三峡水库永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化

三峡水库永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化

沙区是三峡的一个重要技术问题。峡谷永久性开放状态下的泥沙沉积关系到峡谷的通航问题。在三峡工程论证期,中国水利水电科学研究院、长江科学院、南京水利科学研究院、武汉大学和清华大学等多家科研单位曾对该问题进行了大量的实体模型试验和平面二维数学模型计算,如引航道口门位置建议方案坝区泥沙模型试验研究、引航道防淤减淤措施研究、引航道非恒定流及泥沙淤积数学模型计算等,为三峡工程永久船闸的安全运行提供了科学的技术支持。目前三峡水库实现135m蓄水运行和永久船闸通航已近3年,结合原型观测资料和模型试验成果,分析这3年来船闸下游引航道泥沙淤积情况,总结淤积原因和规律,对于其泥沙淤积的认识、清淤时机和清淤措施的选择都是非常必要的。1发酵阶段2002年7月10日2003年6月,三峡水库实现了135m蓄水、发电、航运三大目标。水库蓄水及运用调度大致有几个阶段:2003年4月10日临时船闸封堵,水库进入自然蓄水,5月25日水库正式下闸蓄水,6月10日坝前水位蓄至135m,11月初蓄至139m,6月18日双线五级船闸进行试通航,7月10日实现首台机组并网发电。2003年6月10日以后按枯季139m、汛期135m运行。1.1峡水库生长情况长江三峡水文水资源勘测局的资料表明:天然时期,长江水量丰沛,含沙量不高,由于径流量大,使泥沙输移量亦较大。对于葛洲坝水库,在其蓄水前,宜昌站(距葛洲坝下游6km)多年平均径流量为4465亿?m3(1877-1980年),多年平均流量为14100m3/s,多年平均输沙量为5.15亿t。葛洲坝蓄水后,多年平均径流量为4353亿?m3(1981-2002年),多年平均流量为13800m3/s,多年平均输沙量为4.59亿t。三峡水库蓄水前后,坝区(以坝下12km的黄陵庙站统计)径流量年内分配与多年平均基本相似。5～10月年径流量占全年来水量的80%左右,其中主汛期7～9月份径流量占全年来水量的50%左右,枯期1～4月份及11～12月份来水量占全年的20%左右。2003年径流量为4098亿?m3,比多年平均值偏小8%;2004年为4141亿?m3,比多年平均值偏小7%;2005年径流量为4594亿?m3,比多年平均值大3%。1.2峡水库输沙量分配三峡水库蓄水前(1950-2002年),宜昌站95%以上悬移质泥沙集中在汛期5～10月份,主汛期7～9月份输沙量占全年72%以上,7月份输沙量最大,占年输沙量的28%以上,枯期来沙量占全年的5%左右。三峡水库蓄水后,坝区输沙量年内分配有一定变化,汛期来沙量所占的比例有所提高,汛期5～10月份输沙量占99%,主汛期7～9月份输沙量占全年87%以上,说明来沙更集中于汛期。三峡水库蓄水后,来沙量已大幅度减小。黄陵庙站2003年、2004年、2005年年输沙量分别为0.886亿t、0.636亿t、1.03亿t,分别比多年平均值减小80%、87%、78%。2现行年—下引航道及口门区淤积与清淤三峡工程永久船闸下游引航道平面形势如图1所示。下游引航道全长2.71km,包含永久船闸引航道及升船机引航道,口门区约0.75km。其中永久船闸设计底宽180～220m,设计底高程56.5m。其中永久船闸、冲沙闸及升船机的共用引航道长约1.85km。三峡水库蓄水后,永久船闸下引航道及口门区的泥沙淤积主要受上游来水来沙、水库调度和清淤的影响,其统计情况见表1。