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1、1三峡工程上引航道低水位冲沙方案研究- 水库不恒定流分析摘要：本文利用一维不平衡输沙及不恒定流数学模型，针对三峡水库 1130 年的各种淤积状态，研究了坝前水位降低 2m 冲沙所引起的水库泄水和充水的不恒定流。文中首先给出了三峡水库 1130 年淤积的计算结果。淤积成果与前人的研究成果基本一致。在此基础上分别给出了不同淤积年份中,坝前水位降低 2m 冲沙和恢复正常水位需要的时间、排水量、下泄洪水过程、水库沿岸水位变幅以及对三峡发电水头的影响。研究表明三峡采鹊低水位冲沙的方案是可行的。由于小幅度降低水位冲沙可以缩小冲沙设施的规模及减少工程投资和技术上的困难，该方案具有明显的优点。 关键词：三峡工
2、程 引航道 泥沙淤积 动水冲沙 1 前言三峡工程上引航道的泥沙淤积在水库运行 30 年后将逐步加剧，到 50 年以后，最大年淤积量将超过 200 万 m31，而且，由于泥沙淤积主要集中在汛期大洪水的时候，大水大沙年高强度淤积将是机械挖泥所难以胜任的。因此，三峡工程引航道应考虑布置有效的冲沙设施，以确保通航条件的满足。葛洲坝的长期运行经验证明，采取“静水通航，动水冲沙”的策略解决通航与泥沙淤积的矛盾是正确的。葛洲坝在大江和三江引航道都布置了相当规模的冲沙闸，大江航道的泄洪冲沙流量为 15000m3/s,三江航道的冲沙流量为 8000m3/s2。这一规模的冲沙设施不但保证了上下游引航道的畅通，而且
3、也为葛洲坝增加了可观的2泄洪能力。 “静水通航，动水冲沙”的原则对三峡引航道也是适用的。但是，三峡和葛洲坝工程的规模和条件相差较大。葛洲坝工程汛期水头仅 20m 左右，而三峡工程的水头约 80m。由于水头大，三峡工程冲沙闸（隧洞）设计在处理高速水流问题方面的困难更大。而且，如果在隧洞两侧开凿冲沙隧洞，对高边坡稳定是否会有不利影响，还有不同看法。何况这类冲沙设施的造价高而且在前期利用率低，投资积压严重。另一方面，三峡工程又具有葛洲坝所不具备的优势。三峡下游水位处于葛洲坝水库的控制范围内，三峡引航道冲沙时可以临时要求葛洲坝降低库水位而增加其下游引航道的冲沙能力；三峡水库的坝前水位汛期一般为 145
4、m，上引航道水深较小，可以采用比葛洲坝工程更小的流量冲沙。通过分析对比葛洲坝的实际冲沙情况，清华大学曾提出了三峡工程小流量冲沙的建议3，4，认为三峡引航道的冲沙流量可以控制在 4000m3/s 以内。后来，又提出了临时小幅度降低三峡库水位冲沙的方案5，可望将冲沙流量的规模进一步降低到 3000 m3/s 左右。三峡工程汛期存在大量的弃水，通过超泄流量降低水位冲沙在原理上是可行的。而且，降低水位冲沙的方案属于非结构措施。对于三峡这样的高水头枢纽，节约冲沙流量，减小冲沙设施的规模，无论在经济技术上，还是在安全等方面都具有重要的意义。然而三峡水库的回水范围长达 600 多公里，降低坝前水位需要排泄大
5、量的水体，如果水库的反馈过程太慢，导致冲沙过程持续时间太长，则可能对通航和发电都造成较大的影响。坝前水位降低对水库下游附加的洪水、上游重要码头的运行以及对发电的影响等也值得分析研究。这些问题对降低水位冲沙方案的能否成立具有重要的影响。本文基于一维不平衡输沙和不恒定水流数学模型计算了三峡建库后 130 年内的淤积情况和不同年份水库在小幅度降低水位运用中产生的不恒定流动。随着水库淤积的发展，后期以很少的弃水就可以达到要求的坝前水位降低值，这时，坝前3水位降低 2m 仅仅需要几个小时的时间，弃水量小于 2(后期)5(前期)亿 m3。降低水位冲沙对航运，下游防洪、发电及库区港口作业影响都不大。特别是当
