三峽庫區(qū)豐涪段典型急流灘通航期變化研究

摘 要：收集了三峽水庫豐涪段典型洪水急流灘——和尚灘大量的實(shí)測(cè)地形、水文及過往船舶航行資料，建立了數(shù)學(xué)模型，分析了船舶自航上灘臨界流量條件及通航期的變化。結(jié)果表明：175m試驗(yàn)性蓄水后，豐涪段航道條件有所改善，流速、比降減緩，萬噸級(jí)船隊(duì)、3000噸船舶自航上灘臨界流量及通航期有所提升，航運(yùn)效益明顯提高。

關(guān)鍵詞：三峽水庫 洪水急流灘 航道條件 上灘流量

三峽水庫175m試驗(yàn)性蓄水以后，在蓄水期，三峽大壩至重慶河段受蓄水的影響，水深大幅增加，比降大大減小，流速減緩，河面變寬，成為優(yōu)良的庫區(qū)航道，航道條件得到大幅的改善，促進(jìn)了三峽庫區(qū)航運(yùn)的飛速發(fā)展。但是，在汛期三峽水庫按145m低水位運(yùn)行，水庫回水范圍減小，常年回水區(qū)上段（豐都至涪陵）水位雖還受壩前水位影響，但部分急流灘流態(tài)仍較為紊亂，影響船舶通行，已經(jīng)成為限制三峽水庫航道整體通航能力提升的瓶頸。2010年10月1日長(zhǎng)江航道局頒布實(shí)施的《長(zhǎng)江三峽庫區(qū)船舶定線制規(guī)定》將三峽庫區(qū)船舶定線制范圍上延至涪陵李渡長(zhǎng)江大橋。但豐都至涪陵段汛期流速仍較大，至今仍難以全年實(shí)施分邊航行。而和尚灘位于三峽常年回水區(qū)末端，受三峽水庫水位抬高影響較小，故以和尚灘為例對(duì)三峽水庫常年回水區(qū)通航期進(jìn)行研究。

灘險(xiǎn)概況及礙航成因分析

和尚灘位于烏江與長(zhǎng)江交匯口下游約3.2km，距宜昌上游約532.8km，距壩址486.3km，處于三峽水庫常年回水區(qū)末端，是川江著名的洪水急流灘。該河段河道順直，河槽橫斷面呈窄深型（河勢(shì)圖見圖1）。右岸有和尚灘石梁伸入江中，左岸有群豬灘和郭家咀石梁，形成交錯(cuò)對(duì)峙狀態(tài)。灘段上游河道呈微彎形，江中有美女磧和小和尚石，河道偏南有許多礁石潛伏，北岸王八磧與硯臺(tái)石間有暗淺相連，在硯臺(tái)石與群豬灘之間有暗淺深入江中，南岸有惡狗堆與盤蛇子石梁。和尚灘上游的苦竹沱內(nèi)常年有回流，郭家咀下游灘內(nèi)也常年有回流。在1955年-1956年、1969年-1971年期間及“7250工程”1996年炸除了左岸和尚灘石咀和右岸郭家咀石梁，總工程量約22萬立方米。

和尚灘段河床形態(tài)極不規(guī)則，兩岸石梁高大、凸出，尤其是右岸和尚灘的亂石咀與左岸群豬灘及郭家咀石梁交錯(cuò)對(duì)峙，阻束水流汛期成灘。三峽水庫蓄水前該灘的成灘水位為145.8m，最洶水位在151-154m之間，到155.5m以上，灘勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)長(zhǎng)江、烏江同時(shí)漲水時(shí)，灘勢(shì)更加兇猛，水流湍急，泡漩洶涌，因郭家咀石梁與和尚灘石梁的挑流使兩咀下均呈現(xiàn)較大回流沱及泡漩等不良流態(tài)，若船舶不慎，便有“打張”的危險(xiǎn)。三峽工程建成后按175m水位運(yùn)行時(shí)，雖然該灘的航道條件得到較大程度改善，但汛期流量較大時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)礙航特征。和尚灘上下游河道較寬，在和尚灘段由于左右岸基巖突出致使河道驟然縮窄而成灘。但因其左右基巖并非對(duì)峙，而是右岸與左岸突嘴上下交錯(cuò)形成，因而屬于突嘴型中的錯(cuò)口急流灘。

數(shù)學(xué)模型的建立

和尚灘河段計(jì)算區(qū)域?yàn)楦⒘甏髽蛏嫌沃料掠吻逑獔?chǎng)，全長(zhǎng)約16km。平面二維數(shù)模在計(jì)算域內(nèi)共布置500×60個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，經(jīng)正交計(jì)算后得到如圖3所示的正交網(wǎng)格圖，網(wǎng)格線的交角除岸邊個(gè)別節(jié)點(diǎn)以外均為88～92°，基本保持正交。正交曲線網(wǎng)格沿河流方向間距約32m，沿河寬方向間距約為20m。

二維數(shù)學(xué)模型對(duì)和尚灘實(shí)測(cè)瞬時(shí)水面線及流速、流向 （2008年08月，流量Q=33500m3/s）進(jìn)行了驗(yàn)證。

