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        三峽—葛洲壩間河段汛期通航水流條件研究

        2019-09-28 04:56:07孟鑫
        中國水運 2019年9期

        孟鑫

        摘 要:兩壩間河段是長江中上游的咽喉河段,受兩岸高山峽谷制約,汛期水流流速大、比降大,呈洪水急流灘特性,再加上受三峽電站調峰和葛洲壩電站反調節(jié)的雙重影響,通航條件極其復雜,安全風險多,監(jiān)管壓力大,通航管理要求高。本文采用平面二維水流數(shù)學模型模擬分析了恒定流和非恒定流條件下重點灘段的水位、比降、流速等水流特性,研究成果可為兩壩間適航流量研究提供技術支撐,為兩壩間河段船舶航行和通航管理等提供參考。

        關鍵詞:兩壩間河段;汛期;水流條件;非恒定流

        中圖分類號:U641? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2019)09-0012-04

        1 引言

        三峽至葛洲壩兩壩間河段長約38km,其中,樂天溪至南津關26km河段處于峽谷區(qū),平面形態(tài)蜿蜒曲折,河谷陡峭,河槽窄深,河道斷面多呈“U”型或“V”型斷面,河道縱剖面跌宕起伏。當汛期大流量時,由于河道狹窄,水流不暢,坡陡流急,流態(tài)紊亂,航行條件險惡,尤其是水田角、喜灘、大沙壩、偏腦等洪水急流險灘和彎度達到90°的石牌彎道等險灘情況最為突出,是川江航道中船舶航行最為困難的區(qū)段[1-3]。尤其是在三峽電站調峰和葛洲壩反調節(jié)過程中,兩壩間非恒定流產(chǎn)生的附加流速和附加比降會增加船舶航行阻力,加大船舶上行難度。為配合三峽—葛洲壩兩壩間航道船舶適航流量研究,采用平面二維水流數(shù)學模型模擬分析了恒定流和非恒定流條件下重點灘段的水位、比降、流速等水流特性,為兩壩間適航流量研究提供技術支撐,為兩壩間河段船舶航行和通航管理等提供參考。

        2 汛期恒定流水流特性分析

        根據(jù)《三峽—葛洲壩樞紐河段通航管理辦法》,兩壩間河段最大通航流量為45000m3/s,限制性通航流量為25000~45000m3/s。為詳細研究通航期大流量條件下兩壩間水力要素的變化規(guī)律,共計算了9種流量級,分別為25000m3/s、27500m3/s、30000m3/s、32500m3/s、35000m3/s、37500m3/s、40000m3/s、42500m3/s、45000m3/s。

        根據(jù)《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程》,葛洲壩水利樞紐正常運行水位66m,最低運行水位為63m。2012—2015年實測數(shù)據(jù)表明,三峽下泄流量25000m3/s時,葛洲壩壩前水位一般為64.5~66.5m。因三峽下泄流量相同時,葛洲壩水位越高,兩壩間航道流速、比降趨于減小,航行條件相對變好;汛期兩壩間相同來流情況下,葛洲壩壩前最低運行水位63m,是兩壩間航道最不利工況條件。因此,在恒定流水流分析中,重點以葛洲壩壩前水位63m與三峽不同下泄流量組合情況下的工況開展,葛洲壩壩前水位65.5m作為對比,重點灘段水流條件主要以典型航線上的流速、比降進行分析。

        2.1 重點灘段航線流速

        對水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦等5個重點灘段的上行和下行航線(圖1)最大流速進行統(tǒng)計分析(表1~2),并對葛洲壩水位65.5m與63m情況下各灘段航線最大流速的變化率進行了統(tǒng)計分析(表3),結果表明:

        (1)隨三峽下泄流量增大,各灘段的上行和下行航線最大流速均呈增大態(tài)勢,且航線最大流速一般是上行航線小于下行航線。

        (2)相同條件下,各灘段上行航線最大流速中,喜灘與大沙壩較為接近,總體上以大沙壩最大。

        (3)在葛洲壩水位65.5m時,各灘段的上行、下行航線流速有所減小,在分析灘段中,上行、下行航線流速變化一般小于0.3m/s,最大變化率一般小于8%,各灘段流速主要受河道流量控制,葛洲壩水位變化的影響相對較小。

