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三峡工程引航道冲沙流量的合理规模

　　摘要：本文系统比较了三峡工程与葛洲坝工程的具体条件，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4000m3/s的范围以内，就可以达到很好的冲沙效果；如果冲沙时进一步考虑小幅度降低水库水位，则尚可以进一步降低冲沙流量或增加冲沙效果。降低水位冲沙系非结构措施，可以作为今后运用中的安全余地。本文建议，三峡工程采用4000m3/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验和三峡工程的泥沙研究成果[1～4]，在工程运用后期，坝区的泥沙淤积将会比较严重，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2500m3/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，到后期上下游引航道的碍航淤积量均在100万m3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”已经被实践证明为成功的经验，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”的规模应该根据其具体情况分析来决定。
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，在具体分析了三峡工程的有利条件的基础上，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”，引航道冲沙设施规模控制在4000m3/s的范围以内，就可以达到很好的冲沙效果。如果进一步考虑降低水库水位等非结构措施，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较
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别，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具体条件进行具体分析。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”措施时是根据下列三个客观条件，即：
1)长江属于年平均泥沙浓度略大于1kg/m3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较，在条件上存在很大的差别。这些差别是由于工程的规模，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m3库容，允许上百亿m3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100～130年才能达到初步的冲淤平衡，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，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亿m3，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145m水位时，电厂满发需要的流量大约为22000m3/s，在每年9月需要冲沙时，长江平均来流量仅27500m3/s，虽然存在一定的弃水，但弃水量已经很小。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经济比较加以合理地确定。如果冲沙流量太大，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，其建设投资是必须认真考虑的因素。而且，如果冲沙设施的规模象葛洲坝工程一样，达到8000～10000m3/s的流量，则由于水头高，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安全影响可能很大。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，对航道的淤积和往复流的控制则带来了困难[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清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。
　　3 小流量冲沙的可行性 三峡工程上游引航道的控制宽度(139m高程以上平均240m)比葛洲坝工程三江上游引航道的最小宽度(57m高程以上平均250m)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145m，引航道冲沙时的最大水深仅为6m；葛洲坝工程作为三峡工程的反调节水库，设计要求它具有3m的水位变幅，相应水位为66～63m，冲沙时的水位一般是66m或(1987年后)，按相同的航深要求，葛洲坝工程的最大冲沙水深为9m。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2781m2，平均水深达11m，大于前面采用的9m。三峡工程上引航道的冲沙水深较葛洲坝小1/3。如果假设冲沙开始时航道的淤积厚度同为2m，则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 式中 U是平均流速；h是水深；ω是泥沙沉速；g=；m≈。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，沉降速度基本一致。而在相同的冲沙流量下，三峡引航道的平均流速是葛洲坝的～倍，所以，三峡引航道的挟沙能力将是葛洲坝的5～10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相同的冲沙流量。如果三峡与葛洲坝上游航道按相同的挟沙能力设计，则由公式(1)三峡工程引航道的冲沙流量为葛洲坝三江航道冲沙流量一般为8000m3/s，因此，三峡上游航道的冲沙流量大约为4000m3/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180m，口门宽200m，航道底的维护高程为57m，汛期最低水位是由葛洲坝水库66m控制(约67～69m)，全年最低通航水位为63m；葛洲坝三江下游航道的最小宽度为120m，口门宽是150m，航道底的维护高程为，全年最低通航水位为。对比之下，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22000～23000m3/s的时候冲沙，这时，下游河道的水位高于，最大冲沙水深大于。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坝水库的坝前水位降低到，三峡工程下引航道出口的水位将为63～，最大冲沙水深约。冲沙时，三峡工程的最大水深为葛洲坝工程的%；假设冲沙开始时，三峡工程和葛洲坝工程的淤积厚度均为2m，则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～%；在相同流量下，三峡工程下游引航道的挟沙能力是葛洲坝工程的5～11倍。若按相同的挟沙能力设计，则三峡工程下游冲沙流量的规模与(2)基本一致。另一方面，同样用公式(1)的挟沙能力作为衡量标准，冲沙时三峡工程下游引航道挟沙能力指标将高于上游。因此，三峡工程引航道的冲沙流量可按(2)确定。 葛洲坝工程从1986年开始，运行水位已达到66～。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基本吻合的，冲沙效果(特别是下游)也是显着的。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9m。 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)计算是基本上可靠的，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8000m3/s，所以，三峡引航道的冲沙流量可以限制在4000m3/s以内。表1 葛洲坝工程三江航道的冲沙情况［9］Observed data of flushing from Gezhouba navigation approaches时间航道冲沙次数/流量水位冲沙后平均底高程(m)最大水深淤积量(104m3)冲刷量冲沙效率1987上游2/8000低于561987下游2/80001986上游1/7750～8000551986下游1/7750～8000(口门内)
