三峡枢纽通航水流条件研究

孟祥玮　郑宝友　工秉哲

摘要：为配合三峡工程的可行性论证、初步设计及技术设计阶段的工作内容，对三峡工程通航水流条件进行了大量试验研究工作，先后采用了五座定床正态整体水工模型。研究过程中，结合变态泥沙模型试验成果与 1/100比尺的正态水工模型和坝区数学模型，采用水力学试验与遥控自航船模相结合的方法，研究从水库运用开始到70＋6年中各特定年份淤积地形条件下，各种引航道布置型式的通航水流条件。为决策部门优选通航建筑物布置方案提供了科学依据。

关键词：三峡工程；通航水流条件；模型试验

三峡水利枢纽主体工程建设预计2009年完工。三峡工程建成并按最终正常蓄水位175m运用后，将得到巨大的综合效益。航运方面．可在大坝以上形成600多km的深水航道，彻底改善川江大量险滩和单行航道等碍航部位的通航条件，增加大坝下游枯水流量约2 500m3／s，可提高枯水航深，为上海至重庆通行万吨级船队创造条件。三峡工程坝区河势复杂，年内通航流量变幅大、通航期长，建坝后发生的泥沙淤积，使河势不断发生变化。通航建筑物上下游引航道口门区受弯道约束，水流条件十分复杂，是三峡工程通航的技术关键。

我所1974年成立以来，在“七五”、“八五”和“九五”、“十五”期间，为配合三峡工程的可行性论证、初步设计及技术设计阶段的工作内容，对三峡工程通航水流条件进行了大量试验研究工作，先后采用了五座定床正态整体水工模型。研究过程中，结合变态泥沙模型试验成果与l／l00比尺的正态水工模型和坝区数学模型，采用水力学试验与遥控自航船模相结合的方法，研究从水库运用开始到70十6年中各特定年份淤积地形条件下，各种引航道布置型式通航水流条件。近20年来，为决策部门优选通航建筑物布置方案提供了科学依据。

l 主要工作内容简介

1.1 “七五”期间的主要研究工作

三峡工程永久通航可行性论证阶段，主要研究正常蓄水位150m、175m时船闸的两类布置型式，即连续梯级式和带中间渠道分散式。随着论证工作的深入，研究重点逐渐转入正常蓄水位175m方案。1985年一1990年进行了“七五”国家重点科技攻关项目，三峡工程坝区泥沙及通航条件研究专题的研究，主要有以下几个方面的工作：

(1)施工通航模型试验，对采用明渠与临时船闸和升船机的临时通航措施上下游通航条件进行试验研究。研究表明，采用复式断面的明渠即能保证水流宣泄，又能兼顾通航，同时观测到，渠底高程对流速影响比较明显。临时船闸与升船机上下游，在没有淤积的情况下，均满足通航要求。

(2)三峡工程设中间渠道船闸的中间渠道非恒定流及改善措施试验研究。通过三峡船闸中间渠道非恒定流试验，明确了波高与定点水位变幅的区别，对于行船来说，中间渠道中的波浪只是一种水面升降运动。试验中根据设中间渠道船闸灌泄水的特点，通过对船闸输水系统进出口布置型式的优化研究，改善了船队在渠道中的航行条件和停泊条件。

(3)三峡工程通航水流条件技术标准的试验研究。试验研究了船闸灌泄水非恒定流、电站日负荷变化非恒定流、枢纽泄洪对引航道口门区水流条件的影响。试验表明，临时船闸和升船机的上下游引航道口门区位于缓流回流区，泥沙淤积严重，需机械清淤后方可通航。明确了影响口门区航行条件的主要因素是泥沙淤积、布置型式和地形条件。通过改变下游弯道过渡段和顺直河段的口门位置，以及切除山咀等相应的工程措施，有效地避开了乐天溪口弯道和复杂地形的影响，解决了弯道过渡段布置引航道口门的问题。

1.2 “八五”、“九五”期间的主要研究工作

1991年开始进行“八L五”国家重点科技攻关项目：三峡工程坝区泥沙淤积对通航和发电的影响及防治措施优选研究专题，三峡工程坝区通航水流条件与通航建筑物布置优化研究子题。在“七五”科技攻关研究的基础上，先后对通航建筑物初步设计阶段原布置的“小包长堤”方案以及无堤方案和技术设计阶段的660米短堤方案、“大包”方案的引航道及其口门区、连接段的通航水流条件、泥沙淤积和往复流进行了试验研究，给出了各方案在各个运行期的试验成果。

