三峽升船機下游引航道水位波動分析

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峽升船機下游引航道長約 2.7 km，其中距長江主河道上游約1.8 km的引航道(即西陵橋水位站至隔流堤末端)與永久船閘引航道共用(見圖1)。升船機引航道底寬僅80～90 m，高程為 58.0 m，到承船廂附近寬度縮小為18 m，水深僅有3.5 m，引航道的“盲腸”效應十分顯著。三峽水利樞紐泄洪、電站調峰、葛洲壩反調節(jié)及船閘泄水等都會引起三峽水庫壩下游水位的變化，繼而在升船機下游引航道內引起往復流和水位波動。根據(jù)升船機下游引航道的設計通航條件要求，引航道水位波動小時變幅直接影響升船機下游引航道通航水流條件，進而影響到升船機承船廂對接過程的安全問題。

為了解升船機下引航道水位波動情況，在升船機下引航道內自上游至下游依次布置了0，1，2，3號和4號5個臨時水位觀測站點。1～4號水位站于2014年1月開始監(jiān)測，0號站于2015年3月開始觀測。0號站位于升船機下閘首附近，1號站上距升船機約1.0 km，最下游的4號站距離長江主河道入?yún)R處約1.0 km，站點覆蓋范圍約 4.6 km，詳見圖1。

圖1 三峽升船機下游引航道內0～4號水位監(jiān)測站分布

2 水位波動影響因素

基于兩壩間河段的基本水流特性，河段內水位的波動變化(兩壩間水動力波傳播時間約為30 min)主要是由兩壩間調蓄水量變化(用葛洲壩5號站水位表示，下同)、三峽泄流強度變化引起的附加比降及水動力波在兩壩間河道傳播和疊加造成。水位波動較大的時段一般出現(xiàn)在兩壩間調蓄水量變化最快時段，即三峽水庫泄流量與葛洲壩水庫泄流量相差較大的時段，或三峽水庫泄流強度變化較大的時段，即三峽水庫突然加大或減小泄流量的時段。

2.1 三峽-葛洲壩水庫調度平穩(wěn)

本文統(tǒng)計了2014年1月至2017年9月兩壩間槽蓄量變化不大且三峽水庫下泄流量穩(wěn)定時段的0～4號水位站水位。分析結果表明，在葛洲壩5號站水位及三峽水庫下泄流量均穩(wěn)定的情況下，升船機下游引航道內各水位站水位均有不同程度的波動，但總體波動都較小。

2.2 三峽水庫下泄流量變化劇烈

三峽水庫下泄流量變化主要表現(xiàn)為電站調峰和樞紐泄洪。

2.2.1 電站調峰

受三峽電站調峰影響，水庫下泄流量小時變化較大，變幅在2 000～3 000 m3/s區(qū)間內。為了分析電站調峰流量變化對升船機下引航道水位的影響，選了葛洲壩5號站水位基本維持穩(wěn)定(小時變幅控制在10 cm以內)，而三峽調峰流量發(fā)生較大變化的特征時段進行分析。對2014年1月至2016年9月的特征時段數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。

受三峽電站電力調峰影響，下引航道內各站水位小時變幅均較大。其中，0，1號和2號站水位變幅明顯大于3號和4號站，最大水位小時變幅已超出 0.5 m；3號、4號站水位變幅相對較小且基本一致。三峽電站調峰越劇烈，下泄流量小時變幅越大，下引航道內水位波動越大。三峽水庫下泄流量小時變幅大于2 000 m3/s時，0號站水位最大小時變幅大于0.4 m；流量小時變幅達3 000 m3/s時，0號站水位最大小時變幅已超過0.5 m。當三峽調峰流量大小相同時，調峰流量增大較流量減小對水位的影響更大。

