三峽—葛洲壩間河段汛期通航水流條件研究

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的雙重影響，通航條件極其復雜，安全風險多，監管壓力大，通航管理要求高。本文采用平面二維水流數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，平面形態蜿蜒曲折，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段[1-3]。尤其是在三峽電站調峰和葛洲壩反調節過程中，兩壩間非恒定流產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《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《三峽（正常運行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》，葛洲壩水利樞紐正常運行水位66m，最低運行水位為63m。2012—2015年實測數據表明，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為：

（1）水田角：彎頂左右兩側均形成較大范圍的對口回流區，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，存在零星回流區分布，回流流速較小，各流量級下回流區范圍變化不大。大沙壩橫駛區附近（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。

（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。

3 汛期非恒定流水流特性

3.1 非恒定流模擬方案

根據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。

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

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作用控制。三峽調峰作用和葛洲壩反調節作用的疊加效應在大沙壩至石牌河段表現最為明顯，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.