三峡工程引航道冲沙流量的合理规模

1、三峡工程引航道冲沙流量的合理规模摘要：本文系统比拟了三峡工程与葛洲坝工程的详细条件，结合泥沙实体模型和数学模型的研究成果，提出了三峡引航道冲沙流量的合理规模。三峡工程可以用较葛洲坝工程规模小的“小流量冲沙措施实现“动水冲沙。通常条件下，将引航道冲沙设施的规模控制在40003/s的范围以内，就可以到达很好的冲沙效果；假如冲沙时进一步考虑小幅度降低水库水位，那么尚可以进一步降低冲沙流量或增加冲沙效果。降低水位冲沙系非构造措施，可以作为今后运用中的平安余地。本文建议，三峡工程采用40003/s的冲沙流量规模。关键词：三峡工程引航道泥沙淤积动水冲沙小流量1前言三峡枢纽通航条件是改善长江中上游航运条件的

2、关键所在。为此，三峡工程布置了双线五级船闸和垂直升船机两套通航建筑，使通航规模与葛洲坝工程的三线船闸一致。根据葛洲坝工程的经历和三峡工程的泥沙研究成果14，在工程运用后期，坝区的泥沙淤积将会比拟严重，上下游引航道布置一定长度的防淤隔流堤是必要的。为此三峡下游引航道采用了长隔流堤将引航道与主流分开，上游引航道采用了兴建一条将船闸、升船机引航道及由临时船闸改建的冲沙闸全部包括在内的所谓“全包隔流堤方案。由于临时船闸的缺口可以改建为能泄放25003/s的冲沙闸，所以，“全包方案已经为冲沙提供了一个重要的冲沙设施。尽管上下引航道兴建了防淤隔流堤，但是，上下引航道年内泥沙淤积量还是很大。据研究资料统计，

3、到后期上下游引航道的碍航淤积量均在100万3以上。考虑到通航条件的限制和淤积在时间上的不均匀性，单靠机械挖泥将是难以应付的，必须考虑一定规模的水力冲沙设施。葛洲坝工程采用“静水过船，动水冲沙7已经被理论证明为成功的经历，三峡工程应该借鉴。但是，三峡与葛洲坝工程又是有差异的，三峡工程可以利用葛洲坝工程所没有的有利条件，而不应完全照搬葛洲坝的冲沙规模。三峡“动水冲沙的规模应该根据其详细情况分析来决定。根据作者近年来关于三峡工程上下游引航道泥沙淤积对策方面的实体模型试验和数学模型计算研究，在详细分析了三峡工程的有利条件的根底上，本文提出可用“小流量冲沙的措施实现三峡工程的“动水冲沙，引航道冲沙设施规

4、模控制在40003/s的范围以内，就可以到达很好的冲沙效果。假如进一步考虑降低水库水位等非构造措施，冲沙流量还可以减少，这可以作为余地，有利于确保三峡上下引航道的畅通。2葛洲坝工程与三峡工程冲沙条件的比拟葛洲坝工程采取动水冲沙的方法对维护上下游引航道起到了决定性的作用，这是值得三峡工程借鉴的。但是，由于三峡与葛洲坝工程毕竟存在差异，定量上决定三峡工程冲沙流量的规模应该结合三峡工程的详细条件进展详细分析。张瑞瑾在分析葛洲坝工程的情况并总结出“静水过船，动水冲沙措施时是根据以下三个客观条件7，即：1)长江属于年平均泥沙浓度略大于1kg/3的“中沙河流；2)葛洲坝工程是水量丰沛的径流式电站，每年在相

5、当长的时间中存在较多的弃水；3)枢纽宣泄洪水需要较多的泄洪闸，冲沙闸可以起泄洪闸的作用。三峡工程与葛洲坝工程比拟，在条件上存在很大的差异。这些差异是由于工程的规模，水头及泄洪布置方式以及长江上游大型水电工程群的综合作用所决定的。三峡工程与葛洲坝工程虽然仅仅相距几十公里，天然条件下的水沙条件几乎完全一致。然而，三峡工程是具有几百亿3库容，允许上百亿3泥沙淤积的大型水库，虽然水库运行初期也有相当数量的泥沙到达坝前，但是，水库需要约100130年才能到达初步的冲淤平衡，平衡前到达坝前的泥沙浓度将会远小于天然情况，至少前30年的淤积情况不会象葛洲坝工程引航道那样严重。同时，国家已将金沙江的开发列上日程

