姚仕明,王興奎,張丙印

(1.水利部長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北武漢 430010;2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

川江航道地形復(fù)雜,水流湍急,險灘眾多,嚴(yán)重制約了大噸位船舶上行。1949年新中國成立以來,國家投入大量資金對川江航道進(jìn)行系列整治,但由于川江航道屬山區(qū)峽谷河流,河寬較窄,地形復(fù)雜,水流流態(tài)異常復(fù)雜,僅通過一般整治工程難以解決大噸位船舶上行問題。20世紀(jì)80年代,葛洲壩水利樞紐的建成運(yùn)用,使水庫回水段的航行條件有所改善。但由于其屬低水頭樞紐,回水長度有限,不能改善回水范圍以上的河段的航行條件,因此,大噸位船舶及船隊仍然難以通過川江航道,影響長江上游航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。三峽水庫蓄水運(yùn)用前,川江航道基本處于天然河流狀態(tài),航道年均單向下水通過能力為1000萬t左右[1-2]。三峽工程已于2003年6月蓄水至135 m(吳淞高程,下同),2006年汛后抬至156m,2008年抬至172m,最終按正常蓄水位175m運(yùn)行。由于水庫水位逐步抬高,水庫回水末端上移,最終達(dá)到重慶,因此,三峽水庫將顯著改善宜昌至重慶660 km的長江上游航道,在正常蓄水期,庫區(qū)3000t單輪或萬噸級船隊可直達(dá)重慶港。三峽工程蓄水運(yùn)用以來,因庫區(qū)航道等級及通航條件得到大幅度提升,過壩貨運(yùn)量也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計,2004年通過三峽工程的貨運(yùn)量首次超過4000萬t;2006年超過5000萬t;2007年突破6000萬t大關(guān);2008年達(dá)到6847萬t,是三峽工程運(yùn)用前年平均貨運(yùn)量的6倍以上。三峽工程的建設(shè)不僅大幅度提高了庫區(qū)的運(yùn)輸能力,而且使運(yùn)輸成本降低了35%左右[3]。

三峽水庫的運(yùn)用極大地改善了庫區(qū)的航運(yùn)條件。然而,三峽大壩至葛洲壩河段(簡稱兩壩間河段)地形和斷面形態(tài)復(fù)雜,河寬較窄,多在200～800m之間,其河勢如圖1所示。在流量較大的情況下,兩壩間河段因?yàn)閺?fù)雜的水流和航道條件成為制約長江干流航運(yùn)發(fā)展的“瓶頸”,也是水上交通事故多發(fā)地段[1]。據(jù)統(tǒng)計,2003—2007年5年間,三峽水域發(fā)生多起水上交通事故,其中80%位于兩壩間河段,主要原因是大流量條件下此河段水流條件惡劣,因此,深入開展兩壩間河段通航水流條件的研究具有十分重要的意義。筆者采用二維與三維水流數(shù)學(xué)模型對本河段的通航水流條件進(jìn)行深入研究,研究成果可為兩壩間航線選擇與航道治理提供參考。

1 水流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

二維水流數(shù)學(xué)模型的建立可參考文獻(xiàn)[4-5]。數(shù)學(xué)模型采用1998年兩壩間實(shí)測的1/2000地形進(jìn)行驗(yàn)證,考慮到南津關(guān)以下河道較寬,水流相對較平緩,當(dāng)上游河道滿足航運(yùn)要求時,該段也能夠滿足通航要求。因此,本次計算區(qū)域?yàn)槿菲褐聊辖蜿P(guān),長約36.0km。由于沒有收集到兩壩間河段流速分布的實(shí)測資料,只有水面線實(shí)測資料[6],因此,文中僅對水面線進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,計算水面線與實(shí)測水面線的誤差較小,在±3cm以內(nèi),可采用該模型研究兩壩間河段的通航水流條件(表1)。另外,由表1可看出,兩壩間河段的水面比降在洪水期間與中枯水期間相差明顯。例如,在流量Q=50000m3/s時,其水面比降為 0.016 3%;Q=10000m3/s時,其水面比降僅為0.00064%。由此可看出兩壩間河段在洪、枯水期間表現(xiàn)為天然河道與水庫的雙重特性。