2.2.2 樞紐泄洪

汛期，當三峽水庫下泄流量超過機組滿發(fā)流量時，將先開啟泄洪深孔調節(jié)泄流，每孔泄流約為2 000 m3/s，整個閘門啟閉時段約為20 min。本次選取不同時段深孔泄洪流量來分析三峽泄洪調節(jié)過程中升船機下引航道內各站水位的變化情況。統(tǒng)計分析了2014～2016年三峽泄洪流量變化時段0～4號站水位的小時變幅。

升船機下引航道內水位變幅隨下泄流量變幅增大而增大，且越靠近上游，水位變幅越大。下泄流量變幅相同時(啟閉的深孔個數(shù)及各深孔開度一致)，啟閉深孔的操作時間越短，對水位的影響越大，水位變幅更為劇烈。1號站水位最大小時變幅已接近 0.9 m。下泄流量變幅相同時，三峽水庫下泄流量越大，下引航道內各站水位變幅越大。

2.3 葛洲壩5號站水位變化

根據(jù)《三峽(正常運行期)-葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程》的要求：“葛洲壩庫水位(葛洲壩5號站水位)日變幅最大為3 m，小時變幅小于1 m”。本文主要分析的是葛洲壩5號站水位變化對升船機下引航道內水位的影響，故選取三峽水庫下泄流量基本維持穩(wěn)定而葛洲壩5號站水位變化較大的時段，統(tǒng)計分析0～4號站水位變化情況。

在三峽水庫下泄流量基本穩(wěn)定的情況下，下引航道水位變幅基本與葛洲壩5號站水位變化趨勢一致，且量級基本相同，仍然表現(xiàn)出0號站水位變幅大于下游各站水位變幅的規(guī)律。

2.4 三峽-葛洲壩梯級調度劇烈

升船機下游引航道內水位的變幅受三峽水庫下泄流量和葛洲壩庫水位的影響，且實際情況常常受兩種因素的共同影響。為了分析在上述兩種因素同時影響下引航道內水位變化的情況，結合三峽-葛洲壩梯級水庫的調度情況，分別選取三峽水庫下泄流量減小且葛洲壩5號站退水較明顯、三峽水庫下泄流量減小且葛洲壩5號站漲水較明顯、三峽水庫下泄流量增大且葛洲壩5號站退水較明顯、三峽水庫下泄流量增大且葛洲壩5號站漲水較明顯的4種具有代表性的典型過程來分析下引航道內各水位站的水位變化情況。

在三峽水庫下泄流量和葛洲壩5號站水位同時變化的共同作用下，0號站水位最大變幅約為0.91 m。當三峽水庫下泄流量減小時，若葛洲壩5號站水位上漲，航道內水位波動將減小，小時最大變幅仍可超 0.50 m；若葛洲壩5號站水位下降，航道內水位波動將加大，小時最大變幅可達到 0.91 m。當三峽水庫下泄流量增加時，若葛洲壩5號站水位上升，航道內水位波動將加大，小時最大變幅達到0.85 m；若葛洲壩5號站水位下降，航道內水位的波動將減小，小時最大變幅仍可超過 0.50 m。在三峽水庫下泄流量變化和葛洲壩5號站水位變化共同影響下，下引航道內各水位站水位仍符合由下游到上游水位變幅逐漸增大的規(guī)律。

典型時段2016年6月6日22:00～0:00，三峽水庫下泄流量由23 200 m3/s減至18 700 m3/s、葛洲壩5號站水位減小 0.68 m，4號站水位小時降幅為 0.85 m，0號站達 0.91 m。0～4號站水位變化典型過程見圖2～3。

圖2 三峽水庫下泄流量及葛洲壩5號站水位同時變化典型時段各站水位變化過程

圖3 三峽水庫下泄流量及葛洲壩5號站水位同時變化典型時段0～4站水位最大小時變幅

2.5 船閘沖泄水

船閘泄水位置在2～3號站之間，日均泄水量約為70～100 m3/s，較三峽水庫下泄流量偏小較多，且過程相對緩慢平穩(wěn)，因此船閘泄水不是影響升船機引航道內水位變化的主要因素。

