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1、1三峡工程二期临时航道连接河段整治研究摘要：三峡工程二期施工期间的通航任务由临时船闸与右岸导流明渠共同承担。导流明渠和临时船闸上、下游航道连接河段通航水流条件的好坏，直接关系到大江截流后施工期航运安全问题。根据模型试验的成果，阐述了临时船闸和明渠上、下游连接河段整治前后的通航水流条件，并对设计提出的整治方案进行了验证和进一步的优化。目前，三峡明渠及临时船闸分别正式通航了 1 年和半年，实践证明本试验提出的整治优化方案有效地改善了临时航道连接河段的通航水流条件，确保了该段航运的安全。 关键词：三峡工程 临时航道 连接河段 整治优化 1 前言长江是我国内河航运的主要干线。在 1997 年大江截流后
2、至 2003 年汛前主河槽被截断而形成二期基坑的 6 年间，河床被束窄 70%左右，二期施工期间的通航任务由临时船闸与右岸导流明渠共同承担。为了改善导流明渠和临时船闸上、下游航道连接河段的通航水流条件，提出经济合理的整治优化方案。长江科学院受业主和设计委托，在 1/100 三峡正态整体模型上进行了试验研究。2 临时航道连接河段的范围及其地貌临时航道系指导流明渠及临时船闸。临时航道上游连接河段上迄西天嘴(Ds10 断面)，右侧下至茅坪溪(明渠进口)为明渠航道上游连接河段，边滩上多见沙包、石堆，且因一期围堰造成的回流落淤，航深不够；左侧下至临时船闸引航道进口、60m 高程边滩为临时船闸航道上游连接
3、河段，孤礁牛荒背即位于此段航道中心线附近。牛荒背滩为长江左岸一岩石突嘴，位于临时船闸上游 2800m，长度约 200m，宽度约 150m，礁石顶端最高点高程为 74.5m，洪水时全淹没，流量较小时，四面环水，此时变成一孤岛。临时航道上游连接河段两岸多见山脚、石梁伸入江内，河床中礁石林立，河面虽较开阔，但航槽较窄。临时航道下游连接河段以乐天溪(Dx21 段面)为下界，右侧上至高家溪(明渠出口)为明渠航道下游连接河段，左侧上至临时船闸下游引航道口门为临时船闸航道下游连接河段。临时航道下游连接河段，河道顺直，两岸可见石梁、石堆外伸，几近江心，如南虎、马屁股、钓鱼石、上鹿角、下鹿角等。北部河床有江心洲
4、纵卧江心，形成支汊，如陈家坝、望家坝等。另有下游隔流堤箱涵子围堰与对岸凸嘴对峙束窄江面见图 1。3 临时航道连接河段整治前的通航水流条件一期工程，明渠尚未开通时，水流由原主河槽宣泄；1997 年 5 月明渠破堤过水，水流部分由原主河槽宣泄，部分由明渠通过，明渠上游连接河段形成分流点，约距坝轴线 1600m，右岸距 300350m，明渠下游连接河段形成汇流区，二2期下横围堰戗堤口门水流与明渠水流在坝轴线下游 1500m2000m、右岸距250m350m 区段汇流，对明渠水流形成挤压，至使该段流速增大；大江截流完成后，水流全部由导流明渠宣泄。随着三峡一期工程向二期工程的过渡，长江水流由原主河槽宣泄
5、逐渐改为完全由导流明渠通过，势必造成临时航道连接河段河势和流态的变化，航线也要随之调整。新的航线是否适航成为急待研究、解决的问题，它将对截流及截流后施工期航运安全产生直接的影响。在大江截流完成后形成二期基坑期间，设计要求：地航船队上水通航保证流量为 10000m3/s,减驳可达 15000m3/s;长航 31000t+2640HP 船队上水通航保证流量为 20000m3/s，减一驳可达 25000m3/s。航深要求不小于 5m，平均对岸航速不小于 1m/s，回流流速不大于 0.4m/s，横向流速不大于 0.3m/s。在明渠不能通航时，船队只能从临时船闸通过。因而，新的航线规划与一期有了较大的差