6、 50 年以后，水库淤积接近平衡，降低水位 2m 时相应的弃水量仅 1.21.5 亿 m3，降低坝前水位非常快。因此，采用降低水位冲沙方案是可行的；而且，考虑到这一方案可以缩小冲沙设施的规模，减少工程投资和技术上的困难，所以它也是可取的。2 三峡水为的淤积三峡水库的泥沙淤积对水流状态，特别是对不同运行条件下的回水曲线影响很大。为了正确计算小幅度降低坝前水位所需要的弃水量和时间，必须首先计算水库的淤积情况。关于三峡水库的泥沙淤积，中国水利水电科学研究院6和长江科学院7先后进行了长期的研究，为三峡工程做出了重要的贡献。为了便于详细分析，作者对三峡工程 175-145-155 水位方案 1130 年
7、的淤积情况又进行了计算。在计算中应用了新近建立的侧向积分悬移质输移数学模型8，根据包括嘉陵江和乌江在内大约 100 个水库河道断面资料和与文献6，7相同的水沙系列资料，并采用文献6提供的 30000m3/s 流量条件下的天然糙率和水库淤积平衡的糙率资料。有关计算的详细情况，作者将另文报道。图 1 三峡水库 130 年内长江干流淤积总量及其与7的结果比较4图 2 三峡水库坝前太平溪断面变化过程Accumulated deposition in mainstream of TGPDeposition processes near dam site图 1 给出了水库运用 130 年总淤积量的变化情况
8、，泥沙淤积强度在 50 年附近出现转折。前 50 年，水库淤积主要体现为三角洲和主槽淤积，淤积强度比较大，平均年淤积量达 2.75 亿 m3；后期泥沙的淤积主要体现为淤滩冲槽的发展趋势，这时，年泥沙淤积强度仅 0.32 亿 m3。图 1 中同时给出了长科院7的计算结果，本计算第 130 年淤积总量是 163.45 亿 m3，长科院 100 年时的淤积量是 166.56 亿m3，二者基本接近。由图 1 可见，130 年后水库的边滩淤积可能还要持续一定的时间，由于汛后和消落期坝前水位高于 145m 时边滩可能发生淤积，淤积总量也还可能有所增加。作者的计算模型可以近似模拟断面形态 （但不能给出各断面
9、的相对位置），故计算结果（图 2）可展现高滩深槽的形态，这在清华大学坝区实体模型试验中是明显反映出的规律9。图 3 是水库淤积过程中的深泓高程及 1%洪水位的分布情况。 3 三峡水库在坝前水位变化中的不恒定流动为了分析降低水位冲沙的方案，计算采用了如下的运行方案：当汛末长江流量为 30000m3/s 时，上游引航道开始冲沙，同时将三峡下泄流量提高到 40000m3/s，使水库水位降低。在本文中设定引航道冲沙的时间一律为 15 小时。如果坝前水位在 15 小时以内降低到 143m，则维持 143m 的坝前水位直到冲沙结束；然后三峡保留 22000 m3/s 的发电流量，而将剩余的 8000 m3
10、/s 流量用以将水库回蓄至汛限水位。操作过程中，假设闸门开关时间为 1 小时。5图 3 三峡水库淤积纵剖面（深泓高程）Deposition processes of longitudinal profile水库消落的动态过程是根据不恒定流计算的。在计算中考虑了不同年份淤积对水位消落的影响，对第 1130 年的不同情况进行了计算。计算的时间步长为 5秒，糙率采用相应年淤积计算中的糙率，上游流量的分配假定为：长江干流 25000 m3/s，嘉陵江 3000 m3/s，乌江 2000 m3/s。由于水库淤积的影响，水库回水曲线在不同时期是不一样的。初期水库淤积较少，水面坡降也小，因而降低坝前水位的影
11、响范围较远，后期淤积较多，降低坝前水位的影响范围较近。另外，由于大坝下泄流量大于入库流量，从大坝到库尾流量是沿程减小的，水库回水曲线的坡降应该大于由上游流量确定的水面坡降。图 4是水库运行不同年份中相应于坝前 145m 高程水位的恒定回水曲线和水位降低2m 过程中的不恒定回水曲线最低值之间的水体分布。这一水体也就是水库降低2m 的最大排出水体。由图可见，第 1 年由于水库没有泥沙淤积，降低水位的影响范围较大，弃水三角体的上端可到丰都附近。随着泥沙淤积的发展，弃水三角体越来越短，三角体上段的厚度也相应减小。而且，由于后期水库边滩的发展，水面宽度也有所减小。所以，降低坝前水位要求的弃水水体的体积也