　　4 模型试验及数学模型计算成果 清华大学在1∶120的实体模型上进行了三峡工程下游引航道防淤、减淤和清淤的模型试验[10]，结果表明在三峡工程引航道的出口水位降低到63m的条件下，仅由冲沙闸下泄2500m3/s的流量就可以达到相当的冲沙效果。后来又在该模型上研究了冲沙流量为3400、3500和4000m3/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2500m3/s，引航道出口水位63m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m3剩余淤积外，72%的淤积物(包括口门区)被冲走。注：淤积是运行68年的情况，冲沙时引航道出口水位63m，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是数学模型计算的冲沙流量为2500m3/s，冲沙前引航道内淤积50万m3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63m左右时，冲沙效果十分明显，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。 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，这时上游就必须进行汛期冲沙，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的实体模型上进行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67m，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，实体模型试验和数学模型计算都表明，即使在2500m3/s的条件下，引航道内部的冲沙效率仍然可以达到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。试验和计算结果还表明，2500m3/s的冲沙流量稍有偏小，增加一定的流量还可以将效率大大提高。 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，必然出现河槽局部冲深现象(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，浪费了宝贵的冲沙水源。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4～5倍，加上消能和工程上的难度，单位水量冲沙的成本比葛洲坝大4～5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，则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应付的时候启用。
　　5 以进一步降低水深作为冲沙方案的安全余地 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2m，使引航道的最大冲沙水深减小到4m。对于三峡下游引航道，由于汛期水位较高，水深大于12m，即使有8000m3/s的冲沙流量也很难达到理想的冲沙效果。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)，冲沙时可降低到62m。降低水位冲沙系非结构措施，不需要建设投入，仅在必要时使用，它将是经济的办法。 关于降低三峡水库的水位，文献[11]进行了系统分析。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30～40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2m坝前水位产生的影响仅在奉节以下约200km的范围内，弃水量约2亿m3，降低和回蓄分别需要的时间为3～5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基本上没有影响，对发电和通航的影响也较小。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则，每年10月1日水库从145m开始蓄水，10月底蓄至175m高程，31天内蓄水总量221亿m3，平均蓄水流量8251m3/s。根据宜昌站从1877～1982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16000m3/s,在这种流量下从葛洲坝至三斗坪的壅水高度小于。若10月初冲沙时将葛洲坝的库水位降低到62m(比最低库水位低)，87%的年份可以将三峡工程下引航道出口的水位控制在以下。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8251m3/s)来保证下游水位的降低。有条件的年份10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前半天蓄水来提供。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通航的航道条件。 2 多次平均值指多次冲沙的平均值，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4m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。在这一条件之下，利用4000m3/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)水力指标的比较，表5是葛洲坝三江下游1981～1987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能力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。 本文比较了三峡与葛洲坝工程引航道的条件，结合数学模型和实体模型的成果，定量地提出了三峡工程可以采取小于4000m3/s的冲沙流量规模。 同时，由于三峡上下游引航道均处于水库的控制范围内，可以小幅度降低水库水位以增加冲沙强度。但是，又由于三峡今后的运行条件极为复杂，为安全计，建议将降低水位的非结构措施作为冲沙设施的安全余地，以确保引航道的畅通。
　　1 王桂仙等。三峡工程坝区泥沙模型试验研究报告(永久船闸引航道设隔流堤方案).长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第1卷337～404页。2 梁中贤等。三峡工程坝区泥沙模型试验研究报告—技术设计阶段成果。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第1卷91～155页。3 孔祥柏等。三峡工程初步设计船闸上游缓建隔流堤方案坝区泥沙模型试验研究报告。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第1卷254-315页。4 周建军。长江三峡工程坝区二维泥沙数学模型计算研究报告。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第1卷575～624页。5 周建军。三峡工程上游引航道不恒定流与泥沙淤积及上下游冲沙数学模型计算研究。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第2卷1347～1379页。6 王桂仙等。三峡工程通航建筑物全包方案试验研究报告。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第2卷1280-1346页。7 张瑞瑾。葛洲坝水利枢纽工程的泥沙问题及其解决途径。中国水利，1981第4期。8 周建军。向家坝水库淤积计算成果。清华大学水利水电工程系，1995年12月。9 王巧。葛洲坝枢纽蓄水运用以来及水位抬高至米后坝区引航道泥沙问题研究。葛洲坝水利枢纽科研成果汇编(上册).长江科学院，1992年7月。10周建军。三峡枢纽下游引航道防淤减淤措施的试验研究。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集。专利文献出版社，第1卷656～680页。11周建军。三峡工程上游引航道低水位冲沙方案研究-水库不恒定流分析。泥沙研究，1999年