三峡-葛洲坝两坝间航道整治工程方案试验研究

陈素红;李学海

【摘 要】三峡-葛洲坝两坝间为川江航运咽喉,制约着航运和调峰能力的提高.分析两坝间航道控制河段的地形边界特性及碍航原因,通过模型试验及数值模拟对各整治工程方案的效果进行了比选及可行性分析,并选择典型调峰方案予以验证.推荐了有效可行的整治方案. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2010(000)001 【总页数】8页(P94-101)

【关键词】三峡-葛洲坝两坝间航道;航道整治;模型试验;数值模拟 【作 者】陈素红;李学海

【作者单位】武汉工业学院工商学院,湖北武汉430065;长江科学院,湖北武汉430010

【正文语种】中 文 【中图分类】U617

三峡—葛洲坝两坝间河段位于长江西陵下段，长约38 km。全河段峰回河转，蜿蜒曲折，大部分处于峡谷河段中，岩壁陡峭，河床多呈“U”、

“V”型，多处山脚、石梁、闷埂潜布江中，汛期水流湍急，泡漩、剪刀水等流态发育，河势十分复杂，特别是在水田角、喜滩、老虎洞（狮子垴）、石牌、偏垴等河段，水流复杂，通航条件较差，素有“川江咽喉”之称。两坝间河势见图1。

葛洲坝枢纽兴建前，两坝间航道局部流态恶劣，流速及局部水面比降较大，是川江河道中航行最困难的区段之一。葛洲坝枢纽蓄水后，两坝间航道处于常年回水区内，原有急流险滩大部分被淹没，枯水期呈水库特性，但汛期石牌以上河段天然河道特性明显，莲沱河段仍存在泡漩等不良水流，水田角以下河段还有回流与主流形成的夹堰水，通航条件较差。三峡枢纽建成蓄水后，因三峡枢纽调峰及泄洪影响，两坝间通航水流条件呈恶化趋势：三峡电站日调节下泄的不稳定流和葛洲坝水库的反调节引起流量、流速、水位在一天内有较大波动；汛期受三峡枢纽泄水波的影响，两坝间流速加大、流态变坏，石牌弯道以上尤为明显，船舶航运困难。葛洲坝水库运行水位范围在63.0～66.0 m时具有约8 600万m3调节库容，通过反调节可对调峰运行产生的不利影响予以较大缓解，但上述控制性部位的通航水流条件依然制约着航运及调峰能力的提高。因此，研究两坝间航道整治工程方案、改善其控制河段的通航水流条件，是一举多得之举[1]。 2.1 整治部位

两坝间河段，上水航行难于下水航行，为控制条件。船舶从葛洲坝前上行至三峡下游引航道，在北岸清凉树、南岸野人沱、北岸东洼子河、南岸天花板、北岸大沙坝、南岸水田角、北岸铺盖石、南岸大浪红等八处，因流态、流速、比降等通航水流条件制约，需经过八次跨河,其中，通航水流条件最差的碍航控制河段主要有莲沱、喜滩、狮子垴、石牌、偏垴五个河段，为整治重点。主要卡口部位边界特征值见表1。

2.2 整治途径

影响通航水流条件的地形边界因素主要有：局部碍航礁滩导致航深不足；河道狭窄导致流速比降增大；岸边挑嘴挑流产生斜流、泡漩等碍航流态；弯道水流作用导致流速分布不均匀等。因此，整治途径主要有：对宽浅河段，重点整治航道上礁滩，以畅通航道，满足航深要求；对窄深的峡谷河段，由于边岸陡峭，不易施工，采取

挖深扩宽措施工程量巨大，故整治以平顺岸线、调整流态为主，对局部狭窄河段可采取挖深扩宽措施以增大有效过水面积，减小流速，降低水面比降；对岸边存在挑嘴且冲淤变化不大河段，可通过爆破切除岸嘴，减小挑流形成的斜流作用及碍航流态，以平顺水流；对于受弯道水流作用影响导致流速分布不均匀河段，可采取调整河床复式断面形式或采用丁坝、潜坝措施调整流速分布等。 3.1 研究方法