初步设计阶段通航建筑物引航道的布置是：船闸上游引航道为小包长堤方案(堤长2 113m)。升船机上游引航道无堤，下游与五级船闸共用引航道，出口于坝河口上游450米处。试验结果表明，初步设计通航建筑物上下游引航道布置方案，空库时水流条件较好，淤积平衡阶段则难以满足大流量的航行要求。

技术设计阶段通航建筑物布置方案研究，以上游通航水流条件为重点，上游又以大包方案为重点，同时也进行了无堤方案、660m短堤方案的试验。大包方案的布置型式，是在小包长堤的基础上，将船闸上游导航隔流堤坝前段右移到升船机右侧，从升船机上闸首右侧用导航隔流防淤堤与主流隔开,并向上延长与船闸隔流防淤堤上段相连(全长约2 700m)。

试验表明：①10年淤积地形，船闸上游引航道无堤、短堤方案，在Q≥56 700m3／s条件下，航线上横向流速超标，流态差，难以满足通航要求，升船机上游航道也难以满足通航要求。②30+2年淤积地形，上游引航道大包方案引航道口门区及连接段，在Q≥56 700m3／s条件下，水流条件不满足通航要求。③50+4年淤积地形，上游引航道大包方案引航道口门区及连接段，只在流量≤35 000m3／s时，流速流态基本满足通航要求。

针对上、下游引航道口门原布置方案存在的问题，提出了建议方案的布置型式。即采用避开主流、适应河势变化的方法，将大包方案堤头左移50m，从太平溪以下的庙岭和九岭山两处开挖航道与引航道口门相连。将下游引航道隔流堤延长2 200m，口门区延长至茅坪沱附近，并修正左岸边滩，保持航行宽度和水深。在各级通航流量、各运行阶段，上下游引航道口门区及连接段的流态均较好，流速较低，可以满足万吨级船队安全通航的要求。

1998年开始进行“三峡工程坝区通航水流条件试验研究”及“枢纽泄洪及船闸灌泄水引航道内非恒定流对通航水流条件的影响及改善措施研究”，根据1996年5月三峡工程航运与泥沙专家组联席会议决定，进一步完善三峡工程通航建筑物上游引航道布置方案，着重研究通航建筑物上游引航道全包方案口门区及其与航道连接段的通航水流条件，提出上游引航道优化布置方案。全包方案是在大包方案的基础上，将防淤隔流堤进一步右移，与临时船闸右侧导航墙连接(全长约2 700m)，将临时船闸包围在引航道内，利用临时船闸改建的冲沙闸，冲上游引航道淤泥。试验采用30+2年、50+4年及70+6年淤积地形进行。试验表明：①上游引航道全包方案：升船机上游及船闸上游引航道的水流条件有所改善，但口门位置和方向未变，同初设方案一样，口门区和连接段的横向流速超标，存在影响航行的不良流态，不满足通航要求。②上游引航道全包优化布置方案，即将上游引航道导航隔流防淤堤堤头左移50m，口门方向左偏，口门区及其与航道连接段避开主流区，沿左岸缓流区，开挖九岭山和庙岭的山腰，在太平溪口与主航道相连，有效地解决了口门区及连接段的水流条件，在各级通航流量均满足各类船舶安全通航要求。

双线船闸上游引航道的非恒定流研究表明：上游引航道全包布置方案，在三峡枢纽建成投入运行的30年中泄洪对引航道内水流特性变化影响不大，但30年后，由于河势演变，蛋子石和九岭山绕流引发的主流摆动加剧，恶化了口门区和引航道内水流条件，从而进一步明确了引航道通航条件的影响因素。大包或全包方案结合上游引航道口门位置优化，较好地解决了船闸输水系统进水口和升船机上游引航道的泥沙淤积与通航水流条件，解决了引航道内防漂以及引航道内往复流对停泊船舶系缆力等的影响，结合在导航堤根部开口的措施，可基本解决升船机的允许水位波动问题。

1.3 “十五”以来的主要研究工作

2000年3月一2001年9月进行“三峡枢纽通航建筑物引航道口门区、连接段船模航行条件及改善措施试验研究”。应用1:]00正态水工模型，进一步研究504-4年和70+6年淤积河势引航道口门区及连接段的通航水流条件。对上游航道着重研究九岭山附近航行条件，下游着重研究鹰子嘴附近新

建重件码头造成连接段航线偏移对航行的影响，并提出改善措施。

在上游引航道全包方案基础上优化的方案布置比较合理，口门区和连接段均避开了主流的影响。枢纽运行至50十 4年和70+6年，各级通航流量下口门区和连接段的水流条件均满足船队航行要求。下游优化方案引航道口门区的通航水流条件也较好，能够满足船队安全航行要求。但连接段航道的通航水流条件没有得到根本改善。当流量在45000m3／s以上时，因下游连接段航道尾段纵向流速大，船队无法自航上行；对于下行船队来说，当流量为56 700m3/s时，因连接段纵、横向流速大而操控困难，三、六、九驳船队通过连接段时，均无法保证航行安全。

