临时船闸运行过程中的泥沙淤积与流态分析

临时船闸运行过程中的泥沙淤积与流态分析

三峡一期的建设时间为1998年至2003年。在此期间,由临时船闸和导流明渠承担长江客货水运。由于施工期坝区的来水来沙条件接近于枢纽运行远期的水沙条件,而且三峡工程永久船闸和升船机下游引航道一次建成,所以三峡工程二期施工期的引航道水流和泥沙淤积观测资料,可与泥沙实体模型三峡工程建成后的引航道水流条件和泥沙淤积的预测值比较,以便分析实体模型试验成果的可靠性,为通航建筑物引航道的防淤清淤工程设计和运行管理提供依据。1基本情况1.1引航道口长和口门长临时船闸布置在长江左岸,为单线一级船闸。其上、下游引航道均设有防淤隔流堤(图1)。上游引航道堤头口门内引航道长约905m,底宽由80m增加到口门处120m。堤头至主航道长度约1500m,其中口门区400m,连接段1100m;清淤底宽口门内为引航道底宽,一般为80～170m,口门外为120m,左右侧清淤边坡为1∶5。引航道口门内和口门区底板高程均为61.7m,口门内外碍航高程也均为61.7m。在口门外连接段刘家河和流荒背两处进行了炸礁。下游引航道口门内引航道长约4300m,其中临时船闸单独运用段长约2400m,底宽80m,底板高程58m;与永久船闸共用段长约1900m,底板高程为56.5m,底宽180m,口门处底宽为200m。口门至主航道长约2200m,其中口门区长度为450m,连接段长度为1750m,清淤底宽为200m,左右侧边坡为1∶5。引航道口门内外碍航高程为61.6m。在口门区右侧和连接段进行了局部炸礁。1.2模型类型和模型内容坝区泥沙实体模型模拟的河段,上起腊肉洞,下迄晒经坪,全长31.5km,模型为几何正态,平面和垂直比尺为150。模型同时模拟悬移质和推移质泥沙,模型沙为湖南株洲精煤,相对密度为1.33。通过验证试验确定模型的悬移质粒径比尺为1.5,含沙量比尺为1.0,冲淤时间比尺为70。1.31洪水流量与输沙量丰水丰沙、丰水少沙及少水少沙等不同类型水文年。1997～1999年和其它典型年宜昌站水文泥沙特征值见表1。根据宜昌站水文资料统计,1998年流量大于45000m3/s的天数为46d,而1954年为32d,1968年仅11d;1998年流量大于50000m3/s以上的天数为34d,而1954年为22d,1968年仅为4d。1998年主汛期的6,7,8三个月宜昌站洪水流量为3030亿m3,大于1954年同期值,最大60d洪水流量也略大于1954年,相当于百年一遇。1998年宜昌站输沙量略小于1954年,居有实测资料以来的第2位。因此,从引航道泥沙淤积而言,1998年水文年型比1954年型严重,比1968年更严重。2临时关闭法流量控制2.1流量流状态和通航流条件2.1.1设置上向水平垂直流速,低切线微弯线路,出口流量小,涉及多小环境、微生物.由于在上游引航道口门右侧修建防淤隔流堤,口门区较原设计方案向上游移约200m,并在连接段航道的流荒背和刘家河二处进行炸礁(图1),中心线以圆弧与直线平顺衔接,组成略向左靠的微弯航线。在实测流量43900m3/s情况下,口门区(口门外长400m、宽120m)纵向流速均小于2m/s,最大纵向流速为1.62m/s;最大横向流速为0.86m/s,最大偏角为47.16°,横向流速有17个测点大于0.3m/s,占测点总数的68%;回流流速均小于0.4m/s。连接段(口门外长400～900m、宽120m)最大流速为1.96m/s,最大纵向流速为1.92m/s,最大横向流速为0.57m/s,回流流速均小于0.4m/s。临时船闸上游引航道口门区和连接段流速分布见图2。2.1.2口门区和口金融区流量比较临时船闸下游引航道口门区和连接段虽然位于左岸缓流区内,由于受右岸代石坝和杨家湾码头挑流的影响,在引航道口门区和连接段产生了较强的斜流,其强度随流量的增大而加强。在流量为44800m3/s情况下,口门区(口门外长530m、宽200m)最大纵向流速为1.79m/s,回流流速小于0.4m/s,横向流速大于0.3m/s的有9个测点,占测点总数的30%。连接段(口门外530～2000m、宽200m),最大流速为2.21m/s,最大横向流速为1.44m/s,未出现回流区。施工二期下游引航道口门区和连接段流速分布见图3。2.2试航报告的基本情况临时船闸上游引航道1998年9月进行了实船试航。试航时流量为36000～41500m3/s,船队为载重920t和1600t的2驳船队。试航报告认为:(1)临时船闸上游引航道流速并不大,航线上的流速均不超过2m/s,上游引航道口门存在弱回流,并有一定角度的斜流,在42000m3/s流量以下,中型船队能顺利地通过上游连接段和口门区进入引航道,直至进入船闸内。(2)此次试航未对下游引航道进行测试,根据临时船闸1998年5月开通以来船舶航行及此次试航情况来看,临时船闸下游航道比上游航道要好。