整治工程方案研究采用物理模型试验与平面二维数值模拟相结合手段进行研究。为了便于方案比较，各控制河段的整治方案比选试验，首先选定在流量Q=30 000 m3/s、HG=63.0 m条件下进行；各河段整治方案比选后，选择有效的整治方案，再进行其他流量级试验，试验流量范围Q=20 000～45 000 m3/s，流量级别从低到高，如发现碍航流态或其他问题，再作局部调整。在推荐的河道整治方案下，进行典型调峰方案的非恒定流试验，以验证整治方案的效果。 3.2 各控制河段困难程度分析

为探明两坝间河段在葛洲坝蓄水后经过20余年冲刷变形后水流指标的变化，选择Q=30 000 m3/s，Hg=63.0 m工况，基于1984年和2004年2个年份地形开发的三峡—葛洲坝两坝间平面二维数学模型对2个年份地形条件下的水流指标进行了计算分析，见图2。

计算成果表明：狮子垴河段、喜滩河段、偏垴河段的地形经过20年已发生了较大冲刷变形，上述河段的垂线平均流速大幅度减小，水面比降也相应改变。2004年计算成果显示的困难程度循序为：莲沱河段、喜滩河段、狮子垴河段、石牌急弯、偏垴河段。考虑到河床变形因素，整治方案研究按2004年计算成果显示的困难程度循序进行。 3.3 整治工程方案研究 3.3.1 莲沱河段

该段河道狭窄，水田角及对岸粗石滩边岸存在挑嘴、斜坎，兼有莲沱出口附近回流带较宽，使水田角下游航道产生夹堰水，通航水流流态复杂。水田角位于南岸，边岸不整，多处向河心凸出，形成挑流；对岸粗石滩边岸有一潜入水下石埂，产生挑流，两岸凸嘴对峙，形成航运卡口。据此拟定两个整治方案，见图3。 方案1：北岸粗石滩边岸石埂，形成挑流，采用切除措施；

方案2：在方案1的基础上，切除南岸水田角#150断面附近的挑嘴，并局部挖深。 方案1侧重减小粗石滩处挑流作用（左岸），整治后，挑流作用减弱，内侧回流范围缩小，局部流态有所改善，#150～#152断面左岸边流速从整治前的3.0 m/s，2.14 m/s降至2.78 m/s，1.94 m/s，减少0.2 m/s左右，其他部位流速变化不大。 方案2侧重改善水田角处岸边流态（右岸）。整治后，河段断面流速变化不大，仅流态有所改善。整治前后，该河段水面线十分接近，局部比降略有差异，河段总比降没有变化。 3.3.2 喜滩河段

该河段受上游弯道影响，水流北急南缓，最窄处位于喜滩，北岸脚踏铺有一挑嘴，形成明显挑流，将主流挑向南岸，在下游岸边形成回流带，束窄了有效过水断面面积，使喜滩成为该段航运卡口。此外，上游南岸严许沱位于上游弯道处，岸线外凸，形成挑流，在下游岸边形成回流带、江中出现连串泡喷，由于喜滩河段航线偏于南岸，船舶上行经过该段时，斜流作用明显。鉴于此，试验拟采用切除挑嘴、局部挖深以及增设潜坝等综合措施对该河段进行整治，拟定了4个整治方案，见图4。 方案1：南岸喜滩边岸较陡，采用局部挖深措施，扩大过水面积；北岸脚踏铺边岸凸出，采取切除措施，该方案属试探性方案，工程量较小。

