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1、 两坝间喜滩长直窄深型急滩治理方法研究 第一章 绪论1.1 研究背景及意义随着国民经济的快速发展，党中央、国务院以及地方政府已高度 重视长江黄金水道的建设，近些年来已陆续开展了一系列的航道整 治工程，长江干线的航道等级以及通航条件得到逐步提高和改善。 特别是 2007 年 12 月 14 日，温家宝总理专门作出了长江航 道建设要加强的重要批示，长江黄金水道建设进入了整体加 快推进和系统整治的新阶段。长江干线两坝间河段上起三斗坪，下 至葛洲坝水利枢纽，长约 38km。该段航道位于川江航运的咽喉地段， 并穿行于高山峡谷之中，蜿蜒曲折，谷壁陡峭，河槽窄深，是长江 上游中洪水期航行条件最困难的区段之一
2、。三峡工程于 2003 年 6 月 蓄水运行后，两坝间河段中、枯水期受三峡大坝调节和葛洲坝反调 节的影响，水流较平缓，流速、比降较小；但在汛期大坝泄洪期， 由于受该河段谷壁陡峭，河槽窄深等特殊地形地貌影响，导致水流 湍急，流态紊乱，泡漩、回流等现象随处可见，且滩险集中在两坝 间中段莲沱至偏脑河段，在 15km 长的河段中，有水田角、喜滩、 石牌、天花板、偏脑等急流滩段，其中水田角、喜滩、石牌 两滩一湾船舶航行最为困难。喜滩位于宜昌上游 27.828.8 km，南北两岸高山峡谷，河面狭窄，河床窄深，过水断面多呈 V 形。南岸岩咀，石盘断续分布，北岸芭蕉溪下段 至沙坝子一带乱石堆积，两岸岸线极不规
3、则。洪水河宽仅约 400m， 滩段河面束窄，最窄处仅 250m 左右，滩下游逐渐放宽到 550m，喜 滩石咀与脚踏铺石对峙，水流紧束，为典型的长直窄深型急滩。模 型试验成果表明1：葛洲坝坝前水位控制 63m，流量 25000m3/s 时， 整个滩主流流速均在 2m/s 以上，最大流速为 2.77m/s，上水航线上 最大流速 2.5m/s，相应比降 1.77，己超过万吨级船队允许的 流速、比降搭配，船队不能自航过滩2。1.2 国内外研究现状航道整治应符合河床演变的规律和河流动力学的原理，统筹兼顾， 科学规划。航道整治的原则跟河型及滩险的性质相关，故而应根据 不同滩险的碍航性质，分清主次，针对性地
4、选择整治措施，优化方 案，必要时可调整险滩段的河床形态，改善流速与流态。条件许可时，可开辟缓流区，以避开危险区域3。整治顺序一般是先险后浅 的原则，险急滩对船舶航行安全威胁较大，是最容易发生海事的河 段，应首先进行整治。同时，要全段规划，避免引起上游河段滩险 的恶化4。首先，应统筹兼顾，照顾综合利用的效益，治理后不得 危及防洪堤岸的安全，不影响排涝、引水工程等设施的正常运行， 保持河势的稳定；其次，应顺从自然特性遵循滩险河床的演变规律， 因势利导；再者，模仿优良河段的断面尺寸形态，借鉴整治成功经 验；最终，合理的利用疏浚与导治相结合的方法进行治理。山区河 流多受原生地形的影响，表现出不同于平原
5、河流的碍航特性，其中 急流滩就是山区河流主要的碍航滩险。在统计的石质滩险中，急流 滩约为 50%5。第二章 数学模型的建立及验证2.1 二维水流数学模型的建立浅水方程离散包括空间离散及时间离散。空间离散采用有限单元 法，时间离散采用差分法：运用伽辽金加权余量法把浅水方程离散 成非线性代数方程，然后采用 Newton-Raphson 方法求解；离散区 域内采用三角形六节点等参单元；单元插值采用混合插值方法。 LBM 法不同于传统的流体力学方法，无须建立宏观的连续介质模 型，而是从分子运动论和统计力学的观点和理论出发，建立简单的 微观粒子运动模型，使这些微观粒子运动在宏观上再现流体的流动 特性。目
6、前，该方法尚在进一步发展之中。该法的不足之处主要表 现为计算结果容易失稳、不能模拟高雷诺数流动和模拟精细流场时 精度不高等。综上所述，洪水型急滩的碍航形态分为突嘴型、窄槽 型及横埂型三种，水流条件以流速大、比降陡、流态坏为主。目前 研究对象多为洪、枯水位变幅较大类型的急滩，不论物理模型研究 还是二维水流数值模拟研究，针对该类型急滩采用的整治方法为扩 大泄水断面等航道整治方法。而喜滩这类长直窄深型急滩，洪、枯 水位变幅不大，两岸岩壁陡峭，难以进行大面积的开挖，且施工难 度大，传统的航道整治方法治理效果不佳。因此，采用二维水流数 值模拟的方法分析喜滩的水流特性及成滩原因，探寻长直窄深型急 滩新的治
7、理方法显得十分重要。.2.2 模型的验证数学模型的建立后，必须要通过模型验证来检验其准确性，即用 数学模型计算的水位、流速、浮标等数据与原型实测资料相比较， 检验其误差是否在允许范围内。只有通过了模型的验证，才能认定 所建数学模型的真实性，保证计算结果的可靠性。本模型对喜滩段 的糙率进行了率定，对水位、流速及流向分别进行了验证。建立的 数学模型上起梳子溪，下至鸡公滩，模拟范围全长 8.4km，计算河 段共 19601 个单元，40158 个节点。重点治理区域喜滩段位于三条 沟以下 1.2km 的河段，该段洪水河宽可达 400m 左右，滩段河面束 窄，最窄处仅 250m 左右。计算河段的格间距为