        2.2 重點灘段比降

        計算水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦等5個重點灘段平均水面比降(葛洲壩水位63m),并以200m間距(約為2倍船長)對各灘段的上行航線局部最大水面比降進行統(tǒng)計和變化率分析(葛洲壩水位63m、65.5m,表4~6),結果表明:

        (1)隨三峽下泄流量增大,各灘段的平均水面比降與上行航線局部最大水面比降均呈增加趨勢。

        (2)在葛洲壩水位63m時,相同流量級下,各灘段平均水面比降以喜灘為最大,其次為水田角、偏腦、大沙壩,南津關河段最小;各灘段上行航線局部最大水面比降以水田角為最大,其次為喜灘、偏腦、大沙壩,南津關河段最小。

        (3)在葛洲壩水位63m時,從各灘段的平均水面比降來看,在流量45000m3/s時,一般小于0.3‰,但以各灘段上行航線局部最大比降來看,各灘段的比降顯著增加,且存在局部大比降現(xiàn)象。

        (4)在葛洲壩水位由63m增加至65.5m時,各灘段的上行航線局部比降主要呈減小態(tài)勢,在分析流量級下,水田角、喜灘、大沙壩、石牌、偏腦、南津關等灘段的比降最大變化率分別為15.7%、12.%、4.6%、21.4%、9.2%、10.9%,除石牌上行航線局部最大比降變化率超過16%外,其余灘段上行航線局部最大比降變化率均小于16%,總體來看,葛洲壩水位在63m~65.5m變化時,各灘段上行航線局部最大比降也主要受河道流量控制,葛洲壩水位變化的影響也不大。

        2.3 重點灘段流場

        各典型灘段均存在不同程度的回流現(xiàn)象,回流流速隨著河道流量的增大而增大,各重點灘段具體表現(xiàn)為:

        (1)水田角:彎頂左右兩側均形成較大范圍的對口回流區(qū),彎頂處流向基本保持一致。水田角河段回流對主河道寬度影響最大,隨著三峽下泄流量的增加,回流長度逐漸增加,回流區(qū)的存在較大程度地減小了斷面有效過水面積,使得斷面主流流速大大增加。

        (2)喜灘:河面狹窄,河床窄深,河勢順直,出口段下游連接彎曲河段,主流靠近左岸,流速左緩右急。受兩岸地形控制,在白馬沱附近形成對口回流,三條溝上游形成錯口回流。

        (3)大沙壩:上游河勢微彎,中段河面收縮,為洪水急流灘,存在零星回流區(qū)分布,回流流速較小,各流量級下回流區(qū)范圍變化不大。大沙壩橫駛區(qū)附近(大沙壩岸嘴處)有斜流。

        (4)石牌:急彎險灘,河勢急轉達90°左右,受下段石牌巖盤的影響,深泓北折,主流橫向擴散,石牌彎道凹岸有較大范圍回流區(qū)。

        (5)偏腦:河道順直,河段進口處主流偏右岸,至柑子溪偏至左岸,達偏腦岸嘴主流又偏右岸下,存在錯口回流區(qū)。

        3 汛期非恒定流水流特性

        3.1 非恒定流模擬方案

        根據(jù)2015年水利部批復的《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程》,葛洲壩庫水位最大日變幅應不大于3.0m,最大小時變幅應小于1.0m,當三峽出庫流量大于25000m3/s、且下泄流量日變幅大于5000m3/s時,由調度單位通知三峽通航局。2012~2015年實測資料顯示,三峽下泄流量大于25000m3/s時,日間最大流量增幅14100m3/s,發(fā)生于2012年18~19日,三峽日均出庫流量從31000 m3/s增加至45100 m3/s;日間流量最大減幅10800m3/s,發(fā)生于2012年22~23日,三峽日均出庫流量從36300 m3/s減小至25500m3/s。

        在三峽電站調峰發(fā)電時,汛期兩壩間河段還受調峰運行產(chǎn)生的非恒定流影響。由于非恒定流測量困難,目前缺少足夠的實測數(shù)據(jù),因此分別進行了實測非恒定流過程重現(xiàn)模擬和非恒定流傳播規(guī)律概化計算分析。