2.3模型原型的结果的比较2.3.1模型的航道断面、流速坝区泥沙实体模型试验的边界条件与原型差异较大,其上游引航道为无防淤隔流堤方案,原型为有防淤隔流堤;原型口门区比模型向上游方向上移了约200m;模型的连接段流荒背和刘家河两处礁石没有整治;模型的航道中心线位置与原型也相差较大。因此,模型流速分布和数值与原型差别较大。原型和模型的口门区水流条件均能满足纵向流速小于2.0m/s、回流流速小于0.4m/s的通航要求。原型口门区横向流速超过要求值0.3m/s的点数占总测点数的68%,模型则小于要求值,但船模试验与实船试验成果均说明口门区水流条件能满足通航要求,有部分区域横向流速大于0.3m/s是允许的。2.3.2航道水流条件模型与原型的下游引航道布置方案一致。下游引航道口门区(口门外长530m、宽200m)原型最大纵向流速在流量44800m3/s时为1.79m/s(图3);模型在流量45000m3/s时为1.93m/s。最大横向流速原型为0.827m/s,模型为0.42m/s。回流流速原型和模型均小于0.3m/s。横向流速大于0.3m/s的测点数占测点总数的百分比,原型为30%,模型为11%。船模试验表明:在流量35000m3/s时,能全面满足万吨级船队通航水流条件;在流量45000m3/s时,万吨级船队可沿航道中心线左右出口门,但仅能沿航道中心线以左进入口门;若将航速提高到3.6m/s,船队可沿航道中心线左右进出口门。综上所述,模型预测值与原型实测值在定性上完全一致,在定量上也基本吻合。总体而言试验成果所反映的通航水流条件较原型差,偏于安全。3临时大门用于引导航道内的沉积物3.1初步观测数据的分析3.1.11997年由于1997年上游引航道和下游引航道内仍未通水,所以仅进行下游引航道口门外回淤量分析。1997年汛期5～9月引航道淤积情况见表2。3.1.2口内化堆积量上游引航道从1998年3月13日至9月5日清淤前,上游引航道碍航高程在61.7m以上,口门内的回淤量为51.57万m3,口门区为7.36万m3,连接段无淤积,口门内外合计为58.92万m3(表3),口门内淤积量占总量的87.5%。为确保4m的设计航深,于9月12日至10月25日在航道内及口门区共长约1200m范围内进行一次性清淤,清淤至高程62.0～63.0m,清淤总量为45.08万m3。下游引航道1998年5月20日至1999年3月10日,引航道口门内外回淤量(见表2),按永久通航期底板高程56.5m以上计算,口门内为101.54万m3,口门区为62.90万m3,连接段为52.98万m3,口门内外合计217.42万m3,口门外机械清淤量为43.73万m3,实际合计回淤量应为261.14万m3。3.1.3上游上跨口门外清淤上游引航道1999年4月8日至16日清淤5.52万m3。8月3日至23日在口门内外进行了一次清淤,清淤高程为63.0m,清淤量为11.74万m3。从4月20日至11月28日上游引航道高程61.7m以上的回淤量为11.82万m3(表3)。下游引航道从1999年4月30日至11月28日淤积情况见表2。3.2模型观测数据与模型试验数据的比较3.2.1上游引航道堆积分布由于模型与原型的上游引航道边界条件差异较大,且模型试验没有模拟船闸充水对泥沙淤积的影响,施工二期模型试验采用1968年型的水沙条件与1998年、1999年差别也较大,因此原型与模型的上游引航道淤积分布和淤积量有一定的差别。就口门外引航道而言,原型淤积范围较模型小,局限于口门外400m,而模型则达800m;原型淤积量为6.32～7.36万m3,模型为30.45万m3,较原型大。就引航道口门内而言,原型由于设置防淤隔流堤和船闸充水影响,引航道内淤积分布较均匀,而模型则集中在上段;原型淤积量较模型大,原型为17.25～51.57万m3,模型则仅为8.9万m3。3.2.2引航道堆积量模型模型与原型的下游引航道边界条件基本一致,仅引航道左、右岸线有局部差异,另外,模型没有模拟船闸泄水作用。施工期坝区的来水来沙条件接近于枢纽运行远期水库淤积平衡后坝区的水沙条件,为便于模型与原型比较,模型采用枢纽运行75a(丰水丰沙的1954年型水文年)的试验成果,原型采用1998年的实测成果。从淤积数量分析,下游引航道按永久通航期引航道底板高程56.5m以上计算,口门内淤积量原型为101.54万m3,模型75a(1954年型水文年)为104.94万m3,模型偏大3.3%;口门外淤积量,原型为159.60万m3,模型为233.84万m3,模型偏大46.52%。从淤积部位分析,下游引航道口门内外的淤积部位,模型与原型基本吻合,口门区淤积厚度最大,分别向上、下游方向逐渐减小(图4)。口门内引航道泥沙淤积主要集中在口门至西陵大桥之间长约1.3km范围内。4航道防淤清淤工程(1)施工期坝区来沙情况与三峡水库淤积平衡后枢纽下泄泥沙状况相类似,而且临时船闸下游引航道即为枢纽运行后永久船闸与升船机合用的引航道,因此二期施工期临时船闸引航道的水流和泥沙淤积实测资料为枢纽运行后通航建筑物的引航道防淤清淤工程设计和运行管理提供了重要依据。(2)临时船闸上下游引航道口门区