三維水流數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證見文獻(xiàn)[7-8]。

2 兩壩間河段通航水流條件

圖1 兩壩間河段河勢示意圖

兩壩間河段地形復(fù)雜,在枯水期處于葛洲壩庫區(qū),通航條件主要受三峽電站日調(diào)節(jié)的控制。在洪水期具有山區(qū)河道的特性,在大流量情況下仍會出現(xiàn)多處灘險流急的情況,不能滿足大噸位船舶的通航。因此,兩壩間河段通航水流條件分別按枯水期日調(diào)節(jié)與洪水期進(jìn)行研究。其中,枯水期日調(diào)節(jié)通航水流條件采用二維非恒定水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算,洪水期通航水流條件采用三維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。

2.1 枯水期日調(diào)節(jié)通航水流條件

一般情況下,葛洲壩水利樞紐的庫水位在63.00～66.00 m范圍內(nèi),其調(diào)節(jié)庫容約為0.86億m3,枯水期間與三峽電站聯(lián)合運(yùn)行后,利用兩壩間水庫進(jìn)行航運(yùn)反調(diào)節(jié),可使三峽電站在調(diào)峰時保障葛洲壩水利樞紐上下游的航運(yùn)安全。

表1 各級流量下的計算水面線與實(shí)測水面線的對比

三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)的水流特性采用二維非恒定流的水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。在兩壩間河段二維非恒定流計算中,進(jìn)口條件根據(jù)三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)條件給定的流量過程,出口水位過程為實(shí)體模型的試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)條件見圖2[9]。

圖2 三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)流量與水位過程線

監(jiān)測斷面水位隨時間變化的結(jié)果表明,兩壩間河段水位日變幅在3.23～3.49m之間;水位最大小時變率為1.00m,發(fā)生在19:00—20:00之間,主要原因是兩壩間河段進(jìn)出流量在該時段內(nèi)相差最大,從而導(dǎo)致兩壩間水量變化較大,引起水位小時變率最大;在各監(jiān)測斷面中,水位日變幅與小時變幅最大值均出現(xiàn)在偏腦斷面。

圖3為不同時刻的沿程水面線。由圖3可知,受三峽電站調(diào)峰與葛洲壩水利樞紐反調(diào)節(jié)的影響,兩壩間河段水流表現(xiàn)出明顯的非恒定性,沿程水位隨時間變化較大,如進(jìn)口段水位變化范圍為63.40～66.57 m,而三峽電站下引航道的底板高程為56.50m,下引航道最小通航水深可保證不小于6.90m,故三峽電站調(diào)峰不影響三峽電站下引航道的通航。出口南津關(guān)的水位均在63.00m以上,能保證葛洲壩上游引航道的水深在6.00m左右,故三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)也不影響葛洲壩上游引航道的通航。受三峽電站調(diào)峰的影響,兩壩間河段的水面比降隨時間變化較大,主要與進(jìn)出口流量過程以及流量小時變化率等因素有關(guān)。計算結(jié)果表明,在三峽電站負(fù)荷日調(diào)節(jié)期間,最大水面比降發(fā)生在17:00—18:00之間,其比降值約為0.0052%,其他時刻的水面比降均小于此值,有時出現(xiàn)倒比降。一般情況下,當(dāng)進(jìn)口流量大于出口流量時,河道水面比降相對較大,且上游段的比降大于下游段的比降;當(dāng)進(jìn)出口流量相差不大時,水面比降相對穩(wěn)定,比降大小主要與流量有關(guān);當(dāng)上游進(jìn)口流量隨時間減小時,河道局部位置可能出現(xiàn)倒比降。

圖3 兩壩間河段不同時刻沿程水面線變化

圖4為各監(jiān)測斷面在不同時刻最大表面流速的變化過程。由圖4可看出,三峽電站調(diào)峰的日調(diào)節(jié)過程中,最大表面流速均沒有超過2.5m/s,最大表面流速值位于水田角監(jiān)測斷面,為2.1m/s,發(fā)生時刻為18:15。根據(jù)萬噸級船隊允許最大流速和比降搭配與計算結(jié)果分析可知,在三峽電站調(diào)峰的日調(diào)節(jié)過程中,兩壩間河段的水面比降和流速變化均不影響兩壩間河段萬噸級船隊的航行條件。

