孟祥瑋　鄭寶友　工秉哲

摘要：為配合三峽工程的可行性論證、初步設計及技術設計階段的工作內容，對三峽工程通航水流條件進行了大量試驗研究工作，先后采用了五座定床正態(tài)整體水工模型。研究過程中，結合變態(tài)泥沙模型試驗成果與 1/100比尺的正態(tài)水工模型和壩區(qū)數學模型，采用水力學試驗與遙控自航船模相結合的方法，研究從水庫運用開始到70＋6年中各特定年份淤積地形條件下，各種引航道布置型式的通航水流條件。為決策部門優(yōu)選通航建筑物布置方案提供了科學依據。

關鍵詞：三峽工程；通航水流條件；模型試驗

三峽水利樞紐主體工程建設預計2009年完工。三峽工程建成并按最終正常蓄水位175m運用后，將得到巨大的綜合效益。航運方面．可在大壩以上形成600多km的深水航道，徹底改善川江大量險灘和單行航道等礙航部位的通航條件，增加大壩下游枯水流量約2 500m3／s，可提高枯水航深，為上海至重慶通行萬噸級船隊創(chuàng)造條件。三峽工程壩區(qū)河勢復雜，年內通航流量變幅大、通航期長，建壩后發(fā)生的泥沙淤積，使河勢不斷發(fā)生變化。通航建筑物上下游引航道口門區(qū)受彎道約束，水流條件十分復雜，是三峽工程通航的技術關鍵。

我所1974年成立以來，在“七五”、“八五”和“九五”、“十五”期間，為配合三峽工程的可行性論證、初步設計及技術設計階段的工作內容，對三峽工程通航水流條件進行了大量試驗研究工作，先后采用了五座定床正態(tài)整體水工模型。研究過程中，結合變態(tài)泥沙模型試驗成果與l／l00比尺的正態(tài)水工模型和壩區(qū)數學模型，采用水力學試驗與遙控自航船模相結合的方法，研究從水庫運用開始到70十6年中各特定年份淤積地形條件下，各種引航道布置型式通航水流條件。近20年來，為決策部門優(yōu)選通航建筑物布置方案提供了科學依據。

l 主要工作內容簡介

1.1 “七五”期間的主要研究工作

三峽工程永久通航可行性論證階段，主要研究正常蓄水位150m、175m時船閘的兩類布置型式，即連續(xù)梯級式和帶中間渠道分散式。隨著論證工作的深入，研究重點逐漸轉入正常蓄水位175m方案。1985年一1990年進行了“七五”國家重點科技攻關項目，三峽工程壩區(qū)泥沙及通航條件研究專題的研究，主要有以下幾個方面的工作：

(1)施工通航模型試驗，對采用明渠與臨時船閘和升船機的臨時通航措施上下游通航條件進行試驗研究。研究表明，采用復式斷面的明渠即能保證水流宣泄，又能兼顧通航，同時觀測到，渠底高程對流速影響比較明顯。臨時船閘與升船機上下游，在沒有淤積的情況下，均滿足通航要求。

(2)三峽工程設中間渠道船閘的中間渠道非恒定流及改善措施試驗研究。通過三峽船閘中間渠道非恒定流試驗，明確了波高與定點水位變幅的區(qū)別，對于行船來說，中間渠道中的波浪只是一種水面升降運動。試驗中根據設中間渠道船閘灌泄水的特點，通過對船閘輸水系統進出口布置型式的優(yōu)化研究，改善了船隊在渠道中的航行條件和停泊條件。

(3)三峽工程通航水流條件技術標準的試驗研究。試驗研究了船閘灌泄水非恒定流、電站日負荷變化非恒定流、樞紐泄洪對引航道口門區(qū)水流條件的影響。試驗表明，臨時船閘和升船機的上下游引航道口門區(qū)位于緩流回流區(qū)，泥沙淤積嚴重，需機械清淤后方可通航。明確了影響口門區(qū)航行條件的主要因素是泥沙淤積、布置型式和地形條件。通過改變下游彎道過渡段和順直河段的口門位置，以及切除山咀等相應的工程措施，有效地避開了樂天溪口彎道和復雜地形的影響，解決了彎道過渡段布置引航道口門的問題。