船舶上灘指標(biāo)分析

根據(jù)三峽水利樞紐工程相關(guān)設(shè)計(jì)文件，三峽蓄水后萬噸級(jí)船隊(duì)將實(shí)行渝漢直達(dá)。而目前，三峽庫區(qū)主流船型為3000噸級(jí)單船。下面主要對(duì)萬噸級(jí)船隊(duì)及3000噸級(jí)單船進(jìn)行水流指標(biāo)計(jì)算。

1、萬噸級(jí)船舶上灘指標(biāo)

據(jù)交通部《三峽樞紐過壩船舶（隊(duì)）尺度要求及技術(shù)規(guī)范》擬定的代表性船隊(duì)有兩類：一類是1654KW、2339KW推輪配合1000-3000t駁船組成的萬噸級(jí)船隊(duì)；二類是588KW、882KW推輪配合500t駁船組成的，干支流直達(dá)的3000t級(jí)船隊(duì)，表1給出了萬噸級(jí)船隊(duì)自航上灘的水力指標(biāo)。

2、 3000噸船舶上灘指標(biāo)

收集了三峽水庫常年回水區(qū)3000噸級(jí)船舶資料，對(duì)3000噸船舶上灘指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，其相關(guān)關(guān)系見圖4。

船舶上灘能力分析

圖5顯示了三峽成庫后汛期壩前145m水位時(shí)和尚灘河段實(shí)測(cè)航跡線上最不利流速、比降組合的變化情況，在汛期壩前水位145m時(shí)，航跡線上的流速比降組合較天然情況下有大幅改善。當(dāng)流量為15100m3/s，流速減小了0.24m/s，比降減緩了0.12‰；當(dāng)流量為35100 m3/s，流速減小了0.46m/s，比降減緩了0.46‰；當(dāng)流量達(dá)到50000 m3/s，流速減小了0.15m/s，比降減緩了0.47‰。

對(duì)萬噸級(jí)船隊(duì)（1654KW、2339KW推輪配合1000-3000t駁船組成的萬噸級(jí)船隊(duì)），其自航上灘水力指標(biāo)見表1。在天然情況下，清溪場(chǎng)流量15100 m3/s，航線上最大流速比降組合為1.85m/s×0.21‰，可滿足自航上灘；而當(dāng)流量為20100m3/s，航線上最大流速、比降組合為2.24m/s×0.38‰，不滿足自航上灘指標(biāo)。壩前145m蓄水時(shí)，清溪場(chǎng)流量在20100 m3/s，航線上最大流速比降組合為1.95m/s×0.15‰，可自航上灘；流量為25000 m3/s，航線上最大流速比降為2.41m/s×0.19‰，不滿足自航上灘。

對(duì)3000噸級(jí)單船，其自航上灘水力指標(biāo)見圖4（位于曲線下方能滿足自航上灘）。在天然情況下，清溪場(chǎng)流量20100 m3/s以下時(shí)可自航上灘；而壩前145m 蓄水時(shí)，清溪場(chǎng)流量在35100 m3/s以下時(shí)可自航上灘。

2008年8月，三峽816在清溪場(chǎng)流量為31100m3/s成功自航上灘，可見汛期三峽大壩按145m方案蓄水時(shí)，對(duì)和尚灘航道的船舶自航上灘能力有一定程度的改善。

通航期變化分析

表3按照近5年（2007年至2011年）來流條件統(tǒng)計(jì)了天然和三峽蓄水后可通航萬噸級(jí)船隊(duì)及3000噸級(jí)船舶的通航天數(shù)。三峽蓄水后，萬噸級(jí)船隊(duì)和3000噸級(jí)船舶通航天數(shù)較天然條件下明顯增加，其中3000噸級(jí)船舶通航天數(shù)最低可達(dá)全年的96.7%。

結(jié)語

通過數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)資料分析等手段，以常年回水區(qū)末端急流灘和尚灘為代表分析了三峽水庫豐涪段船舶上灘流量、通航期等相關(guān)問題。在汛期，和尚灘水位較天然有所抬高，萬噸級(jí)船隊(duì)自航上灘流量由15100 m3/s提升至20100 m3/s；主流船型3000噸級(jí)船舶自航上灘流量由20100 m3/s提升至35100 m3/s。萬噸級(jí)船隊(duì)通航期有天然的269天提升至305天；3000噸級(jí)船舶通航期由305天提升至358天。三峽水庫帶來的航運(yùn)效益提升明顯。

三峽蓄水后豐涪段的航道條件有所改善，但汛期水流條件仍較為紊亂。該河段實(shí)施航路改革后，仍有5處通航條件受限制河段，受限制河段里程達(dá)6km，且近幾年出現(xiàn)了20多起船舶事故，嚴(yán)重制約了三峽庫區(qū)航運(yùn)能力的提高。應(yīng)實(shí)施航道治理工程，解決汛期通航問題。

（本文為基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAB09B01）。第一作者單位：長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院）