根据三峡工程初步设计，三峡水库只在非汛期进行日调节。初步设计过程中，对于枯水季日调节非恒定流对航行条件的影响进行过大量研究和分析工作，重点在三峡大坝与葛洲坝水利枢纽之间的38km河道。结果表明，日调节情况下，船队可以在两坝间正常航行。为了充分发挥三峡工程的综合

效益，要求电站在汛期进行日调节，为电力市场提供高质量的电能。三峡水库运行有如下特性：汛期水位低(145m)，来水量大；非汛期库水位高(175m)，电站水头较大，来水量小。对于河道型水库，在相同的水电站调度曲线条件下，水深越小，上、下游河道水位的振荡就会越大。为了工程安全，2002～ 2003年进行了50十4、70+6年地形条件下的库区汛期日调节试验，重点研究汛期日调节流量变化对上游引航道及口门区通航水流条件的影响。试验对主河道、船闸引航道及门门区的水位变化规律进行了研究，分析了大坝起始下泄流量、电站调节流量、调节时间等因素对波动幅度的影响。

通过近两年的试验研究，在三峡枢纽库区淤积平衡地形起始过坝流量小于24 600m3／s的试验条件下，得到以下认识：

三峡工程电站汛期日调节，在机组2min开启或关闭时的控制条件是口门区右侧航线的横流和船闸与升船机前的波高超标。上游水位变幅、口门区最大横流均与调节流量成比例关系，与基础流量及电站机组开关时间(不大于6min)关系不大。电站机组分批错开一段时间运行，可以有效的控制口门区横向流速。设计日调节方案所有运行工况靠船墩比降均满足标准，9驳船队纵向系缆力不超标。双闸灌水与电站开启同时进行，对船闸前波高及口门区流速有减小作用。双闸灌水与电站关闭同时进行，对船闸前波高及口门区流速有大幅度增加作用。

采用圣文南方程组建立三峡库区日调节通航水流条件一维数学模型，利用三峡枢纽淤积平衡地形日调节物理模型试验成果对数学模型进行验证，预报了24h日调节水位流速过程和水库运行初期日调节非恒定流对上游引航道通航条件的影响。研究表明，24h日调节过程中，流量变化的时候，上游

引航道通航水流条件最不利。水库运转初期，日调节(最大调节流量7 200m3／s)时船闸前的波高只有0.29m，口门处平均流速约0.3m／s，对航行的影响很小。30+2年地形，水流条件基本处于临界状态。30+2年以后，随着淤积年份增加，日调节通航水流条件逐渐恶化。

2 科学研究的方法与采用的仪器设备

(1)建立了l／100三峡枢纽模型，范围包括三峡大坝上游17km、下游15km河道，模拟枢纽不同运行阶段，不同淤积地形条件下的水流状况，并结合遥控自航船模进行试验，为通航流条件研究提供了基础设施。大比尺模型保证了水流条件测量精度。大范围模型保证了枢纽库区复杂水流现象的真

实预演。而动床模型与水工模型的结合，则既能可靠地获得枢纽不同运行年的淤积状态，又能比较准确地模拟各种水流现象。单纯的水力学参数观测不能够完全反映船舶(队)的航行条件和航行状态。因此，在三峡工程通航水流条件研究中，引进了遥控自航船模航行试验。船模航行试验具有直观快速的特点，结合水流条件观测，可对航行条件进行综合评价。

(2)试验仪器设备是试验正常进行的基本条件。试验工作与时俱进，不断跟踪测量仪器发展的最新技术。在模型上采用了一系列先进可靠的仪器设备，包括高精度的恒定流、非恒定流自动控制和监测系统；水位、流速、系缆力、自动采集系统 (其中水位用超声波传感器测量，可以达到水工测针相同的精度)；还有闸位自动控制仪，船模航行摄像测量系统等。这些仪器大部分是根据试验具体要求开发研制的，保证了三峡枢纽通航水流条件试验的测量精度和成果质量。

(3)研究过程中，为了提高试验成果质量，进行了多方面的努力。实验方法上，把影响通航条件的各种因素，如大坝泄洪、电站运行、船闸灌水等，分别进行考虑，对水流条件的变化规律有了清楚的认识。

