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水利工程论文-三峡工程引航道冲沙流量的合理规模.doc

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水利工程论文-三峡工程引航道冲沙流量的合理规模.doc

水利工程论文三峡工程引航道冲沙流量的合理规模摘要本文系统比较了三峡工程与葛洲坝工程的具体条件,结合泥沙实体模型和数学模型的研究成果,提出了三峡引航道冲沙流量的合理规模。三峡工程可以用较葛洲坝工程规模小的小流量冲沙措施实现动水冲沙。通常条件下,将引航道冲沙设施的规模控制在4000m3/s的范围以内,就可以达到很好的冲沙效果如果冲沙时进一步考虑小幅度降低水库水位,则尚可以进一步降低冲沙流量或增加冲沙效果。降低水位冲沙系非结构措施,可以作为今后运用中的安全余地。本文建议,三峡工程采用4000m3/s的冲沙流量规模。关键词三峡工程引航道泥沙淤积动水冲沙小流量1前言三峡枢纽通航条件是改善长江中上游航运条件的关键所在。为此,三峡工程布置了双线五级船闸和垂直升船机两套通航建筑,使通航规模与葛洲坝工程的三线船闸一致。根据葛洲坝工程的经验和三峡工程的泥沙研究成果1~4,在工程运用后期,坝区的泥沙淤积将会比较严重,上下游引航道布置一定长度的防淤隔流堤是必要的。为此三峡下游引航道采用了长隔流堤将引航道与主流分开,上游引航道采用了兴建一条将船闸、升船机引航道及由临时船闸改建的冲沙闸全部包括在内的所谓全包隔流堤方案。由于临时船闸的缺口可以改建为能泄放2500m3/s的冲沙闸,所以,全包方案已经为冲沙提供了一个重要的冲沙设施。尽管上下引航道兴建了防淤隔流堤,但是,上下引航道年内泥沙淤积量还是很大。据研究资料统计,到后期上下游引航道的碍航淤积量均在100万m3以上。考虑到通航条件的限制和淤积在时间上的不均匀性,单靠机械挖泥将是难以应付的,必须考虑一定规模的水力冲沙设施。葛洲坝工程采用静水过船,动水冲沙7已经被实践证明为成功的经验,三峡工程应该借鉴。但是,三峡与葛洲坝工程又是有差异的,三峡工程可以利用葛洲坝工程所没有的有利条件,而不应完全照搬葛洲坝的冲沙规模。三峡动水冲沙的规模应该根据其具体情况分析来决定。根据作者近年来关于三峡工程上下游引航道泥沙淤积对策方面的实体模型试验和数学模型计算研究,在具体分析了三峡工程的有利条件的基础上,本文提出可用小流量冲沙的措施实现三峡工程的动水冲沙,引航道冲沙设施规模控制在4000m3/s的范围以内,就可以达到很好的冲沙效果。如果进一步考虑降低水库水位等非结构措施,冲沙流量还可以减少,这可以作为余地,有利于确保三峡上下引航道的畅通。2葛洲坝工程与三峡工程冲沙条件的比较葛洲坝工程采取动水冲沙的方法对维护上下游引航道起到了决定性的作用,这是值得三峡工程借鉴的。但是,由于三峡与葛洲坝工程毕竟存在差别,定量上决定三峡工程冲沙流量的规模应该结合三峡工程的具体条件进行具体分析。张瑞瑾在分析葛洲坝工程的情况并总结出静水过船,动水冲沙措施时是根据下列三个客观条件7,即1长江属于年平均泥沙浓度略大于1kg/m3的中沙河流2葛洲坝工程是水量丰沛的径流式电站,每年在相当长的时间中存在较多的弃水3枢纽宣泄洪水需要较多的泄洪闸,冲沙闸可以起泄洪闸的作用。三峡工程与葛洲坝工程比较,在条件上存在很大的差别。这些差别是由于工程的规模,水头及泄洪布置方式以及长江上游大型水电工程群的综合作用所决定的。三峡工程与葛洲坝工程虽然仅仅相距几十公里,天然条件下的水沙条件几乎完全一致。然而,三峡工程是具有几百亿m3库容,允许上百亿m3泥沙淤积的大型水库,虽然水库运行初期也有相当数量的泥沙到达坝前,但是,水库需要约100~130年才能达到初步的冲淤平衡,平衡前到达坝前的泥沙浓度将会远小于天然情况,至少前30年的淤积情况不会象葛洲坝工程引航道那样严重。同时,国家已将金沙江的开发列上日程,向家坝或溪落渡之一可望在10年内开工。即使是库容量相对较小的向家坝水库,前30年平均年拦沙量估算亦达1.25亿m38,约为长江总输沙量的四分之一。上游水库拦沙后,三峡工程上下引航道在近期和中远期的泥沙淤积都将得到一定的延缓。兴建规模大而且几十年以后才使用的冲沙设施势必造成资金的极大积压。三峡枢纽不是径流式电站。三峡工程在145m水位时,电厂满发需要的流量大约为22000m3/s,在每年9月需要冲沙时,长江平均来流量仅27500m3/s,虽然存在一定的弃水,但弃水量已经很小。特别是上游水库投入运行之后,水能资源的综合利用和优化调度更将大大减少三峡工程的弃水。在弃水量较小的枢纽,用于冲沙的水量必须通过综合经济比较加以合理地确定。如果冲沙流量太大,每年可以安排冲沙的时机将会受到限制,航运与发电的矛盾将会突出。三峡工程是高水头的枢纽。它包括了规模宏大的泄洪建筑物。冲沙设施不再象葛洲坝工程那样是泄洪的必需设施之一,其建设投资是必须认真考虑的因素。