1.2 “八五”、“九五”期間的主要研究工作

1991年開始進行“八L五”國家重點科技攻關項目：三峽工程壩區(qū)泥沙淤積對通航和發(fā)電的影響及防治措施優(yōu)選研究專題，三峽工程壩區(qū)通航水流條件與通航建筑物布置優(yōu)化研究子題。在“七五”科技攻關研究的基礎上，先后對通航建筑物初步設計階段原布置的“小包長堤”方案以及無堤方案和技術設計階段的660米短堤方案、“大包”方案的引航道及其口門區(qū)、連接段的通航水流條件、泥沙淤積和往復流進行了試驗研究，給出了各方案在各個運行期的試驗成果。

初步設計階段通航建筑物引航道的布置是：船閘上游引航道為小包長堤方案(堤長2 113m)。升船機上游引航道無堤，下游與五級船閘共用引航道，出口于壩河口上游450米處。試驗結果表明，初步設計通航建筑物上下游引航道布置方案，空庫時水流條件較好，淤積平衡階段則難以滿足大流量的航行要求。

技術設計階段通航建筑物布置方案研究，以上游通航水流條件為重點，上游又以大包方案為重點，同時也進行了無堤方案、660m短堤方案的試驗。大包方案的布置型式，是在小包長堤的基礎上，將船閘上游導航隔流堤壩前段右移到升船機右側，從升船機上閘首右側用導航隔流防淤堤與主流隔開,并向上延長與船閘隔流防淤堤上段相連(全長約2 700m)。

試驗表明：①10年淤積地形，船閘上游引航道無堤、短堤方案，在Q≥56 700m3／s條件下，航線上橫向流速超標，流態(tài)差，難以滿足通航要求，升船機上游航道也難以滿足通航要求。②30+2年淤積地形，上游引航道大包方案引航道口門區(qū)及連接段，在Q≥56 700m3／s條件下，水流條件不滿足通航要求。③50+4年淤積地形，上游引航道大包方案引航道口門區(qū)及連接段，只在流量≤35 000m3／s時，流速流態(tài)基本滿足通航要求。

針對上、下游引航道口門原布置方案存在的問題，提出了建議方案的布置型式。即采用避開主流、適應河勢變化的方法，將大包方案堤頭左移50m，從太平溪以下的廟嶺和九嶺山兩處開挖航道與引航道口門相連。將下游引航道隔流堤延長2 200m，口門區(qū)延長至茅坪沱附近，并修正左岸邊灘，保持航行寬度和水深。在各級通航流量、各運行階段，上下游引航道口門區(qū)及連接段的流態(tài)均較好，流速較低，可以滿足萬噸級船隊安全通航的要求。

1998年開始進行“三峽工程壩區(qū)通航水流條件試驗研究”及“樞紐泄洪及船閘灌泄水引航道內非恒定流對通航水流條件的影響及改善措施研究”，根據1996年5月三峽工程航運與泥沙專家組聯席會議決定，進一步完善三峽工程通航建筑物上游引航道布置方案，著重研究通航建筑物上游引航道全包方案口門區(qū)及其與航道連接段的通航水流條件，提出上游引航道優(yōu)化布置方案。全包方案是在大包方案的基礎上，將防淤隔流堤進一步右移，與臨時船閘右側導航墻連接(全長約2 700m)，將臨時船閘包圍在引航道內，利用臨時船閘改建的沖沙閘，沖上游引航道淤泥。試驗采用30+2年、50+4年及70+6年淤積地形進行。試驗表明：①上游引航道全包方案：升船機上游及船閘上游引航道的水流條件有所改善，但口門位置和方向未變，同初設方案一樣，口門區(qū)和連接段的橫向流速超標，存在影響航行的不良流態(tài)，不滿足通航要求。②上游引航道全包優(yōu)化布置方案，即將上游引航道導航隔流防淤堤堤頭左移50m，口門方向左偏，口門區(qū)及其與航道連接段避開主流區(qū)，沿左岸緩流區(qū)，開挖九嶺山和廟嶺的山腰，在太平溪口與主航道相連，有效地解決了口門區(qū)及連接段的水流條件，在各級通航流量均滿足各類船舶安全通航要求。