由上述分析可知,兩壩間河段在三峽電站調(diào)峰(11月份)期間,盡管流量日變幅較大,最大相差12500m3/s,但通過葛洲壩水利樞紐的反調(diào)節(jié)作用,兩壩間河段的流速、水面比降、水位日變幅和小時變幅均能滿足萬噸級船隊的通航要求。

圖4 兩壩間監(jiān)測斷面最大表面流速u隨時間的變化

2.2 洪水期通航水流條件

洪水期采用三維水流數(shù)學(xué)模型計算分析兩壩間河段的通航水流條件,進(jìn)口按恒定流量考慮,出口按照葛洲壩水利樞紐壩前水位不變考慮?？紤]到兩壩間河段的流量不超過20000m3/s時能滿足萬噸級船隊的通航要求,因此洪水期通航水流條件研究僅考慮20 000 m3/s以上流量級,葛洲壩壩前水位按66.00m控制,共進(jìn)行了 7級流量(25 000 m3/s,30000m3/s,35 000 m3/s,40 000 m3/s,45 000 m3/s,50000m3/s,56700m3/s)條件下兩壩間河段的三維流場計算,根據(jù)計算結(jié)果求出表層3.5m水深處的平均流速場,用以分析本河段的通航水流條件和適航區(qū)域。為了比較葛洲壩水利樞紐壩前不同水位運(yùn)用對通航水流條件的影響,考慮葛洲壩水利樞紐水位按63.00m控制,又進(jìn)行了4級流量(30000m3/s,35000m3/s,45000m3/s,56700m3/s)下兩壩間河段的三維流場計算。

根據(jù)現(xiàn)有內(nèi)河航道通航水流條件的標(biāo)準(zhǔn),萬噸級船隊通航尺度為3.5m×100m×1000m(水深×航寬×彎曲半徑),通航水流條件一般要求最大局部比降J＜0.01%,航行區(qū)域內(nèi)適航流速不大于2.5m/s[10]。根據(jù)兩壩間河段的實(shí)測地形資料分析,通航尺度除石牌彎道的彎曲半徑(約750m)不能滿足萬噸級船隊通航彎道的彎曲半徑要求外,其他位置的通航尺度均能滿足要求,但通航水流條件在不同流量情況下不一定能滿足通航要求。

計算結(jié)果表明,當(dāng)Q=30000m3/s時,局部河段如水田角附近流速大于2.5m/s的主流帶較寬,但在近岸兩側(cè)仍具備通航條件,因此通過合理調(diào)度,萬噸級船隊可在兩壩間通航。當(dāng)Q=35000m3/s時,水田角河段已形成對峙卡口而不能滿足萬噸級船隊的通航要求,但其他河段仍可通航。當(dāng)Q=40000m3/s時,兩壩間河段主流帶的流速基本在2.5m/s以上,并在水田角、喜灘上下、石牌等處形成通航卡口,多個河段都不滿足萬噸級船隊的通航要求,見圖5,圖中H為水位。圖5中位于河道中間的陰影區(qū)域流速大于2.5m/s,該區(qū)域?yàn)椴贿m合大噸位船舶航行的區(qū)域。當(dāng)Q＞40000m3/s時,礙航河段更多,南津關(guān)以上的河段均難以滿足萬噸級船隊的通航要求。