        本次計算選取2015年6月30日~7月4日三峽瞬時下泄流量過程進行實測非恒定流過程重現(xiàn)計算(圖2),分析非恒定流對水位、比降及流速的影響。其中,出口瞬時水位過程按平善壩水位站瞬時水位過程控制。

        3.2 水位變化

        與同流量條件下的恒定流(三峽下泄流量Q=32500m3/s)相比,非恒定流時壩下河段水位有不同程度變化。表7可見,水田角水位變幅在±0.1m,喜灘水位變幅在±0.16m,大沙壩水位變幅在±0.13m,石牌河段水位變幅在±0.19m,偏腦河段水位變幅在±0.23m。總體呈現(xiàn)距離葛洲壩越近,水位變幅越大。

        3.3比降變化

        從三峽調峰和葛洲壩反調節(jié)的影響來看,水田角、喜灘與大沙壩河段主要受調峰作用影響,偏腦河段主要受葛洲壩反調節(jié)作用控制。三峽調峰作用和葛洲壩反調節(jié)作用的疊加效應在大沙壩至石牌河段表現(xiàn)最為明顯,從典型河段附加比降和局部比降來看(表8),兩壩間局部最大河道附加比降在±0.06~±0.15‰之間,其中石牌河段附加比降(局部最大比降)最大,在±0.15‰之間;水田角河段次之,在±0.10‰之間。石牌河段附加比降較大,但局部最大比降絕對值相對較小。

        3.4 流速變化

        與同流量條件下的恒定流(三峽下泄流量Q=32500m3/s)相比,壩下河段非恒定流流速均有所增加。其中水田角河段流速增加0.01~0.25m/s,喜灘河段流速增加0.03~0.22m/s,大沙壩河段流速增加0.18~0.29m/s,石牌河段流速增加0.07~0.19m/s,偏腦河段流速增加0.02~0.17m/s,總體來看,非恒定流條件下,兩壩間河段會不同程度的產(chǎn)生附加流速,附加流速增幅與河勢和水深有關,流速總體增幅一般小于10%。

        4 結論

        (1)隨三峽下泄流量增加,各灘段流速及比降均呈增加態(tài)勢,葛洲壩水位變化對灘段流速及比降也具有一定影響,從各灘段的上行和下行航線最大流速、各灘段上行航線局部最大比降統(tǒng)計來看,各灘段的上行和下行航線最大流速的變化率一般小于8%,各灘段的上行航線局部最大比降變化率一般小于16%(石牌約為22%),表明分析灘段的流速及比降變化主要受三峽下泄流量控制,葛洲壩水位變化的影響相對較小。

        (2)在葛洲壩水位63m時,從各灘段的平均水面比降來看,在流量45000m3/s時,一般小于0.3‰,但以各灘段上行航線局部最大比降來看,各灘段的比降顯著增加。如水田角,流量25000m3/s時,灘段平均水面比降為0.08‰,上行航線局部最大比降為0.41‰,增大0.33‰;流量45000m3/s,灘段平均水面比降為0.27‰,上行航線局部最大比降為1.22‰,增大0.95‰,可見,在兩壩間的重點灘險上,存在局部大比降現(xiàn)象。

        (3)非恒定流計算結果表明,各河段主要受三峽調峰長波的影響,葛洲壩反調節(jié)短波僅對喜灘以下河段水位有影響,波幅在0.23m以內。大沙壩至石牌河段調峰作用與反調節(jié)作用疊加效應最為明顯。

        參考文獻:

        [1]長江三峽通航管理局. 三峽—葛洲壩兩壩間航道船舶適航流量研究[R]. 湖北宜昌:長江三峽通航管理局,2018:27-30.

        [2]郝品正,馮小香,陳冬元. 長江三峽:葛洲壩兩壩間深水急險灘航道整治技術[M].北京:人民交通出版社,2013: 1-5.

        [3]陳冬元. 三峽-葛洲壩兩壩間汛期大樣本實船試驗分析研究[J]. 水道港口, 2018, 39(1):67-72.

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