雙線船閘上游引航道的非恒定流研究表明：上游引航道全包布置方案，在三峽樞紐建成投入運行的30年中泄洪對引航道內水流特性變化影響不大，但30年后，由于河勢演變，蛋子石和九嶺山繞流引發(fā)的主流擺動加劇，惡化了口門區(qū)和引航道內水流條件，從而進一步明確了引航道通航條件的影響因素。大包或全包方案結合上游引航道口門位置優(yōu)化，較好地解決了船閘輸水系統進水口和升船機上游引航道的泥沙淤積與通航水流條件，解決了引航道內防漂以及引航道內往復流對停泊船舶系纜力等的影響，結合在導航堤根部開口的措施，可基本解決升船機的允許水位波動問題。

1.3 “十五”以來的主要研究工作

2000年3月一2001年9月進行“三峽樞紐通航建筑物引航道口門區(qū)、連接段船模航行條件及改善措施試驗研究”。應用1:]00正態(tài)水工模型，進一步研究504-4年和70+6年淤積河勢引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件。對上游航道著重研究九嶺山附近航行條件，下游著重研究鷹子嘴附近新

建重件碼頭造成連接段航線偏移對航行的影響，并提出改善措施。

在上游引航道全包方案基礎上優(yōu)化的方案布置比較合理，口門區(qū)和連接段均避開了主流的影響。樞紐運行至50十 4年和70+6年，各級通航流量下口門區(qū)和連接段的水流條件均滿足船隊航行要求。下游優(yōu)化方案引航道口門區(qū)的通航水流條件也較好，能夠滿足船隊安全航行要求。但連接段航道的通航水流條件沒有得到根本改善。當流量在45000m3／s以上時，因下游連接段航道尾段縱向流速大，船隊無法自航上行；對于下行船隊來說，當流量為56 700m3/s時，因連接段縱、橫向流速大而操控困難，三、六、九駁船隊通過連接段時，均無法保證航行安全。

根據三峽工程初步設計，三峽水庫只在非汛期進行日調節(jié)。初步設計過程中，對于枯水季日調節(jié)非恒定流對航行條件的影響進行過大量研究和分析工作，重點在三峽大壩與葛洲壩水利樞紐之間的38km河道。結果表明，日調節(jié)情況下，船隊可以在兩壩間正常航行。為了充分發(fā)揮三峽工程的綜合

效益，要求電站在汛期進行日調節(jié)，為電力市場提供高質量的電能。三峽水庫運行有如下特性：汛期水位低(145m)，來水量大；非汛期庫水位高(175m)，電站水頭較大，來水量小。對于河道型水庫，在相同的水電站調度曲線條件下，水深越小，上、下游河道水位的振蕩就會越大。為了工程安全，2002～ 2003年進行了50十4、70+6年地形條件下的庫區(qū)汛期日調節(jié)試驗，重點研究汛期日調節(jié)流量變化對上游引航道及口門區(qū)通航水流條件的影響。試驗對主河道、船閘引航道及門門區(qū)的水位變化規(guī)律進行了研究，分析了大壩起始下泄流量、電站調節(jié)流量、調節(jié)時間等因素對波動幅度的影響。

通過近兩年的試驗研究，在三峽樞紐庫區(qū)淤積平衡地形起始過壩流量小于24 600m3／s的試驗條件下，得到以下認識：

三峽工程電站汛期日調節(jié)，在機組2min開啟或關閉時的控制條件是口門區(qū)右側航線的橫流和船閘與升船機前的波高超標。上游水位變幅、口門區(qū)最大橫流均與調節(jié)流量成比例關系，與基礎流量及電站機組開關時間(不大于6min)關系不大。電站機組分批錯開一段時間運行，可以有效的控制口門區(qū)橫向流速。設計日調節(jié)方案所有運行工況靠船墩比降均滿足標準，9駁船隊縱向系纜力不超標。雙閘灌水與電站開啟同時進行，對船閘前波高及口門區(qū)流速有減小作用。雙閘灌水與電站關閉同時進行，對船閘前波高及口門區(qū)流速有大幅度增加作用。