方案2：在方案一基础上，进一步平顺脚踏铺上下游边岸，切除范围加大。 方案3：在方案二基础上，将严许沱凸出处切除，使岸线平顺，减小挑流与航线的夹角，减小回流范围。

方案4：喜滩河段水流北急南缓，而河道又较狭窄，船舶上、下会船航道宽度较窄，为调整喜滩段的流速分布，扩大会船航宽，在弯道凹岸布置了2道导水潜坝。 试验成果表明：方案1，由于工程量较小，流态上无明显变化，左岸局部流速有所调整，但流速变化不大；方案2，在方案1基础上加大整治力度，将脚踏铺上下游边岸调顺，左岸脚踏铺挑角及下游回流范围均有所减小，#182～#184断面航线上流速从2.24 m/s～3.02 m/s降至2.0 m/s～2.77 m/s，减少0.20 m/s左右，碍航流态得到调整；方案3，南岸严许沱下游回流范围略有减小，挑流减弱，#182～#184断面航线上流速减少0.30 m/s左右；方案4，效果较为显著，喜滩段流速分布有所调整，主流向南偏移,主流基本居中，两侧边岸流速接近，有利于双线行船，#184断面左侧最大流速2.83 m/s，比整治前减少0.30 m/s左右。各方案整治前后水面线十分接近，局部比降略有差异，河段总比降变化不大。 3.3.3 狮子垴河段

该河段河道狭窄，礁滩、挑嘴较多，有白马沱、大沙坝、朝阳沟上、下首以及龙进溪等多处挑嘴，河段岸线不整。尤其是老虎洞对面狮子垴处，受上游弯道影响，水流偏于北岸，北急南缓，至狮子垴断面河道突缩，且狮子垴处岸线向河心凸出，形成挑流，在北岸形成较大回流带，进一步束窄了有效过水面积，使该段水流湍急、流态较差，成为航运险滩。该河段拟重点整治狮子垴部位，采用清除局部碍航礁滩、切除凸嘴及局部挖深等综合措施进行整治。拟定了4个整治方案，见图5。 方案1：为减小狮子垴处挑流强度，将狮子垴处凸嘴切除，上下游流线形衔接。 方案2：在方案1基础上，对狮子垴边岸水下地形进行开挖，降低狮子垴处上下游衔接水下地形高程，使水下边岸坡度变缓，进一步减小挑流强度及下游回流范围. 方案3：在方案2基础上，扩大边岸线开挖范围，以减小挑流强度及下游回流范围，同时对狮子垴边岸水下地形进行开挖，降低狮子垴处上下游衔接段水下地形高程，保持边岸一定距离水平衔接。

方案4：在方案3的基础上，同时拓宽狮子垴边岸水下地形开挖范围，降低狮子垴处上下游衔接段水下地形高程，既扩大过水断面，又保持边岸岸线平顺衔接，使该区段流线顺畅。

试验成果表明：整治方案随工程量增大，对流态、流速的调整效果越好。该河段整治前流速大，挑流线与航线夹角较大，船舶需在大沙坝跨河南行至老虎洞沿南岸上行。整治后，狮子垴处边岸斜流作用减弱，挑流形成的左岸回流范围减小，整治规模越大，效果越明显。由于老虎洞—柳林子段（位于石牌上口南岸）为直线段，狮子垴挑流作用的减弱，不仅减小了下游边岸回流范围，而且使下游河段有效过水断面面积增大，流速分布得到调整，影响范围一直到石牌上口。以#211断面为例，方案4航线上和左测流速分别为3.32 m/s，3.19 m/s，比整治前降低0.47 m/s和0.98 m/s，深泓线垂线平均流速降低0.30 m/s左右，右侧流速影响相对较小。该河段#203～#211区段比降最陡，方案4整治后，水面比降由0.41‰降低至0.22‰左右，狮子垴至石牌上口的倒比降略有减小，总体比降变化不大。 3.3.4 石牌河段

