3上游上跨口門外清淤上游引航道1999年4月8日至16日清淤5.52萬m3。8月3日至23日在口門內(nèi)外進行了一次清淤,清淤高程為63.0m,清淤量為11.74萬m3。從4月20日至11月28日上游引航道高程61.7m以上的回淤量為11.82萬m3(表3)。下游引航道從1999年4月30日至11月28日淤積情況見表2。3.2模型觀測數(shù)據(jù)與模型試驗數(shù)據(jù)的比較3.2.1上游引航道堆積分布由于模型與原型的上游引航道邊界條件差異較大,且模型試驗沒有模擬船閘充水對泥沙淤積的影響,施工二期模型試驗采用1968年型的水沙條件與1998年、1999年差別也較大,因此原型與模型的上游引航道淤積分布和淤積量有一定的差別。就口門外引航道而言,原型淤積范圍較模型小,局限于口門外400m,而模型則達800m;原型淤積量為6.32～7.36萬m3,模型為30.45萬m3,較原型大。就引航道口門內(nèi)而言,原型由于設置防淤隔流堤和船閘充水影響,引航道內(nèi)淤積分布較均勻,而模型則集中在上段;原型淤積量較模型大,原型為17.25～51.57萬m3,模型則僅為8.9萬m3。3.2.2引航道堆積量模型模型與原型的下游引航道邊界條件基本一致,僅引航道左、右岸線有局部差異,另外,模型沒有模擬船閘泄水作用。施工期壩區(qū)的來水來沙條件接近于樞紐運行遠期水庫淤積平衡后壩區(qū)的水沙條件,為便于模型與原型比較,模型采用樞紐運行75a(豐水豐沙的1954年型水文年)的試驗成果,原型采用1998年的實測成果。從淤積數(shù)量分析,下游引航道按永久通航期引航道底板高程56.5m以上計算,口門內(nèi)淤積量原型為101.54萬m3,模型75a(1954年型水文年)為104.94萬m3,模型偏大3.3%;口門外淤積量,原型為159.60萬m3,模型為233.84萬m3,模型偏大46.52%。從淤積部位分析,下游引航道口門內(nèi)外的淤積部位,模型與原型基本吻合,口門區(qū)淤積厚度最大,分別向上、下游方向逐漸減小(圖4)?？陂T內(nèi)引航道泥沙淤積主要集中在口門至西陵大橋之間長約1.3km范圍內(nèi)。4航道防淤清淤工程(1)施工期壩區(qū)來沙情況與三峽水庫淤積平衡后樞紐下泄泥沙狀況相類似,而且臨時船閘下游引航道即為樞紐運行后永久船閘與升船機合用的引航道,因此二期施工期臨時船閘引航道的水流和泥沙淤積實測資料為樞紐運行后通航建筑物的引航道防淤清淤工程設計和運行管理提供了重要依據(jù)。(2)臨時船閘上下游引航道口門區(qū)