6、，向家坝或溪落渡之一可望在10年内开工。即使是库容量相对较小的向家坝水库，前30年平均年拦沙量估算亦达1.25亿38，约为长江总输沙量的四分之一。上游水库拦沙后，三峡工程上下引航道在近期和中远期的泥沙淤积都将得到一定的延缓。兴建规模大而且几十年以后才使用的冲沙设施势必造成资金的极大积压。三峡枢纽不是径流式电站。三峡工程在145水位时，电厂满发需要的流量大约为220003/s，在每年9月需要冲沙时，长江平均来流量仅275003/s，虽然存在一定的弃水，但弃水量已经很校特别是上游水库投入运行之后，水能资源的综合利用和优化调度更将大大减少三峡工程的弃水。在弃水量较小的枢纽，用于冲沙的水量必须通过综合

7、经济比拟加以合理地确定。假如冲沙流量太大，每年可以安排冲沙的时机将会受到限制，航运与发电的矛盾将会突出。三峡工程是高水头的枢纽。它包括了规模宏大的泄洪建筑物。冲沙设施不再象葛洲坝工程那样是泄洪的必需设施之一，其建立投资是必须认真考虑的因素。而且，假如冲沙设施的规模象葛洲坝工程一样，到达8000100003/s的流量，那么由于水头高，在隧洞布置、消能等方面将存在较大的难度，特别是隧洞的施工与过流对船闸高边坡的稳定和平安影响可能很大。设置大规模冲沙隧洞的可行性需要慎重研究。三峡枢纽将船闸和升船机两套通航设施都布置在左侧，对部分引航道的共同利用和通航的管理等方面带来一定的好处，但是，对航道的淤积和往

8、复流的控制那么带来了困难5，6，特别是上游引航道的冲沙，不管三峡工程采用哪种隔流堤布置方案，采用多大的冲沙流量，引航道中都将存在冲沙的“死区，机械挖泥作为辅助措施去除边角等死区的泥沙淤积是必要的。引航道冲沙只能解决主航道线上的淤积问题。转贴于论文联盟.ll.3小流量冲沙的可行性三峡工程上游引航道的控制宽度(139高程以上平均240)比葛洲坝工程三江上游引航道的最小宽度(57高程以上平均250)稍窄，同时，冲沙时航道水深相差很大。三峡工程汛期的水位是汛限水位145，引航道冲沙时的最大水深仅为6；葛洲坝工程作为三峡工程的反调节水库，设计要求它具有3的水位变幅，相应水位为6663，冲沙时的水位一般是

9、66或66.5(1987年后)，按一样的航深要求，葛洲坝工程的最大冲沙水深为9。图1是1995年冲沙前后，葛洲坝三江上引航道进口处的断面。冲沙后过水面积为27812，平均水深达11，大于前面采用的9。三峡工程上引航道的冲沙水深较葛洲坝小1/3。假如假设冲沙开场时航道的淤积厚度同为2，那么三峡航道的水深仅为较葛洲坝的4/7。根据张瑞瑾的挟沙力公式图1葛洲坝三江上引航道进口处冲沙前后过水断面easuredinletsetinsinSanjiangupperapprahfGezhubaPrjetbefre/afterflushingS=ku3/gh(1)式中U是平均流速；h是水深；是泥沙沉速；g=9

10、.81；1.0。由于三峡与葛洲坝相距仅几十公里，三峡引航道的泥沙和葛洲坝引航道的泥沙应该很接近，沉降速度根本一致。而在一样的冲沙流量下，三峡引航道的平均流速是葛洲坝的1.561.82倍，所以，三峡引航道的挟沙才能将是葛洲坝的510倍。对上游引航道而言，三峡工程显然没有必要采用与葛洲坝工程一样的冲沙流量。假如三峡与葛洲坝上游航道按一样的挟沙才能设计，那么由公式(1)三峡工程引航道的冲沙流量为(2)葛洲坝三江航道冲沙流量一般为80003/s，因此，三峡上游航道的冲沙流量大约为40003/s。三峡工程下游引航道的水位可以通过葛洲坝工程控制，冲沙时可以降低。三峡工程下游引航道的宽度为180，口门宽20