12、不断减小。图 5 是降低水位冲沙过程中，水库体积的变化过程；其最大值代表冲沙结束时(第 15 小时)水库的最大排水量。最大排水量由初期的 4.8 亿 m3 随时间不断减小（图 6），到 40年左右减小到 2 亿 m3 以下;到水库淤积后期，弃水水体的体积仅 1.4 亿 m3 左右。6图 4 不同年份降低水位冲沙时，三峡水库弃水水体分布Surplus water blocks in different years when temporarily drawing down reservoir level by 2m图 7 给出坝前水位的降落过程。初期需要大约 12 小时才能将坝前水位从145m
13、降低到 143m。到 15 小时冲沙完成后，坝前水位可以在 12 小时内恢复到145m，过程总时间约为 27 小时；到后期坝前水位几乎在 3 小时以内就可以降低到 143m，冲沙后 3 小时又能恢复正常水位，过程总时间仅 18 小时。如果第 1 级船闸的槛顶高程能降低到 138m，则冲沙完成时槛上水深大于 4m，已经可以通航。这时短期降低水位冲沙的方案，不论初期或后期，要求船闸和升船机的断航时间都只有 15 小时。图 8 是相应过程中三峡大坝下泄流量的变化过程。三峡冲沙导致下游40000m3/s 左右的洪水过程在水库运用前期持续大约 1012 小时，后期则小于 2小时。由于洪水的峰值和持续时间
14、都远小于常年洪水过程，它对下游的影响是可以接受的。图 5 降低水位时三峡水体减少过程与淤积年份的关系7图 6 三峡水库降低水位冲沙产生的最大弃水量与淤积年限的关系Water volume changes during temporarily drawing down reservoir level Relation of maximumsurplus water volume with time图 7 不同年份降低水位冲沙，坝前水位变化过程图 8 不同年份降低水位冲沙，大坝下泄流量过程Lowering processes of water level at dam site during te
15、mporarily drawing down reservoir levelSluiced discharge processes during temporarily drawing down reservoir level图 9 给出三峡坝前水位降低时，上游各处最大的水位降低幅度。在距离大坝约 160km 的奉节，初期水位最多降低约 1.1m；后期几乎没有影响。其上游的万县也仅是初期水位有一定的变化（小于 0.6m）。小幅度降低坝前水位对涪陵、长寿和重庆等重要码头没有什么影响。降低水位冲沙对三峡发电水头的影响如图 10 所示。在水位降低过程中，三峡电站可能减小一定的发电水头，最大减少值为
16、2.4m，但总水头仍然大于正常条件下汛期（50000m3/s 流量以上）的发电水头。由于目前三峡水轮机的设计水头没有最后确定，对发电影响尚难评估。如果水轮机的设计水头能够适应这一变化，则可通过增加水轮机的过流量补偿水头损失；否则，对发电量会有一定的影响，但影响8时间不长；当水库回蓄时，由于下泄流量减小，坝下游水位降低，发电水头会有所增加。综合减少和增加的水头，短期降低水库水位对发电的影响应是不大的。本文仅分析了长江 30000m3/s 流量下超泄 10000m3/s 的工况。当长江流量介于 25000m3/s 和 32000m3/s 之间时，采用不同的超泄流量组合的计算结果也表明各个方面的影响没有本质性变化，特别是在水库淤积后期，降低水位过程的时间和弃水量都不大于本文给出工况中的初期水平，因而是可以接受的。三峡水库汛期有大量弃水，短期内弃水几亿 m3（前期约 5 亿 m3，后期小于 2亿 m3），小幅度降低坝前水位以加强引航道冲沙是合理的。根据三峡引航道的尺度和冲沙流速不小于 3m/s 的经验，引航道的水深降