石牌弯道为90°急弯，弯曲半径仅为750 m。北岸岸坡陡峭，南岸平缓，但地势较高，石牌溪口下首有山脚潜伸江中，深泓北折。水流循河心进入本段，经石牌急弯，沿深泓流动，至石牌溪口折向北岸，继火烧背凸嘴挑逼，至鲤鱼潭复移河心，南北两岸均见较强回流，南岸回流范围较大，北岸则泡漩强烈，水流紊乱，中间一线水流更显弯窄。

石牌急弯处深槽位于左侧，距左边线75 m，右侧是漫滩，有效过水面积小，地形复杂，从弯中断面开始，右边坡在石牌溪出口上游形成倒坡，至天花板，漫滩长度约1 600 m，在弯道下至#240断面，漫滩宽420 m，水面宽570 m，漫滩占3/4。受上游柳林子挑流的影响，右侧有长约700 m逆时针向回流，回流宽度约130～180 m，使得本河段有效过水断面减小，随流量增大，回流范围缩小。该河

段整治方案，拟采用局部开挖，切除南岸石牌溪口山脚，适当降低南岸边坡高程，以调整流速分布，改善水流经过石牌弯道后的折冲现象，减小水流与航线的夹角。拟定了4个整治方案，见图6。

方案1：对石牌溪口山脚中部进行开挖，使上下游较低地形连通，减小南侧回流宽度，增大南侧区域的过流能力，改善流速分布。

方案2：在方案1的基础上，进一步对石牌溪口山脚挖至34.5 m高程，上游南侧边线顺水流呈流线形。

方案3：在方案2的基础上，进一步对石牌溪口山脚挖至31.5 m高程。 方案4：在方案3的基础上，扩大右边岸开挖范围和深度，平顺边岸线。自#237断面至#242断面边岸开挖为弧线（转弯半径800 m），石牌溪口山脚开挖高程35 m至31.5 m高程。

试验成果表明：整治方案随工程量增大，对流态、流速的调整效果加强。整治前，受石牌溪口山脚挑逼，水流折向北岸，南岸形成大片回流区。经方案4整治后，右岸回流范围减小，折冲水流消失。弯道上口右侧回流范围减少，左侧流速由2.37 m/s降低至1.71 m/s，航线上的流速由1.88 m/s提高至2.20 m/s。弯道下口左侧流速降低，右侧流速相应增加。在弯道水流作用下，右侧水位高于左侧水位，狮子垴至石牌弯道上口水面负比降有所降低，弯道段水面比降有所增加，其他部位水位及比降均变化不大。 3.3.5 偏垴河段

该河段河道狭窄，北岸偏垴与南岸台子角隔江对峙，江面不足200 m，汛期水流湍急。由于两岸岸坡较陡，扩宽河道宽度，工程量较大。北岸东娃子河—偏垴段有一挑嘴，致使北岸下游形成大片回流区，产生漩涡、泡漩等碍航流态，船舶航行安全性差。由于该河段河道狭窄，边壁陡峭，扩宽河道工程量较大，未作探索。为减小回流宽度，平顺岸线。试验对东洼子河—偏垴间北岸挑嘴拟定了切除整治方

案，如图7所示。

试验成果表明：整治前，东洼子河—偏垴间北岸挑嘴处斜流作用明显，东洼子河一带回流范围较大，流态复杂；整治后，回流范围有所减小，斜流作用减弱，流态有所改善，航线流速略有减小，流速总体变化不大。石牌急弯段水面比降变化不大，#242～#263段水位有所降低，#268断面后水位及比降变化不大。

1）莲沱河段整治方案2，切除北岸粗石滩边岸石埂及南岸水田角附近挑嘴，并局部挖深，工程总量11 860 m3，对改善局部水流流态有一定作用，但对降低流速及比降作用不大，该方案在边岸施工，难度不大。

2）喜滩河段，切除左右岸岸嘴后，挑流效应有所减小，左岸回流范围减小，局部流态有所改善，对此河段航行水流条件有一定程度的改善。鉴于本河段河道狭窄，边坡峻峭，河势条件复杂，采取边坡整治、弯道处加设潜坝方案等，对改善喜滩段流速分布作用有限，且实施难度大，因此，暂不作推荐。