采用圣文南方程組建立三峽庫區(qū)日調節(jié)通航水流條件一維數學模型，利用三峽樞紐淤積平衡地形日調節(jié)物理模型試驗成果對數學模型進行驗證，預報了24h日調節(jié)水位流速過程和水庫運行初期日調節(jié)非恒定流對上游引航道通航條件的影響。研究表明，24h日調節(jié)過程中，流量變化的時候，上游

引航道通航水流條件最不利。水庫運轉初期，日調節(jié)(最大調節(jié)流量7 200m3／s)時船閘前的波高只有0.29m，口門處平均流速約0.3m／s，對航行的影響很小。30+2年地形，水流條件基本處于臨界狀態(tài)。30+2年以后，隨著淤積年份增加，日調節(jié)通航水流條件逐漸惡化。

2 科學研究的方法與采用的儀器設備

(1)建立了l／100三峽樞紐模型，范圍包括三峽大壩上游17km、下游15km河道，模擬樞紐不同運行階段，不同淤積地形條件下的水流狀況，并結合遙控自航船模進行試驗，為通航流條件研究提供了基礎設施。大比尺模型保證了水流條件測量精度。大范圍模型保證了樞紐庫區(qū)復雜水流現象的真

實預演。而動床模型與水工模型的結合，則既能可靠地獲得樞紐不同運行年的淤積狀態(tài)，又能比較準確地模擬各種水流現象。單純的水力學參數觀測不能夠完全反映船舶(隊)的航行條件和航行狀態(tài)。因此，在三峽工程通航水流條件研究中，引進了遙控自航船模航行試驗。船模航行試驗具有直觀快速的特點，結合水流條件觀測，可對航行條件進行綜合評價。

(2)試驗儀器設備是試驗正常進行的基本條件。試驗工作與時俱進，不斷跟蹤測量儀器發(fā)展的最新技術。在模型上采用了一系列先進可靠的儀器設備，包括高精度的恒定流、非恒定流自動控制和監(jiān)測系統；水位、流速、系纜力、自動采集系統 (其中水位用超聲波傳感器測量，可以達到水工測針相同的精度)；還有閘位自動控制儀，船模航行攝像測量系統等。這些儀器大部分是根據試驗具體要求開發(fā)研制的，保證了三峽樞紐通航水流條件試驗的測量精度和成果質量。

(3)研究過程中，為了提高試驗成果質量，進行了多方面的努力。實驗方法上，把影響通航條件的各種因素，如大壩泄洪、電站運行、船閘灌水等，分別進行考慮，對水流條件的變化規(guī)律有了清楚的認識。

(4)日調節(jié)試驗中，開發(fā)了日調節(jié)非恒定流試驗配套應用程序，在電廠閥門開啟時間長，模型進口反射的波動影響正常數據采集情況下，用電動調節(jié)閥改變進門流量以消減波動反射，達到了延長試驗時間提高工作效率的目的。

(5)數據處理分析方面。自動化程度越來越高，根據需要開發(fā)了大量的應用程序。對提高科研質量和試驗精度具有重要意義。

(6)在三峽通航水流條件研究中大量應用廠數學模型進行計算。先后應用的數學模型有三峽樞紐設兩級船閘中間渠道方案涌浪數值模擬；三峽工程船閘灌水上游引航道內水力特性數值模擬；三峽庫區(qū)河勢演變與水流動力特性變化對通航水流條件的影響數值模擬等。數學模型作為對物理模型試驗的補充，發(fā)揮了重要作用。