11、0，航道底的维护高程为57，汛期最低水位是由葛洲坝水库66控制(约6769)，全年最低通航水位为63；葛洲坝三江下游航道的最小宽度为120，口门宽是150，航道底的维护高程为34.5，全年最低通航水位为39.0。比照之下，葛洲坝工程下游引航道的截面积应该比三峡下引航道小，冲沙条件较三峡工程应该更加有利。但是，由于葛洲坝工程是径流式电站，航道冲沙时机不可能安排在枯水季节，一般须在大江流量大于22000230003/s的时候冲沙，这时，下游河道的水位高于46.5，最大冲沙水深大于12.0。而三峡工程的下游水位是处于葛洲坝工程水库的控制范围以内，汛末可以考虑降低葛洲坝水库水位冲沙。建议三峡冲沙时葛洲

12、坝水库的坝前水位降低到62.5，三峡工程下引航道出口的水位将为6363.5，最大冲沙水深约6.5。冲沙时，三峡工程的最大水深为葛洲坝工程的54.2%；假设冲沙开场时，三峡工程和葛洲坝工程的淤积厚度均为2，那么三峡工程的水深仅为葛洲坝工程的45%。冲沙时三峡的最大过水面积仅为葛洲坝的58.471.1%；在一样流量下，三峡工程下游引航道的挟沙才能是葛洲坝工程的511倍。假设按一样的挟沙才能设计，那么三峡工程下游冲沙流量的规模(3)与(2)根本一致。另一方面，同样用公式(1)的挟沙才能作为衡量标准，冲沙时三峡工程下游引航道挟沙才能指标将高于上游。因此，三峡工程引航道的冲沙流量可按(2)确定。葛洲坝工

13、程从1986年开场，运行水位已到达6666.5。表1给出了1986、1987年三江航道的冲沙流量、水位及效果9。可见，冲沙条件和前面分析的条件是根本吻合的，冲沙效果(特别是下游)也是显著的。虽然上游效果略差，但最大水深都已经超过了分析中假定的9。从葛洲坝工程的设计和现状可以看出，三峡工程引航道冲沙的流量由公式(2)计算是根本上可靠的，故三峡工程可以采取小流量冲沙的方案。由于葛洲坝三江的冲沙流量一般为80003/s，所以，三峡引航道的冲沙流量可以限制在40003/s以内。表1葛洲坝工程三江航道的冲沙情况9bserveddatafflushingfrGezhubanavigatinapprahes

14、时间航道冲沙次数/流量3/s水位冲沙后平均底高程()最大水深淤积量(1043)冲刷量1043冲沙效率%1987上游2/800066.5366.44低于5610.5058.444.676.31987下游2/800046.7746.4434.511.9097.1136.3140.41986上游1/7750800065.625510.62156.796.361.41986下游1/7750800046.234.511.70121.0109.190.1127.5(口门内)转贴于论文联盟.ll.4模型试验及数学模型计算成果清华大学在1120的实体模型上进展了三峡工程下游引航道防淤、减淤和清淤的模型试验10

15、，结果说明在三峡工程引航道的出口水位降低到63的条件下，仅由冲沙闸下泄25003/s的流量就可以到达相当的冲沙效果。后来又在该模型上研究了冲沙流量为3400、3500和40003/s的冲沙情况，冲沙效果是相当可观的。表2给出了冲沙流量25003/s，引航道出口水位63条件下的模型试验结果。除口门区和船闸航道的不过水段(“盲肠段)还有约30万3剩余淤积外，72%的淤积物(包括口门区)被冲走。表2三峡工程下引航道小流量(25003/s)低水位冲沙试验结果10(淤积量单位：1043)SaleddelresultsfflushingfrlerapprahfTGPprjet(Q=25003/s,unit