而且,如果冲沙设施的规模象葛洲坝工程一样,达到8000~10000m3/s的流量,则由于水头高,在隧洞布置、消能等方面将存在较大的难度,特别是隧洞的施工与过流对船闸高边坡的稳定和安全影响可能很大。设置大规模冲沙隧洞的可行性需要慎重研究。三峡枢纽将船闸和升船机两套通航设施都布置在左侧,对部分引航道的共同利用和通航的管理等方面带来一定的好处,但是,对航道的淤积和往复流的控制则带来了困难5,6,特别是上游引航道的冲沙,不管三峡工程采用哪种隔流堤布置方案,采用多大的冲沙流量,引航道中都将存在冲沙的死区,机械挖泥作为辅助措施清除边角等死区的泥沙淤积是必要的。引航道冲沙只能解决主航道线上的淤积问题。3小流量冲沙的可行性三峡工程上游引航道的控制宽度139m高程以上平均240m比葛洲坝工程三江上游引航道的最小宽度57m高程以上平均250m稍窄,同时,冲沙时航道水深相差很大。三峡工程汛期的水位是汛限水位145m,引航道冲沙时的最大水深仅为6m葛洲坝工程作为三峡工程的反调节水库,设计要求它具有3m的水位变幅,相应水位为66~63m,冲沙时的水位一般是66m或66.5m1987年后,按相同的航深要求,葛洲坝工程的最大冲沙水深为9m。图1是1995年冲沙前后,葛洲坝三江上引航道进口处的断面。冲沙后过水面积为2781m2,平均水深达11m,大于前面采用的9m。三峡工程上引航道的冲沙水深较葛洲坝小1/3。如果假设冲沙开始时航道的淤积厚度同为2m,则三峡航道的水深仅为较葛洲坝的4/7。根据张瑞瑾的挟沙力公式图1葛洲坝三江上引航道进口处冲沙前后过水断面MeasuredinletsectionsinSanjiangupperapproachofGezhoubaProjectbefore/afterflushingSk(u3/ghw)1式中U是平均流速h是水深ω是泥沙沉速g9.81m≈1.0。由于三峡与葛洲坝相距仅几十公里,三峡引航道的泥沙和葛洲坝引航道的泥沙应该很接近,沉降速度基本一致。而在相同的冲沙流量下,三峡引航道的平均流速是葛洲坝的1.56~1.82倍,所以,三峡引航道的挟沙能力将是葛洲坝的5~10倍。对上游引航道而言,三峡工程显然没有必要采用与葛洲坝工程相同的冲沙流量。如果三峡与葛洲坝上游航道按相同的挟沙能力设计,则由公式1三峡工程引航道的冲沙流量为Q三峡冲沙0.440.54Q葛洲坝三江冲2葛洲坝三江航道冲沙流量一般为8000m3/s,因此,三峡上游航道的冲沙流量大约为4000m3/s。三峡工程下游引航道的水位可以通过葛洲坝工程控制,冲沙时可以降低。三峡工程下游引航道的宽度为180m,口门宽200m,航道底的维护高程为57m,汛期最低水位是由葛洲坝水库66m控制约67~69m,全年最低通航水位为63m葛洲坝三江下游航道的最小宽度为120m,口门宽是150m,航道底的维护高程为34.5m,全年最低通航水位为39.0m。对比之下,葛洲坝工程下游引航道的截面积应该比三峡下引航道小,冲沙条件较三峡工程应该更加有利。但是,由于葛洲坝工程是径流式电站,航道冲沙时机不可能安排在枯水季节,一般须在大江流量大于22000~23000m3/s的时候冲沙,这时,下游河道的水位高于46.5m,最大冲沙水深大于12.0m。而三峡工程的下游水位是处于葛洲坝工程水库的控制范围以内,汛末可以考虑降低葛洲坝水库水位冲沙。建议三峡冲沙时葛洲坝水库的坝前水位降低到62.5m,三峡工程下引航道出口的水位将为63~63.5m,最大冲沙水深约6.5m。冲沙时,三峡工程的最大水深为葛洲坝工程的54.2假设冲沙开始时,三峡工程和葛洲坝工程的淤积厚度均为2m,则三峡工程的水深仅为葛洲坝工程的45。冲沙时三峡的最大过水面积仅为葛洲坝的58.4~71.1在相同流量下,三峡工程下游引航道的挟沙能力是葛洲坝工程的5~11倍。若按相同的挟沙能力设计,则三峡工程下游冲沙流量的规模Q三峡冲沙0.450.58Q葛洲坝三江冲3与2基本一致。另一方面,同样用公式1的挟沙能力作为衡量标准,冲沙时三峡工程下游引航道挟沙能力指标将高于上游。因此,三峡工程引航道的冲沙流量可按2确定。葛洲坝工程从1986年开始,运行水位已达到66~66.5m。表1给出了1986、1987年三江航道的冲沙流量、水位及效果[9]。可见,冲沙条件和前面分析的条件是基本吻合的,冲沙效果特别是下游也是显著的。虽然上游效果略差,但最大水深都已经超过了分析中假定的9m。从葛洲坝工程的设计和现状可以看出,三峡工程引航道冲沙的流量由公式2计算是基本上可靠的,故三峡工程可以采取小流量冲沙的方案。由于葛洲坝三江的冲沙流量一般为8000m3/s,所以,三峡引航道的冲沙流量可以限制在4000m3/s以内。表1葛洲坝工程三江航道的冲沙情况[9]ObserveddataofflushingfromGezhoubanavigationapproaches

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