3）狮子垴河段整治方案3，切除左岸形成挑流的岸嘴后，平顺岸线，扩大过水断面，工程总量为33 150 m3，挑流效应有所减小，局部流态有所改善，航迹线上流速最大减幅达到了0.20 m/s，同时减少了局部比降，对改善狮子垴处局部流态及下游直段流速分布效果明显。该方案涉及边坡开挖及水下施工，难度稍大。 4）石牌河段整治方案，各方案对改善局部水流流态有一定作用，但石牌弯道特性很强，鉴于石牌溪口山脚对水流有折冲作用，爆破清除局部碍航礁滩后，流速结构有所调整，沿航迹线，流速有不同程度的降低，随着清除方量的增加，流速减幅增大；方案3，工程总量211 470 m3，工程量适中，采取水下钻爆的方式比较容易实施。

5）偏垴河段整治方案，切除北岸边岸挑嘴，工程总量2 955 m3，整治后挑流作用明显减弱，左岸回流范围减小，对改善东洼子河—偏垴段流态作用较为明显，且施工比较方便。

试验按各段推荐整治方案进行整治后，对汛期调峰2个典型方案下两坝间通航水流条件进行了验证。2种典型调峰方案的三峡、葛洲坝枢纽流量过程线见图8。 试验成果表明：

1）两坝间水田角、喜滩、狮子垴、石牌和偏垴等控制河段，在电站调峰时流速及水面比降较恒定流时增大，尤以狮子垴河段为甚，石牌河段主要表现为横向流速偏大，制约着调峰能力的进一步提高。

2）调峰方案1：狮子垴河段在整治前，最大纵向流速2.63 m/s，相应水面比降0.82‱

；整治后，最大纵向流速和相应水面比降分别为2.67 m/s，0.64‱

，

相应水面比降有所降低。石牌河段，在整治前后，航迹线上的横向流速分别为-0.83 m/s 和-0.59 m/s，横向流速降低。

3）调峰方案2：狮子垴河段在整治前，最大纵向流速2.65 m/s，相应水面比降1.10‱

；整治后，最大纵向流速和相应水面比降分别为2.70 m/s，0.36‱

，

相应水面比降有所降低。石牌河段，在整治前后，航迹线上的横向流速分别为-0.84 m/s，-0.64 m/s，横向流速降低。

由此可见，在三峡电站调峰运行时，通过河道整治，可以改善局部河段通航水流条件，提高通航能力，并进而提高三峡电站的调峰能力。

1）整治工程方案试验表明：莲沱河段采取切除北岸粗石滩边岸石埂及南岸水田角附近挑嘴并局部挖深方案，可以改善下游局部流态；喜滩河段因河面狭窄，边岸陡峻，通过扩大过水断面的方案难于实施，其它工程措施效果不明显；喜滩下游至老虎洞附近河段，切除左岸狮子垴凸嘴，扩大边坡开挖范围使挑流作用减弱，下游边岸回流范围减小，有效过水断面增大，流速分布调整，局部河段比降降低；石牌弯道，转弯半径仅750 m左右，在石牌溪口山脚沿边岸线开挖，降低河床高程至31.5～34.5 m，平顺边岸线，断面流速结构调整均匀，流态改善，倒比降趋缓，有利于船舶上水航行；偏垴河段，切除左岸突嘴，减小挑流形成的位斜流作用，可

以改善碍航流态。

2）按推荐整治方案整治后，典型调峰方案的验证试验表明：上述控制河段流态明显改善，局部困难航段最大流速和瞬时水面比降均有所降低，对改善通航水流条件、提高通航能力大有裨益。

3）该整治方案的研究仅为初步研究，已初步显现出了对提高航运及调峰效益的作用，结合三峡梯级优化调度进一步深入研究其整治工程方案，对进一步提高三峡梯级的发电、航运等综合效益将有着积极的作用。

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