16、=1043)位置总淤积量升船机航道船闸航道口门区530冲沙前112.311.656.544.2冲沙后31.00.017.413.6注：淤积是运行68年的情况，冲沙时引航道出口水位63，冲沙时间54h下游引航道的冲沙效果与水位的关系是非常明显的，图2是数学模型5计算的冲沙流量为25003/s，冲沙前引航道内淤积50万3的条件下，不同水位的冲沙情况。计算考虑了上游航道冲沙的影响。当下引航道出口的水位在63左右时，冲沙效果十清楚显，但随着下游引航道水位的升高，冲沙效果减少，甚至出现淤积的情况。图2下游航道冲沙效果与水位的关系(Q=25003/s,冲沙前引航道淤积50万3)Flushingeffiie

17、nyfrlerapprahvs.aterstages(Qflush=25003/s)表3上游引航道的实体模型6和数学模型5冲沙试验和计算结果(第58年，淤积量单位：1043)Saled/nuerialdelresultsfflushingfrtheupperapprahfTGP(58thyear,unit:1043)冲沙前冲沙后冲沙效率实体模型58.220.864.3数学模型61.420.366.9上游冲沙是否造成下引航道的大量淤积是汛期能否安排冲沙的关键问题之一。在大水大沙年，三峡上游引航道可能出现碍航淤积，这时上游就必须进展汛期冲沙，而这时下游航道水深很大。从图2可见上游冲沙会在下游引航道

18、发生淤积，但是，淤积的数量是很有限的。关于这一点，在清华大学的1:120的实体模型上进展了汛期上游冲沙对下游航道影响的淤积试验，也得出同样的结论。上游冲沙不会太多地增加下游航道的淤积高程。而汛期三峡的下游水位高于67，引航道内汛期的淤积及上游冲沙产生的附加淤积不会引起下游航道在汛期碍航。对于三峡工程上游引航道，实体模型试验6和数学模型计算5都说明，即使在25003/s的条件下，引航道内部的冲沙效率仍然可以到达65%左右。剩余淤积量主要集中在靠近船闸的航道和船闸取水口周围的深水区。表3是实体模型和数学模型第68年的冲沙试验和计算结果。试验和计算结果还说明，25003/s的冲沙流量稍有偏小，增加一

19、定的流量还可以将效率大大进步。三峡工程如采用小流量冲沙方案，还应该在航道设计中尽量采用节约流量的措施。动床冲刷时，必然出现河槽部分冲深现象(抽槽)而减少整体冲沙效果。葛洲坝工程上游就存在抽槽冲刷的现象。抽槽冲刷既不是通航所需要的，而且也降低了断面的流速，减小有效的冲沙效率，其结果是增大了冲沙设施规模，浪费了珍贵的冲沙水源。因此，建议三峡工程上游引航道考虑必要的护底措施。三峡电厂的水头比葛洲坝大45倍，加上消能和工程上的难度，单位水量冲沙的本钱比葛洲坝大45倍以上。在设计时应尽量考虑节约冲沙流量，增加单位水量的冲沙效果。而在实际运行中，那么应该优先使用在三峡配置的挖泥力量，冲沙设施应放在挖泥不能

20、应付的时候启用。转贴于论文联盟.ll.5以进一步降低水深作为冲沙方案的平安余地由于三峡上下游引航道均处于水库的控制之下，冲沙时引航道的水深可以人为调节。在大水大沙年或由于三峡长时间拦洪导致引航道大量淤积时，可在短期内小幅度降低三峡和葛洲坝的库水位以帮助引航道冲沙。上游引航道冲沙时水位可以降低2，使引航道的最大冲沙水深减小到4。对于三峡下游引航道，由于汛期水位较高，水深大于12，即使有80003/s的冲沙流量也很难到达理想的冲沙效果。所以，下游引航道的冲沙应该安排在汛末葛洲坝水位较低的时候(正常日调节的最低水位62.5)，冲沙时可降低到62。降低水位冲沙系非构造措施，不需要建立投入，仅在必要时使