8、 25m。由于喜滩段 的两岸为高山峡谷，河床窄深，两岸岸线极不规则，因此对重点治 理区域的格进行了加密处理，加密处格间距为 10m，其格布置见图 2.2。原型实测水位资料中位于计算河段的共有六把水尺，根据水尺 的布置情况将计算河段划分为七段，图 2.3 为计算河段的分段示意 图，SC3 和 SC4 两段为重点治理区域。基于原型的实测水面线资 料，率定出了不同流量下各段的综合糙率，如表 2.2 所示。计算研 究河段共有六把水尺，其中左岸 3 把，右岸 3 把。经数值模拟计 算得到各水尺位置的水位，将其与原型实测资料相比较，结果见表 2.3。从表中我们可清楚的看出，六把水尺的计算水位与原型水位的
9、偏差均小于0.1m，即所建数学模型的水位验证满足内河 航道与港口水流泥沙模拟技术规程JTJ-T232-98）规定的误差要求。.第三章 滩险水流特性及滩险成因分析 243.1 研究河段基本情况 243.2 计算工况 263.3 规划航线 26.4 滩段水流特性分析 . 263.4.1 上行航线水位 273.4.2 上行航线流速 273.5 综合上滩指标 283.6 滩险碍航特点及成滩原因分析 . 323.7 本章小结 33第四章 扩大泄水断面治理方法研究 .344.1 滩段治理原理 344.2 扩大泄水断面法方案 K1 344.3 扩大泄水断面法方案 K2 364.4 扩大泄水断面法方案 K3
10、374.5 扩大泄水断面法方案 K4 394.6 扩大泄水断面法方案 K5 404.7 工程量统计 . 424.8 本章小结 42第五章 水工分流法治理研究.435.1 水工分流法治理思路 435.2 隧洞分流法 . 435.3 抽水分流法 . 465.4 本章小结 47第六章 潜顺坝治理方法研究6.1 治理思路由第四章可知，扩大泄水断面法的开挖工程量及水下开挖的施工 难度较大，且治理效果不理想，要想通过仅靠扩大泄水断面法较为 彻底的治理喜滩这一长直窄深型急滩是难以实现的。第五章隧洞分 流和抽水分流两种水利工程方法虽然能满足最大通航流量下的通航 水流条件，但从经济分析看出在实际应用中也不具有可
11、行性。工程 前的综合上滩指标分布图 3.4）显示，喜滩段碍航点最为集中分布于 航道里程 4.34.6km 的流域内，因此方案 Q1 布置的潜顺坝上游端自 航道里程 4.6km 处开始，下游端至航道里程 4.3km 处，长 300m。坝 顶高程 53m，比葛洲坝坝前最低运行水位 63m 低 10m，当流量不小 于 35000m3/s 时，坝顶以上水深大于 12.5m，满足通航的水深要求。 坝体右侧与原地形 53m 等高线的位置自然连接，迎水坡、背水坡及 坝体左侧坡度均为 1:0.5。方案 Q1 根据坝顶宽度的不同，进行了三 种工况的试验，工况组合见表 6.1，方案布置如图 6.2 所示。结论随着
12、国民经济的快速发展，党中央、国务院以及地方政府已高度 重视长江黄金水道的建设，2007 年 12 月 14 日，温家宝总理还专门作出了长江航道建设要加强的重要批示。长江干 线两坝间河段是长江上游中洪水期航行条件最困难的区段之一，该 河段穿行于高山峡谷之中，蜿蜒曲折、谷壁陡峭、河槽窄深。在汛 期，两坝间航道既受葛洲坝坝前水位影响，又受峡谷河段河床地形 条件制约，随着入库流量的增加，河床过水断面增加有限，河床纵 横向起伏很大，水流湍急，流态紊乱，呈现出天然河道特性，加上 汛期水库降低水位运行，三峡大坝泄洪时两坝间一些狭窄河段水流 不畅，流速、比降急剧增大，泡漩横流丛生，流态极乱，航行条件 迅速恶化
13、，为万吨级船队的通航带来极大的困难。两坝间的通航能 力已经成为了制约长江干线航运发展的瓶颈，也直接关系到万吨级 船队通航保证率和三峡航运效益的发挥。其中喜滩为两坝间船舶航 行最为困难的航段之一，是典型的长直窄深型急滩。因此，改善喜 滩段的碍航特性，提高其通航能力，对喜滩碍航水流特性、成滩原 因及航道治理方法的研究已显的至关重要。本论文采用二维水流数 值模拟的方法，对喜滩这一长直窄深型急滩的水流特性、成滩原因 以及治理方法进行了初步研究，主要工作内容和研究成果如下：(1) 建立了两坝间喜滩段的二维水流数学模型，应用喜滩段的实 测水文资料对建立的二维水流数学模型进行了细致认真的模型验证， 经反复计算率定出了能较好模拟该河段流场的糙率、格密度等参数。(2) 运用建立的二维水流数学模型对喜滩段进行了 8 级流量的 计算，详细分析了滩段的通航水流条件，指出滩性为以流急碍航为 主的洪水急滩，而河谷狭窄、河宽沿程渐缩突扩、流量与过水面积 增率不适应等是其成滩碍航的主要原因。
