三峡工程应用二维水流泥沙模型探讨

5.4.4.1　双汛限方案对坝区泥沙淤积影响研究

前面讨论过三峡水库防洪与泥沙优化调度方案，双汛限方案是最典型的减淤增容方案。在较早的时候，作者利用二维模型对类似双汛限调度方案对坝区影响进行过研究。

这里的双汛限方案是:假设汛期洪水流量大于某一给定值时，将坝前水位降至135m，让水库大量排沙、减少淤积，到流量降低时，再将水位回升到145m^[4]。汛期洪水流量超过限定值30000m3/s(方案A)和35000m3/s(方案B)以上时将坝前水位降至135m。其中方案A从33年后开始使用，方案B从第21年开始。计算结果和原方案的比较见表5-19。由表5-19可见，无论哪种方案，仅仅在坝前18km 的范围内，到54年时就可以减少淤积约1.4亿m3。由图5-85可见，按双汛限(方案A)，三峡坝前段的过水面积可以明显增加，大约可以增加6000～8000m2的过水面积，对通航有利;同时，坝前段的深泓高程降低10～20m。深泓高程降低可以大于坝前水位降低的幅度，这是因为水位降低后，滩地过流收缩，水流集中到主槽的原因。图5-86是计算坝区淤积断面与原方案比较，边滩高差别没有主槽明显，但双汛限方案使升船机及船闸航道范围内绝大多数断面均低于碍航高程。

表5-19　原方案与双汛限方案(方案A和方案B)逐年淤积量比较(单位:亿m3)

图5-85　双汛限方案和原方案过水断面和深泓高程的比较 (第54年)

图5-86　双汛限水位方案和原方案在坝前段的断面淤积形态比较 (第54年)

(a)断面—1;(b)断面—2;(c)断面—3;(d)断面—4;(e)断面—5;(f)断面—6

5.4.4.2　在三峡引航道规划和设计研究中的应用

三峡船闸和升船机是保证通航的重要建筑物。在三峡论证期间，确定了三峡工程采用五级船闸结合垂直升船机方案解决三峡枢纽通航。但是，上游引航道布置的研究到技术设计阶段才展开。上游引航道位于三峡枢纽的左侧，其布置包括船闸和升船机引航道。

最早，有方案建议三峡上游不需要建设规模较大的防淤隔流堤 (无堤方案)，让三峡上游引航道处于比较开阔的水域中。但是，考虑到泥沙影响，船闸和升船机的进口航道在后期都面临泥沙淤积的影响。设计部门提出单独将船闸引航道保护的防淤隔流堤方案(小包方案)，小包方案将船闸引航道的进口推到上游2km 处的祠堂包附近，升船机引航道则完全敞开布置。图5-87是数学模型的计算结果，可见在三峡运行后期，无论无堤方案还是小包方案、无论船闸还是升船机的进口口门区都有较大的泥沙淤积。同时，由于升船机航道更靠近主流，汛期通航的安全难以得到保证，经过研究，更多认为三峡应该建设较大规模的放淤隔流堤，将船闸和升船机都保护在相对平稳的引航道内部通航。

图5-87　二维泥沙数学模型计算结果显示，三峡运用后期引航道口门段存在严重的淤积

但是，将升船机和船闸同时包括在引航道内又导致船闸充水波动对升船机的影响和引航道内部泥沙淤积和清淤等问题。三峡原考虑采用由钢缆提升的平衡重升船机，对引航道水位波动幅度的要求很高，在升船机进口处的波动不能超过0.5m。同时，由于扩大引航道规模会降低冲沙效果，而三峡在通航建筑物附近布置大规模冲沙闸孔既不安全、又不现实。因此，降低引航道波动幅度，减少淤积和提高冲沙效果成为引航道布置研究的关键问题。作者利用二维不恒定流和泥沙数学模型对上述问题进行了研究 (周建军，1995)。下面介绍设计采用的将船闸、升船机和临时船闸改建冲沙闸包含在内的隔流堤方案 (所谓“全包方案”，见图5-79)的研究成果(王桂仙，周建军，1998;陈稚聪等，2002)。

图5-88　三峡引航道示意图 (数学模型计算区域在口门区以内)

全包方案引航道见图5-88，数学模型计算研究的范围在上游口门区以下，研究条件是大江水位假设没有波动，泥沙条件采用三峡近坝段泥沙条件。单线船闸充水过程见图5-89 示意，双线船闸的充水过程按单线过程在1个周期内任意错峰组合 (设计充水周期=59.7min)，挟沙能力系数取为0.17;按4组不均匀泥沙处理。引航道泥沙冲淤完全按不恒定模型计算，分别计算了三峡60年后出现1961～1970年10个代表年的淤积情况。淤积计算船闸按双闸同时取水条件，所以，引航道淤积相对偏多。