6、别。新的航线规划见图 2。模型试验资料表明：如果临时航道上、下游连接河段不加以整治，(1)明渠上游航道连接河段：坝上 1600m1800m 间航线右侧，虽未发现跌水、泡漩等碍航流态，流速、比降也能满足通航要求，但因该处存在着沙包、石堆，高程达 65.8m，当 Q25000m3/s 时，航深不到 4m，当 Q15000m3/s 时，航深不到 2m，不能满足长航船队及地航船队航深的要求。 1994 年 6 月 30 日流量 27200m3/s 时岸边线，相应水位 67.4m; 1986 年 5 月水位 62.5m 时水边线；oo 为原型观测断面，DBs 表示坝上，Dx 表示坝下，Do，为坝轴线断面
7、，图中仅标出有代表性的几个断面。图 1 三峡二期临时航道及其连接河段河势图图 2 三峡二期临时航道及连接河段航线规划图(2)明渠下游航道连接河段：水流出明渠时，由于弯道作用，主流偏右，直冲高家溪，往下随河道而顺直。因该段坝轴线下 2250m坝轴线下 2750m 间规划3航线右侧存在南虎、钓鱼石等石梁、石堆，地形较高，当 Q20000m3/s 时，水流被逼向左侧，斜穿航线，在坝轴线下 2500m 处与航线相交，且在右侧形成大片回流带。回流左限：坝轴线下 2750m 断面为航线左 75m；回流下限：正对隔流堤箱涵子围堰上游 200m。当 Q25000m3/s 时，随着流量的增大，水流紊动加剧，潜礁
8、水域出现水花、泡漩，在坝轴线下 2300m 处产生跌水及剪刀水，一股水流斜穿航线，在坝轴线下 2500m 断面与航线相交，一股水流平行于边岸，形成回流边界，右侧回流范围减小。由于该段存在碍航流态，且由于水流斜穿航线，使得横向流速增大，对航行十分不利。(3)临时船闸上游航道连接河段：由于“牛荒背”滩斜卧航线附近，加上“牛荒背”礁石区左上侧为一凹塘，水过凹塘后，斜向“牛荒背” ，受“牛荒背”礁石的阻水挑流影响，形成跌水、急流、泡漩等复杂的流速、流态。又因“牛荒背”礁石区向江心伸入，使此处航道骤然变窄，形成“瓶颈”状，当左右两条航线同时运行时，船舶会船时会受到影响，安全度很差。(4)临时船闸下游航道
9、连接河段：由于临时船闸下游引航道出口部位至三峡工程左岸鹰子嘴水厂段，航道中心线附近地形较高，航深不够，不能满足通航要求。综上所述，临时航道上、下游连接河段均普遍存在着航深不够、碍航流态、通航水流条件差等问题，如不加以整治，势必对大江截流及截流后的二期施工期航运安全产生不利的影响。4 临时航道连接河段的整治试验研究4.1 整治方案通过对不整治情况下临时航道连接河段的通航水流条件的模型试验研究，设计部门提出了以下整治方案：(1)对明渠航道上、下游连接河段，将规划航线航宽内的礁石开挖至 60m 高程，沙包开挖至 61m 高程，即明渠上游坝轴线 1400m1600m 处的沙包、石堆及明渠下游坝轴线下
10、2250m2750m 段南虎、钓鱼石等石梁、石堆均得以整治。(2)对临时船闸上游航道连接河段的整治提出了两种方案：整治方案一：临时船闸上游引航道喇叭进口以上规划航线左 50m 起至河槽的沙包，开挖至 61m 高程，规划航线左 70m 起至河槽的礁石，开挖至 60m 高程，左侧以 1:1.5 坡度与原地形连接，顺水流方向，礁石开挖面与沙包开挖面以1:10 坡度连接。 “牛荒背”礁石滩切除线与航线平行。坝整治方案二:“牛荒背”礁石滩整治，沿座标点(18018.331，48169.581)和(17807.937，48123.669)连线开挖，右侧至河槽开挖至 60m 高程，左侧以 1:1.5坡度接原
11、地形，顺水流方向 60m 高程礁石以 1:10 倒坡与 61m 高程沙包开挖面连接，其他部位同整治方案一。 “牛荒背”礁石滩切除线与航线呈一定的夹角。(3)对临时船闸下游航道连接河段的整治，将规划航线航宽内地形开挖至56.5m。4.2 整治后明渠航道连接河段通航水流条件模型试验根据设计提出的整治方案，进行了10000m3/s、15000m3/s、20000m3/s、25000m3/s、30000m3/s 共 5 个流量级的试验。试验成果表明：(1)通过整治，明渠上、下游连接河段航线航宽内航深均不小于 5m，可以满足地航、长航船队的航深要求。(2)明渠上游连接河段，整治前后均未发现碍航流态，流速