表3 2015～2016年典型時段0號站水位變幅統(tǒng)計

2.6 0號站水位小時變幅

升船機下引航道水位波動幅度從上游至下游呈減小趨勢，越靠近升船機波動越大。升船機下引航道設計通航水位條件最大水位變率約±0.50 m/h，船舶進出承船廂的時間為8 min。但是，在三峽水庫下泄流量持續(xù)增加或減小、葛洲壩5號站水位持續(xù)升高或降低的情況下，下引航道水位將持續(xù)波動上漲或下降。在此期間，0號站小時水位變幅可能會在超過 0.50 m的范圍內持續(xù)一段時間，對升船機船閘承船廂的運行極為不利。2015～2016年0號站小時水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時間超過5 min時段見表1～2。

表1 2015年0號站小時水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時間超過5 min時段

表2 2016年0號站小時水位變幅不小于0.50 m持續(xù)時間超過5 min時段

注：“-”為0號站水位在調試期。

0號站水位小時變幅超過 0.50 m的累計時間少于升船機設計運行時間的1%。0號站水位小時水位變幅較大、超過 0.50 m持續(xù)時間較長的時段主要在汛期(6～9月)，持續(xù)最長時間達50 min(見表3)。水位變幅較大、持續(xù)時間較長的時段同時受三峽水庫下泄流量和葛洲壩5號站水位變化的影響。

3 口門區(qū)與承船廂附近水位波動關系

一般情況下(口門區(qū)水位波動不明顯)，4號站水位波動傳播至0號站時的時間大于10 min。在典型工況下(口門區(qū)水位波動較明顯)，引航道口門區(qū)產(chǎn)生的非恒定流長波傳播至升船機承船廂附近大概需要6～10 min。目前，引航道內的各水位監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集時間為每分鐘一次，因此通過建立口門區(qū)4號站與0號站的相關關系，并根據(jù)傳播時間預測不同工況下0號站的水位波動值，即可及時采取相應的安全保護措施，包括及時通知船舶停止運行、關閉船廂門、解除船廂鎖定、提升承船廂等。口門區(qū)4號站與0號站的相關關系[1]如下：

(1)

式中,ΔHc為承船廂附近波高，m；Hc為承船廂水深，m；ΔHk為口門區(qū)波高，m；hk為引航道口門底高程，m；hs為引航道口門水位，m。

由于口門區(qū)水位波動越明顯，傳播到承船廂附近的水位波動越大；而傳播時間越短，相當于越不利的情況反應的時間越短，因此需要采取更及時的應對措施。當三峽電站調峰較大、樞紐泄洪及葛洲壩水位劇烈變化時，可通知航運部門加強監(jiān)視，提前做好應急準備工作。

4 結 論

三峽水庫下泄流量變化和葛洲壩5號站水位變化是引起下引航道內水位波動的主要原因。三峽水庫下泄流量或葛洲壩5號站水位變化越大，下引航道內的水位波動越大。二者同時增大或減小時，下引航道內的水位波動最為劇烈，水位小時最大變幅可達 0.91 m。相同的下泄流量，通過泄洪深孔調節(jié)引起的水位波動比電力調峰調節(jié)引起的水位變化更劇烈。各種工況下，水位波動從下游至上游均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，引航道內越靠近升船機水位波動越大。

承船廂附近的水位波動與口門區(qū)的水位波動密切相關，減小口門區(qū)的水位波動可減小承船廂附近水位波動，從而減小因水位波動引起的對承船廂對接安全的影響。而口門區(qū)的水位波動變化較大的時段是三峽-葛洲壩槽蓄量變化較大、三峽水庫下泄流量變化的時段，可通過以下手段減小水位波動：①調峰時勻速增減機組，避免同時開啟多臺機組；②盡量減少閘門開關頻次或延長開關閘門時間；③盡量避免葛洲壩水位大幅波動等。