图5-89　三峡船闸单线冲水设计流量过程

1.引航道往复流及水位波动

三峡船闸按图5-89所示充水过程以不同组合方式从引航道取水形成引航道波源、产生往复流和水位波动。图5-90是双线船闸同时取水情况下引航道内部流动计算结果。在升船机口门和引航道后门将引起较大的水位波动和往复流。水位波动幅度达到0.64m，已经超过了升船机要求的水位波动。同时引航道口门往复流流速达到0.8m/s以上，往复流过于强，会将大江泥沙带入引航道，更多地在引航道口门区和内部造成泥沙淤积。所以，三峡引航道在布置和运行方面都具有优化的必要。

图5-90　三峡引航道 (全包方案)内部往复流计算结果

(图包括水位波动 (a)、流速 (b)和引航道最大流速分布 (c)，其中水位和流速点的位置见 (c)图定义。水位#1点为升船机口门，#3点为船闸闸前;流速#8点为引航道口门，#1点为船闸取水口前沿。流速分布图中各点的流速都是过程中的最大值、不同时，所以流场不平滑。)

影响往复流和波动的重要因素是两个船闸充水的时间间隔和船闸取水周期。图5-91给出了在设计取水周期下水位波动与错峰时间的关系，双闸同时取水时，波动幅度最大，达到0.7m 以上，错开14min取水时，波动幅度只有0.2m。可见，只要将船闸取水错峰的时间控制在10～20min范围内，升船机和船闸的波动幅度可以控制在0.45m 范围内。

但在实际运行中，三峡船闸取水周期难以严格控制，取水周期变化也必然影响引航道波动。图5-91表明，取水周期变化对引航道波动的影响非常大，当前设计的取水周期非常接近波动最大值，如果能够将周期减小为50min或增加为80min左右，即使双闸同时充水，引航道水位波动的幅度都可以控制在升船机要求的范围。为了有利于今后引航道的调度管理，针对上述两个时间因素，进行了大量方案的计算，得到三峡船闸和升船机处水位波动幅度与错峰时间和运行周期两个调度因素的平面控制图 (图5-92)。根据本图可在调度中避免进入最危险的调度情况发生。

图5-91　升船机与船闸前最大水位波动幅度与船闸取水错峰时间、船闸取水周期的关系

(其中:(a)图取水周期是59.7min，(b)图按双闸同时取水计算)

图5-92　上引航道升船机和船闸前最大水位波动幅度与取水周期(Tp)和错峰时间(Ts)的关系

Tpd(设计周期)=59.7min

2.引航道泥沙淤积计算

算了三峡运行60年后遇到第61年～第70年10种水沙年汛期的泥沙淤积。图5-93给出其中1961年，1965年，1966年和1969年三种多沙和少沙年的淤积分布情况。

引航道淤积量和汛期沙量由直接关系，长江沙多淤积则多。三峡引航道运行到60年后，一个汛期内，一般口门附近的淤积厚度都会达到3m 左右。所以，在汛末前需要安排冲沙，否则会影响通航。在引航道内部(扩大段)，泥沙淤积的强度一般在0.2～0.9m 之间，分布大小与口门的距离有关，越靠近口门，淤积厚度越大。另外，由于船闸正向取水，升船机航道淤积相对偏小些。图5-94是10年中各个年的淤积总量。可见，一般年份每年引航道内部淤积超过100 万m3，其中船闸引航道的淤积比例最大，占60%～70%，主要淤积在口门内800m 范围。其次是升船机航道，大约占20%的比例，非通航区的淤积比例较小，总计比例不足20%。

图5-93　三峡上游引航道不同年份淤积及其分布情况 (按三峡60年后的水沙条件)

图5-94　三峡运行60年后，遇到各种水文年引航道内部的总淤积量

3.引航道冲沙及优化方案研究

由于三峡上游引航道主要在汛期淤积，而且汛期富裕航深很小，必须在短期内消除碍航淤积，所以解决三峡引航道泥沙淤积的重要手段是利用水力冲刷，辅助采用人工疏浚措施。这是葛洲坝枢纽“静水通航、动水冲沙”的重要经验。在初步设计阶段，设计完全按照葛洲坝的规模布置了可下泄10000m3/s流量的引航道冲沙设施。但是，由于三峡枢纽水头大，冲沙洞布置具有困难。原布置四条冲沙隧洞在船闸两侧的高边坡下，运行时高速水流产生的振动等对高边坡稳定和船闸安全影响很大。而且，由于汛期下游引航道水深很大，即使采用上述规模的冲沙设施，对下游航道的冲沙作用仍然很小。所以，三峡必须建立一套新的冲沙方案。目前，在引航道内部落实的冲沙隧洞只有由临时船闸改建的冲沙闸(流量2500m3/s)。当然，今后如果必要还可以增加一条冲沙隧洞 (规模1500m3/s)。所以，三峡动水冲沙的方案应该建立在流量规模较小的条件之下，冲沙主要是要迅速解决上游航道和下游引航道口门的碍航淤积，其他淤积可以通过人工疏浚来解决。同时，考虑到三峡引航道泥沙淤积在目前还比较少，目前建设大规模冲沙设施将造成大量的资金积压。所以，形成一套小流量冲沙的方案是既安全又经济的途径。作者经过大量的原型资料分析、模型试验和数学模型计算，建立了一套给予降低水位、小流量冲沙的方案(周建军，1996，1998，2001)。主要思想是汛期长江较大流量时冲沙、临时降低三峡坝前水位1～2m，汛期末段 (流量还较大)降低葛洲坝坝前水位冲刷下游引航道，利用目前的2500m3/s的规模冲沙，结合人工清淤，解决引航道淤积问题。下面主要介绍其中二维数学模型部分的内容。