12、也不大；明渠下游连接河段整治后，坝轴线下 2250m2750m 区段的流态较整治前发生了明显地4改善，各级流量下，水流均平顺，未发现跌水、泡漩等碍航流态，水流与航线夹角减小，纵向流速略有增大，但横向流速明显减小，通航水流条件得到改善。(3)明渠航道连接河段通航整治后，明渠及其连接河段通航水流条件，控制性区段仍是坝轴线坝轴线上 300m 和坝轴线下 1250m坝轴线下 2000m 区段，各级流量下航线最大流速均发生在此两段；航线最大正比降均发生在坝轴线上500m坝轴线上 300m 和坝轴线下 1050m坝轴线下 1250m，在最大流速段上游不远；航线最大负比降均发生在坝轴线下 300m坝轴线下
13、500m 和坝轴线下1750m坝轴线下 2000m，在最大流速段下游不远。明渠及其连接河段航道整治前后流速、比降特征值见表 1。表 1 明渠及其连接河段航道整治前后流速、比降特征值方案流量(m3/s)航中 Vmax(m/s)对应比降()航中 Imax()对应流速(m/s)510002.250.040.671.34150003.22-0.080.672.00整治前200004.170.041.903.406250004.92-0.282.403.93300005.78-1.5236404.6810002.240.050.671.337150003.43-0.480.902.66整治后200004
14、.11-0.6416503.67250005.130.4026804.26300006.088-1.643.154.94从上表知：当最大流速发生时，比降并不大；当最大比降发生时，流速却较小。在航行条件较困难区段，如航线和用舵选用得当，通行流量级有望提高。(4)自航船模试验表明：明渠及其连接河段航道整治后，当 Q10000m3/s时，航线上流速均小于 2.5m/s，地航船队自航船模(11500t+1200HP，吃水深度为 1.8m2.2m，静水率定航速为 3.8m/s)上水、下水均能顺利通行；当 Q15000m3/s 时，困难段在坝轴线下 1250m坝轴线下 1750m 区段，航线上流速大于 2
15、.5m/s，但由于比降较小，有的为负比降，地航船队自航船队在此段仍可上行，左线航线优于右线航线，对岸航速可满足大于 0.5m/s 的通航要求，全程平均对岸航速大于 1.0m/s。当 Q20000m3/s 时，航线上流速均小于 4.4m/s，长航船队自航船模(3l000t+2640HP，吃水深度为 2.6m2.78m，静水率定航速为 4.9m/s，减一驳为 6.05m/s，减两驳为 6.95m/s)上水、下水均能顺利通行，全程平均对岸航速为 1.2m/s；当 Q25000m3/s 时，由于坝轴线下 1250m坝轴线下 1750m 区段流速较大，减一驳后方能上行，全程平均对岸航速为 1.0m/s；
16、当 Q30000m3/s 时，减两驳方能上行，全程平均对岸航速为 1.3m/s；当Q35000m3/s 时，长航船队难以上行，但三驳一顶长航船队可沿左、中、右航线下水航行。4.3 整治后临时船闸航道连接河段通航水流条件4.3.1 临时船闸航道上游连接河段模型首先按整治方案一进行了试验。当 Q30000m3/s、45000m3/s 时，流态较差的部位均发生在“牛荒背”附近，此处航道上水流与航线呈一定的夹角。Q30000m3/s 时，夹角较大；Q45000m3/s 时，由于水深加大，夹角变小。此斜流造成航线上横向流速增大，Q45000m3/s 时为 0.66m/s，当船队行至此处，被推离航线，均需略偏右岸方能上行，长航、地航船队上行均有难度。另在“牛荒背”开挖边线左侧存在明显的跌水，在 Q30000m3/s 时为 1.04，流态对通航较为不利。鉴于此，设计部门提出了优化整治方案(整治方案二见 4.1)，即“牛荒背”处开挖边线顺水流方向作了