各年具体情况分述如下:(1)2003年汛期(船闸竣工至2003年9月),永久船闸下引航道(船闸出口～LS23,长2.7km)处于淤积状态,共计淤积了22.50万?m3,淤积率为8.33万?m3/km;下引航道口门区淤积量为27.53万?m3,淤积率为34.41万?m3/km;2003年9月至10月口门区清淤24.68万?m3。(2)2004年2003年11月4日～2004年10月30日,下引航道六闸首～航道口门段淤积量较少,仅为10.05万?m3;下引航道口门区淤积量也很少,拦门沙坎形成缓慢,共淤积8.36万?m3;2004年9月17日至10月27日共清淤了8.28万?m3。(3)2005年2004年10月30日～2005年9月22日,下引航道六闸首～航道口门段淤积量为36.81万?m3;汛末清淤了28.41万?m3。下引航道口门区淤积量为11.65万?m3;2005年9月22日～12月17日共清淤了12.68万?m3。由上述数据可知,蓄水运用3年来,尽管三峡水库蓄水后坝下游含沙量大幅减少,但下引航道及口门区总淤积量仍达到116.90万?m3,平均每年淤积38.97万?m3;其航道内69.36万?m3,每年平均淤积23.12万?m3;口门区47.54万?m3,每年平均淤积15.85万?m3。3年总计清淤量为74.05万?m3,尤其下口门区拦门沙淤积减少航深,在每年汛末清淤约15.0万?m3,图2为2003年清淤前后(2003年5月～2004年3月)的下口门区拦门沙坎主轴断面的演变图。3以下是对航道和门的聚集动力学的分析3.1峡水库设施影响拦门沙坎高程演变根据水文泥沙监测表明,下引航道口门区存在拦门沙淤积现象,尤其在长江主汛期,随着水流含沙量加大,拦门沙坎的发育较快。如蓄水前1998年长江大洪水期间,拦门沙坎高程最高达70.6m,在汛期进行了近10次清淤,以满足通航要求。三峡水库蓄水后,由于出库沙量大幅减少,拦门沙坎高程也相应降低一些,根据每年清淤前的地形监测表明,2003年、2004年、2005年拦门沙坎高程分别为64.2、63.4、63.7m。根据1998-2005年实测水沙资料(表2),建立拦门沙淤积高度与来(出库)沙量的关系,如图3所示。由此可得出下列公式:Η=6.67Q0.42S(1)H=6.67Q0.42S(1)式中H为拦门沙坎的淤积最大高度(以航道底高程58.03m起算);QS为累积输沙量,亿t。根据式(1),模拟蓄水后2003-2005年拦门沙坎高程演变过程,如图4所示。其最大拦门沙坎高程分别为64.3、63.5、64.8m,3年均在9月10日左右拦门沙坎达到最大高程。3.2长江下引航道泥沙及流场三峡工程引航道泥沙淤积事关长江通航命脉,在工程论证阶段的研究认为:引航道内的泥沙淤积有异重流淤积、往复流(由船闸充泄水引起)淤积和水位升降(水库调度等引起)淤积三种;引航道口门区淤积以回流和缓流淤积为主。由于三峡永久船闸泄水直接排入长江,消除了下引航道的往复流现象。因此,当长江水位平稳时,下引航道内水域为静水区;当长江水位上升时(如长江涨水或水库电力调峰调度等),长江浑水水体倒灌进入引航道,由于异重流输沙是超饱和输沙,沿程将不断发生淤积;当长江水位下降时,下引航道则不断析出低含沙水体。下引航道与长江连接的口门区,根据原型水文观测调查表明存在平面环流流场,如图5所示。因受隔流堤头影响,长江水流在口门区形成斜流、横流、回流、缓流等复杂流态,将长江浑水水流带入口门静水区,较粗的泥沙在口门区动静水斜向交界处落淤,即形成拦门沙淤积;较细的泥沙进入下引航道形成航道内倒灌异重流淤积。3.2.1灌异重流cd的含沙量沿程衰减规律实测资料表明,下引航道含沙量沿程分布呈递减趋势如表3所示。