圖5 兩壩間河段表層流場與適航區(qū)域分布

當(dāng)葛洲壩水利樞紐壩前水位由 66.00m降至63.00m時,在相同進(jìn)口流量條件下兩壩間通航條件將發(fā)生相應(yīng)的變化,因水位降低引起河寬與過水?dāng)嗝婷娣e減小、流速增加,導(dǎo)致適航區(qū)域范圍減小。例如,當(dāng)Q=45000m3/s時,兩壩間河段平均過水?dāng)嗝婷娣e由66.00m水位下的18180m2減小至63.00m水位下的16620m2,過水?dāng)嗝婷娣e減小約9%。因此,相同流量情況下水位的降低直接影響航運(yùn)安全。當(dāng)Q=30000m3/s時,葛洲壩水位在66.00m情況下可滿足萬噸級船隊的通航要求,但當(dāng)水位為63.00m時就不滿足萬噸級船隊的通航要求,見圖6,圖中h為水深,v為流速。由圖6可知,此時水田角1號斷面的適航區(qū)域太小,河道左側(cè)僅有63.2m的寬度,不能滿足萬噸級船隊100m航寬的通航要求。

圖6 水田角1號斷面水深和流速分布

若考慮改進(jìn)船型、船隊性能及減駁減載措施,可將實(shí)際通航水流的限制流速提高到3.5m/s。圖7為水田角1號斷面的水深和流速分布。由圖7可知,當(dāng)適航限制流速提高至3.5m/s時,在蓮沱彎道上下段主流帶仍存在流速大于3.5m/s的區(qū)域,特別是水田角附近,超過3.5m/s流速的河寬所占比例較大,但在河道左側(cè)仍有107.5m的寬度可滿足萬噸級船隊的通航要求,但當(dāng)Q=45000m3/s時水田角附近已不能滿足萬噸級船隊的通航要求。因此,當(dāng)通航水流的限制流速提高到3.5m/s時,兩壩間河段萬噸級船隊的通航流量可提高至40000m3/s。

圖7 水田角1號斷面水深和流速分布

3 結(jié) 論

在三峽電站枯水季節(jié)的日調(diào)節(jié)期間,由于葛洲壩樞紐工程的反調(diào)節(jié)作用,三峽大壩至葛洲壩兩壩間河段的水位日變化率、小時變化率、流速大小及水面比降均滿足萬噸級船隊的航行條件。

洪水期兩壩間礙航段主要位于水田角、蓮沱彎道、喜灘、獅子腦、石牌彎道及偏腦等處。在現(xiàn)有2.5m/s航速的通航標(biāo)準(zhǔn)及葛洲壩壩前水位66.00m的情況下,水田角河段的通航限制流量約為30000m3/s;當(dāng)葛洲壩壩前水位降至 63.00 m運(yùn)用時,通航流量減小到25000m3/s。對于單船上行限制流速3.5m/s的情況,兩壩間通航限制流量可提高到40000m3/s。

:

[1]舒榮龍,陳桂馥,杜宗偉.提高三峽-葛洲壩兩壩間通航能力試驗(yàn)研究[J].人民長江,2005(7):31-33.

[2]舒榮龍,周小平,杜宗偉.三峽-葛洲壩兩壩間河段通航技術(shù)研究[J].水運(yùn)工程,2005(3):62-65.

[3]潘家錚.三峽工程從根本上改變了川江航運(yùn)面貌[J].中國三峽建設(shè),2004(4):10-12.

[4]姚仕明,張超,王龍,等.分汊河道水流運(yùn)動特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2006,25(3):49-52

[5]姚仕明.三峽葛洲壩通航水流數(shù)值模擬及航運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學(xué),2006

[6]王遠(yuǎn)航.兩壩間長河段沖淤過程數(shù)值模擬[D].北京:清華大學(xué),2005.

[7]姚仕明,王興奎,張超,等.曲線同位網(wǎng)格的三維水流數(shù)學(xué)模型[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,46(3):336-340.

[8]姚仕明,王興奎,張超,等.兩壩間河段通航水流條件的三維數(shù)值模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展,2007,18(3):374-378.

[9]孫爾雨,李發(fā)政.三峽工程提前興建地下電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行對兩壩間及葛洲壩下游通航的影響試驗(yàn)報告[R].武漢:長江科學(xué)院,1997.

[10]西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,長江科學(xué)院.兩壩間(葛洲壩—三峽)通航水流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)研究[C]//水利部科技教育司.長江三峽工程泥沙與航運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究專題研究報告集.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1993.