图5-95是1968年汛期的冲沙效果。比较了水位145m，冲沙流量2500m3/s(方案A)，先按2500m3/s、然后增加为4000m3/s(方案B)和降低水位 (144m)冲沙 (方案C)的冲刷效果。可见，仅按2500m3/s冲沙，虽然也能消除部分碍航泥沙，但冲刷效果较差。

图5-95　三峡引航道在1968年水沙条件下 (运行60年后)淤积及10h冲沙效果

方案A:Q冲沙=2500m3/s，水位=145m 冲沙后;
方案B:先按Q冲沙=2500m3/s冲沙6.5h后，将流量增加为4000m3/s，水位=145m 冲沙后;
方案C:Q冲沙=2500m3/s，水位=144m 冲沙后。

若将冲沙后期流量增加或降低坝前水位，则冲沙效果都能明显提高(见图5-95的方案B和方案C)。后两种措施都是非工程措施，不需要建设投入，而且研究发现，在三峡需要冲沙时(中后期)降低水位很容易 (周建军，1999)。如果是在汛期采用这一措施，还可增加三峡水库防洪库容、减少水库泥沙淤积，至于对发电的影响，可以通过增加过机流量来补偿，是值得考虑的措施。

上述冲沙的机理可通过图5-96和图5-97来分析。即使冲沙流量只有2500m3/s时，初期引航道内部水位迅速降低，冲刷和下泄泥沙浓度增大，引航道内部水面坡降较大，冲刷效果较好。但是，随作口门段泥沙淤积减少，引航道内部水位开始恢复。图5-97显示，方案A 的冲刷效果迅速降低(出口浓度迅速减小)，所以最终冲刷效果不大。如果后期增加冲沙流量(到4000m3/s)，则可起到接力作用，使引航道内部水位一致维持较低水平，冲沙效果较好。降低坝前水位冲刷方案 (方案C)需要一个降低过程，但即使在5h后才将坝前水位降低1m，整个过程中引航道内部水位一致都很低，所以下泄泥沙浓度可以一致维持较高水平。当然，无论采取哪种措施，冲刷8～9h后，下泄泥沙浓度明显减小，继续冲沙的效果和必要性减小。葛洲坝三江引航道一般采用8～10h冲沙时间就是同样的道理。

图5-96　三峡引航道1968年冲沙时引航道内的水位及流速分布

(Q冲沙=2500m3/s，水位=145m，时间T=3h)

图5-97　1968年冲沙时，三峡下泄泥沙浓度过程

作为进一步增加引航道冲沙效果的措施，除有关方面建议的在升船机和船闸之间增加过流1500m3/s的冲沙隧洞外，建议在升船机和船闸之间的非通航区通过维护措施增加冲沙通道，同时将引航道中间的非通航区(三角区)的河床高程提高(图5-98)。

图5-98　三峡引航道优化航道维护方案布置情况 (单位:m)

图5-99是按相同计算条件得到的升船机和船闸前的波动幅度。可见，优化方案水位波动幅度比原来普遍降低了0.1m。由于往复流也相应减小，优化方案在相同的1968年水沙条件下，引航道淤积也有一定减少。采用2500m3/s冲沙流量、同时降低冲沙水位到144m 或143m，引航道淤积可以得到大量清除。当冲沙水位降低到143m 时，船闸航道的冲沙能力可以得到很大提高，效率达到81%;升船机航道的冲沙效率也达到53%。图5-100 是淤积和两种降低水位条件的冲沙效果图。

图5-99　优化方案升船机和船闸最大水位波动幅度与取水周期(Tp)和错峰时间(Ts)关系

图5-100　优化方案引航道 (运行60年后)按1968年条件的淤积及冲沙效果

A—冲沙前;B—Q冲沙=2500m3/s，水位=144m 冲沙后;C—Q冲沙=2500m3/s，水位=143m