由该表可知,下引航道内含沙量的计算与实测很接近,说明航道内服从倒灌异重流的含沙量沿程衰减规律,可表示为CS=CS0e-0.000?613X(2)CS=CS0e−0.000?613X(2)式中CS为异重流沿X衰减后的含沙量,kg/m3;CS0为异重流潜入点的含沙量,kg/m3。表3计算结果还表明,LS24处于口门区,若以LS24含沙量计算口门LS23的含沙量,则偏大较多,且流量越大偏大值越多,这也证明了口门区含沙量受平面环流的影响。3.2.2口门区泥沙排水及修正引入韩其为研究异重流的倒灌淤积理论,分析下引航道的淤积机理。描述异重流倒灌淤积,主要有异重流的倒灌长度、倒灌流量及含沙量衰减和淤积分布等。浑水潜入下引航道的异重流流速、异重流流量、含沙量衰减、倒灌长度、异重流淤积等,主要计算公式如下:U1=0.45√ηggh1(3)Q=Q0e-β?X(4)CS=CS0e-αωV0X(5)L=1.13h1J0+0.000?926(6)ΔG=αωV01+αωV0Q0CS0[1-e-(1+αωV0)βX](7)U1=0.45ηggh1−−−−−√(3)Q=Q0e−β?X(4)CS=CS0e−αωV0X(5)L=1.13h1J0+0.000?926(6)ΔG=αωV01+αωV0Q0CS0[1−e−(1+αωV0)βX](7)式(3)～式(7)中ΔG为异重流倒灌时沿程减少的输沙率;U1为异重流流速;ηg为重力修正系数;g为重力加速度;h1为异重流深;Q为异重流衰减后流量;Q0为异重流在潜入点的流量;ω为泥沙沉速;α为含沙量恢复饱和系数;J0为航道底坡;V0为异重流上升速度,V0=β?Q0/b0,其中b0为异重流潜入点宽度,β为根据实测资料确定的待定系数,根据韩其为的推导,β=4.605/L,L为异重流倒灌长度。根据上述理论对2003-2005年的下引航道及口门区泥沙淤积进行验证计算,采用逐日计算累加的方法,其主要步骤如下:(1)计算潜入点的含沙量由黄陵庙站资料根据相关关系推求,如图6所示,其公式如下:CSLS23=0.27C0.62S黄(8)CS拦=0.68C0.80S黄(9)式中CSLS23为口门断面平均含沙量;CS拦为口门区拦门沙淤积区断面平均含沙量;CS黄为长江黄陵庙站断面平均含沙量;单位均为kg/m3。(2)计算潜入点水深对口门区,因受口门区拦门沙淤积,潜入点底高程随来沙量不断淤高,水深变浅,对异重流淤积计算产生影响,计算采用式(1)逐日修正潜入点水深。(3)计算潜入点流速口门区平面环流主要受斜流影响,经实测表明口门区斜流与航道约呈20°夹角,其斜流产生的横向输沙水流,是口门拦门沙淤积的动力源。为描述横向水流的大小及变化过程,并对异重流流速进行修正,根据实测资料,建立口门区平均斜流流速与长江流量的关系,如图7所示,则口门区平均横向水流流速可按下式计算:V拦=2×10-5Q0.895sin20°(10)经验算,式(10)计算结果明显大于式(3),这说明口门区除异重流输沙外,还存在平面环流输沙。因此,采用横向流速来修正倒灌异重流流速是必要的。(4)计算倒灌长度下引航道底坡约1ue018,按式(6)计算平均倒灌长度约7.5km。(5)计算淤积量计算结果见表4,计算值与实测量符合较好,2003-2005年度淤积过程如图8所示。4泥沙监测结果三峡水库在135m水位下已运行3年,其出库沙量分别为0.886亿t、0.636亿t、1.03亿t,比多年平均值减小80%左右。蓄水运用3年以来,下引航道总淤积量116.90万?m3,平均每年淤积38.97万?m3。其中航道内69.36万?m3,平均每年淤积23.12万?m3;口门区47.54万?m3,平均每年淤积15.85万?m3。3年总清淤量为74.05万?m3,其中,2003年清淤24.68万?m3(口门区),2004年清淤8.28万?m3(口门区),2005年清淤28.41万