3 三峽樞紐通航水流條件研究的主要成果

(1)通過對三峽工程設中間渠道內非恒定流試驗，提出了能反映對航運影響的表征非恒定流特性的水力參數，深入研究了中間渠道內非恒定流的各種影響因素，為優(yōu)化引航道及船閘進出口布置型式提供了科學依據。

(2)通過不同淤積地形條件下的樞紐上下游水流條件試驗，提出了三峽工程通航水流條件技術標準供工程使用。

(3)明確了引航道口門區(qū)航行條件的影響因素是泥沙淤積、工程布置型式、地形條件以及船閘灌泄水非恒定流、大壩泄洪在引航道內形成往復波流、水庫洪水調度非恒定流和電站日調節(jié)產生的非恒定流等。

(4)在國內外首次提出并通過深入研究解答了因壩上游河勢改變、流速加大引發(fā)的引航道內往復流的生成機理和改善措施及途徑。要減弱引航道內的往復流必須從引航道布置著手，減弱引航道口門外的流速，改善流態(tài)。這項成果對三峽工程通航建筑物布置有重大實際意義，對推進引航道內往復流的研究也有重大的理論價值。

(5)三峽水利樞紐通航建筑物上下游引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件研究取得突破性進展。采用避開主流，適應河勢變化的建議，通航建筑物上下游引航道口門區(qū)及連接段布置，根本性的改善了水流條件。在各級通航流量、樞紐各運用階段的流速流態(tài)和往復流引起的波高等均減弱到允許

值以下，滿足萬噸級船隊和各類船舶安全通暢過壩的航行要求，特別是解決了難度很大的位于彎道河勢的上千游引航道連接段的通航水流條件問題。

(6)在上下游通航水流條件研究過程中，對主航道與口門區(qū)之間的過渡段航道通航條件的認識逐步加深，明確了引航道連接段的概念，認為連接段的通航水流條件標準應該介于主航道與口門區(qū)的標準之間，最好輔以船模航行試驗。

(7)三峽工程汛期日調節(jié)對上游通航水流條件影響的試驗研究，揭示了三峽電站日調節(jié)非恒定流在壩上河道型水庫形成及傳播規(guī)律及其對通航深、口門區(qū)流速、船閘前波高等水流條件的影響，為水庫日調節(jié)合理的運行方式提供了科學依據。

(8)有關三峽工程通航水流條件研究的經驗已經匯入《通航建筑物水力學模擬技術規(guī)程》(天科所主編)，為推動通航水力學技術發(fā)展做出了貢獻。

4 幾點建議

(1)根據模型試驗，三峽通航建筑物上游引航道全包方案在樞紐建成后的頭幾十年，在設計通航流量條件下滿足航行標準要求。而達到淤積平衡地形以后，在流量超過45 000m3/s，上下游口門區(qū)以外的連接段水流條件會超標。因此今后應該從水庫運轉實際的淤積情況以及船型船隊改進等方面

入手，繼續(xù)進行通航水流條件研究。

(2)三峽工程已經開始蓄水發(fā)電，有關水庫及電站調度方面還有許多工作要做。三峽水庫運用初期汛期日調節(jié)對通航水流條件的影響等課題，還需要進一步研究。研究范圍應該包括壩上、兩壩間以及葛洲壩以下的航道。

(3)三峽五級船閘已經建成通航，應該繼續(xù)研究改善船閘運轉條件的措施，包括加快船舶安全過閘的條件，以及引航道內的波動對首、末級人字門的動水作用等。

(4)三峽升船機主要用于客輪快速過壩，是世界上規(guī)模最大，難度最高的升船機。升船機的建設勢在必行。而建立升船機的運轉模型，進行過船試驗，對承船廂內泊穩(wěn)、引航道的波動等一系列問題進行研究，是確保升船機萬無一失的必要手段。通過試驗可對三峽升船機的運轉安全及水力學問題進行綜合評價，為交通部門提出指導性意見。

(5)隨著工程進展，對問題本質的認識不斷深入，對研究采用的技術、理論、試驗手段等也不斷提出新的要求。因此應該對試驗設備、水力學基礎理論進行相應的研究。這對于提高科研水平，保證工程質量具有重要意義。