(4)日调节试验中，开发了日调节非恒定流试验配套应用程序，在电厂阀门开启时间长，模型进口反射的波动影响正常数据采集情况下，用电动调节阀改变进门流量以消减波动反射，达到了延长试验时间提高工作效率的目的。

(5)数据处理分析方面。自动化程度越来越高，根据需要开发了大量的应用程序。对提高科研质量和试验精度具有重要意义。

(6)在三峡通航水流条件研究中大量应用厂数学模型进行计算。先后应用的数学模型有三峡枢纽设两级船闸中间渠道方案涌浪数值模拟；三峡工程船闸灌水上游引航道内水力特性数值模拟；三峡库区河势演变与水流动力特性变化对通航水流条件的影响数值模拟等。数学模型作为对物理模型试验的补充，发挥了重要作用。

3 三峡枢纽通航水流条件研究的主要成果

(1)通过对三峡工程设中间渠道内非恒定流试验，提出了能反映对航运影响的表征非恒定流特性的水力参数，深入研究了中间渠道内非恒定流的各种影响因素，为优化引航道及船闸进出口布置型式提供了科学依据。

(2)通过不同淤积地形条件下的枢纽上下游水流条件试验，提出了三峡工程通航水流条件技术标准供工程使用。

(3)明确了引航道口门区航行条件的影响因素是泥沙淤积、工程布置型式、地形条件以及船闸灌泄水非恒定流、大坝泄洪在引航道内形成往复波流、水库洪水调度非恒定流和电站日调节产生的非恒定流等。

(4)在国内外首次提出并通过深入研究解答了因坝上游河势改变、流速加大引发的引航道内往复流的生成机理和改善措施及途径。要减弱引航道内的往复流必须从引航道布置着手，减弱引航道口门外的流速，改善流态。这项成果对三峡工程通航建筑物布置有重大实际意义，对推进引航道内往复流的研究也有重大的理论价值。

(5)三峡水利枢纽通航建筑物上下游引航道口门区及连接段的通航水流条件研究取得突破性进展。采用避开主流，适应河势变化的建议，通航建筑物上下游引航道口门区及连接段布置，根本性的改善了水流条件。在各级通航流量、枢纽各运用阶段的流速流态和往复流引起的波高等均减弱到允许

值以下，满足万吨级船队和各类船舶安全通畅过坝的航行要求，特别是解决了难度很大的位于弯道河势的上千游引航道连接段的通航水流条件问题。

(6)在上下游通航水流条件研究过程中，对主航道与口门区之间的过渡段航道通航条件的认识逐步加深，明确了引航道连接段的概念，认为连接段的通航水流条件标准应该介于主航道与口门区的标准之间，最好辅以船模航行试验。

(7)三峡工程汛期日调节对上游通航水流条件影响的试验研究，揭示了三峡电站日调节非恒定流在坝上河道型水库形成及传播规律及其对通航深、口门区流速、船闸前波高等水流条件的影响，为水库日调节合理的运行方式提供了科学依据。

(8)有关三峡工程通航水流条件研究的经验已经汇入《通航建筑物水力学模拟技术规程》(天科所主编)，为推动通航水力学技术发展做出了贡献。

4 几点建议

(1)根据模型试验，三峡通航建筑物上游引航道全包方案在枢纽建成后的头几十年，在设计通航流量条件下满足航行标准要求。而达到淤积平衡地形以后，在流量超过45 000m3/s，上下游口门区以外的连接段水流条件会超标。因此今后应该从水库运转实际的淤积情况以及船型船队改进等方面

入手，继续进行通航水流条件研究。

(2)三峡工程已经开始蓄水发电，有关水库及电站调度方面还有许多工作要做。三峡水库运用初期汛期日调节对通航水流条件的影响等课题，还需要进一步研究。研究范围应该包括坝上、两坝间以及葛洲坝以下的航道。

(3)三峡五级船闸已经建成通航，应该继续研究改善船闸运转条件的措施，包括加快船舶安全过闸的条件，以及引航道内的波动对首、末级人字门的动水作用等。

(4)三峡升船机主要用于客轮快速过坝，是世界上规模最大，难度最高的升船机。升船机的建设势在必行。而建立升船机的运转模型，进行过船试验，对承船厢内泊稳、引航道的波动等一系列问题进行研究，是确保升船机万无一失的必要手段。通过试验可对三峡升船机的运转安全及水力学问题进行综合评价，为交通部门提出指导性意见。

(5)随着工程进展，对问题本质的认识不断深入，对研究采用的技术、理论、试验手段等也不断提出新的要求。因此应该对试验设备、水力学基础理论进行相应的研究。这对于提高科研水平，保证工程质量具有重要意义。