21、用，它将是经济的方法。关于降低三峡水库的水位，文献11进展了系统分析。三峡水库在汛期有弃水存在，这是可以降低水位冲沙的前提条件。在3040年后当上游引航道需要冲沙时，由于水库自身的淤积，回水曲线抬高，降低2坝前水位产生的影响仅在奉节以下约200k的范围内，弃水量约2亿3，降低和回蓄分别需要的时间为35小时，完全可以适应冲沙的要求。同时，冲沙过程对三峡水库内的重要码头的作业根本上没有影响，对发电和通航的影响也较校小幅度降低三峡水库的水位是可行的。三峡下游引航道处于葛洲坝工程的回水范围以内，降低葛洲坝水位即可以降低三峡下引航道的水位，从而增加冲沙效率。短期降低葛洲坝水库水位可以增加三峡电厂的发电水

22、头，两个电厂的发电总量是不会减少的。根据三峡工程的运行规那么，每年10月1日水库从145开场蓄水，10月底蓄至175高程，31天内蓄水总量221亿3，平均蓄水流量82513/s。根据宜昌站从18771982年的10月平均流量统计，105年中有91年三峡工程扣除蓄水后的下泄流量小于160003/s,在这种流量下从葛洲坝至三斗坪的壅水高度小于0.8。假设10月初冲沙时将葛洲坝的库水位降低到62(比最低库水位低0.5)，87%的年份可以将三峡工程下引航道出口的水位控制在62.8以下。即使当上游流量更大时，三峡水库还可在冲沙过程中多蓄水(蓄水强度大于82513/s)来保证下游水位的降低。有条件的年份1

23、0月初多蓄水对增加发电量是有利的。至于冲沙使用的水量，可以考虑让三峡水库提早半天蓄水来提供。在降低水位冲沙过程中，由于下泄流量及两坝间的水位在很短的时间内大幅度降低，三峡至葛洲坝需断航。然而，也因为两坝间水位的降低，对冲刷其间的淤积(包括三峡下引航道口门外和连接段)，保证汛后通航水深是有好处的。同时，葛洲坝引航道还可以利用这一时机同时冲刷其引航道，以保证葛洲坝上引航道适应三峡日调节要求的62.5通航的航道条件。表4三峡小水深冲沙水力指标及与葛洲坝1987年冲沙试验的比拟parisnsfsallaterdepthflushingfTGPapprahithbservatinsfrGezhubaPr

24、jetin1987工程名称冲沙流量最大平均水深引航到宽度最小平均流速/s挟沙力指标U3/H冲沙效果三峡上游40004.02404.1618.1三峡下游40005.82003.457.07葛洲坝三江上游800010.52503.052.5776.3%表5葛洲坝三江下游引航道19811987历年冲沙情况FlushingfGezhubanavigatinhannelfr1981t1987年份1981198219831984198519861987次数/总时间h2/222/223/292/204/361/102/22屡次平均流量3/s537560006083662562507750-80008000屡

25、次平均水位45.6544.8244.5145.4246.8546.2046.6平均水深11.1510.3210.0110.9212.2611.712.1流速/s2.803.43.573.532.923.943.79U3/H1.963.834.564.032.035.244.52冲沙效率%90.1117.091.6124.598.890.1140.4注1由于淤积主要集中在靠近口门处，故平均宽度按口门尺寸150+2H计算；2屡次平均值指屡次冲沙的平均值，但不包括泄洪冲沙在内。综合上述分析可见，三峡上游引航道在汛期冲沙时，可以小幅度降低三峡水库水位以保证冲沙水深为4左右；下游引航道在汛末冲沙时，可以小幅度降低葛洲坝水库水位，保证冲沙水深小于5.8。在这一条件之下，利用40003/s的冲沙流量可以得到理想的冲沙效果。表4即是在这一条件下，引航道冲沙的水力指标以及与葛洲坝三江上游航道冲沙试验时(1987年)水力指标的比拟，表5是葛洲坝三江下游19811987年冲沙时的水力指标。可见，三峡上下游引航道冲沙时的平均流速和挟沙才能指标均大于葛洲坝的情况。由于葛洲坝三江下游的冲沙效率极高，所以，三峡引航道采用低水位冲沙可以产生很好的冲沙效果。6结论三峡工程运行后期，对航道碍航淤积宜沿用葛洲坝工程的“动水冲沙并结合机械挖泥的方案。但是，三峡不宜照搬葛洲坝工程的冲沙流量规模