长江三峡明渠导流的试验研究与原型运行调查(

摘要：该文阐述三峡明渠导流的模型试验研究成果，含明渠池流能力，过流断面形式，渠道进口纵向堰头部形状，河岸保护，航道河段整治及船只上行航线等。并对原型泄洪运行中尤其是1998年大洪水作了观测，包括明渠水流情况，两岸水位，明渠底面冲淤变化，围堰护坡淘刷及船只航行等。

关键词：明渠导流 纵向围堰 河岸保护 航道整治 航迹线 运行观测

　　三峡第二期纵向围堰左侧的主河道，修建河床溢流坝和左岸厂房，以及左岸5级连续船闸，由导流明渠泄流，由明渠和临时船闸通航。试验研究是长江科学院、中国水利水电科学院、西南水运工程科研所各自的水力学整体模型(比例尺为1∶100；1∶120；1∶150)进行的。施测了明渠泄流能力，流速、水流形态、水面坡降及船队航行轨迹线，船舶对岸流速、操作使用舵角和航行漂角等。在明渠导流运行期间，长江科学院、长江委水文局和葛洲坝工程管理局进行了原型观测，现将有关调研成果资料整理如下。

　　1 水力学模型试验研究

　　1.1 明渠布置与渠道尺寸

　　明渠布置在长江右岸(图1)，沿中堡岛右侧的后河，明渠是由上、下游引航道，上、下游园弧连接段，直线渠身段所组成。试验比较明渠宽度450、465 m及410、400、350 m的不同规模方案[1]。在试验流量10 000～35 000 m3/s，观测到混凝土纵向围堰头部的位置和形式对明渠影响很大，在堰头形式不适宜时，纵向围堰侧旁会形成回流，最大回流宽度占到明渠一半，水流挤向凹岸一侧，更增大右侧航道流速。为调整断面流速，降低凹岸一侧航道宽度内流速，模型试验曾比较过加设隔流提、斜潜坝，采用右高左低的复式断面，而以上纵头部段为弧形曲线及以凹岸一侧航宽内渠底升高的复式断面效果最好，其升高度应以满足航道水深为限。

　　经综合论证，按所提试验成果比较分析，决定采用明渠结合临时船闸的施工通航方案，故选定明渠宽度350 m。该方案在流量10 000 m3/s时，可满足省市县地方船队的航行要求。当流量为20 000 m3/s时，静水率定流速4.9 m/s的3×1 000 t＋1 960.65 kw长航公司船队可沿明渠左、右航线上、下航行安全通过。

　　1.2 明渠断面及纵向围堰形式

　　在设计选定明渠宽度350 m后，对明渠上、下口引航道的开挖范围、纵向围堰头部曲线形状、渠底开挖高程，泄洪水位流量作了深入的试验研究。1998年提出的布置为:右岸边线长3 950 m，其中渠身段长1 700 m。明渠采用复式断面:右侧高渠底高程58.0 m，宽度100 m;左侧低渠宽250 m，底高程顺水流向为：距坝轴线44 m的上游高程50.0 m，坝轴线上游44 m到坝轴线下游113 m为45.0 m，坝轴线113 m以下为38.0 m。明渠上游引航道段长约1 050 m，其右侧100 m宽范围高程58.0 m，左侧高程54.0 m。下游引航道段长约1 200 m，其右侧宽100 m范围高程58.0 m，左侧高程48.0 m。导流明渠左侧为混凝土纵向围堰，其轴线长度为1 209 m，其中上纵段长530.0 m ，坝身段长113.0 m，下纵段长566.0 m。上纵头部位置及曲线，经过20个方案的比较试验和多次修改，最后选定:左侧为半圆台，其顶圆半径为2.5 m，底圆半径为28.75 m，上纵头部右侧为1/4椭圆曲线。

　　1.3 明渠的泄流能力及其防冲保护

　　1.3.1 泄流能力　明渠泄流能力是确定围堰高程及渠道断面尺寸、渠底防护的重要依据。将导流整体模型试验的有关上游水位、流量系列试验数据列入表1供设计、施工和管理单位参考。从表1可知，在100年一遇的校核流量83 700 m3/s时，上游水位为83.77 m，为此设计决定将第二期上横围堰和上纵围堰的顶高程从原设计90.0 m降为88.5 m。由于围堰建在淤积沙土上，考虑沉陷及风浪爬高的影响，留有一定的超高。

　　1.3.2 防冲保护 在通过设计导流流量79 000 m3/s时，航道范围内的最大垂线平均流速为8～9 m/s，而在明渠的高程范围，基础的岩石存在严重的风化情况，因此在渲泄洪水时，难免遭受冲刷破坏，将导致明渠通航水流条件恶化。在渠底弱风化层全部冲光条件下，在流量10 000 m3/s、15 000 m3/s、20 000 m3/s时，测量明渠右侧岸距75 m范围最大表面流速分别为2.15 m/s、2.38 m/s、4.16 m/s，均超过了通航要求标准，还出现了不利航行的泡漩水流。为保证明渠通航水流条件，必须对明渠进行防冲保护。经比较试验最终确定的明渠渠底保护方案为:对高渠坝轴线上游255 m到坝轴线下游100 m范围底浇混凝土保护。高低渠之间以1∶1的坡度连接。对左侧低渠碾压混凝土坝上游紧邻纵向围堰的宽60 m，长100 m范围的渠底同样浇筑混凝土保护。按上述措施保护后，经流量20 000 m3/s试验结果表明:明渠右侧航线上的表面流速降低，泡漩水流消失，长航船队自航船模，可沿明渠左、右两条航线上水通过明渠，全程平均对岸航速大于1.0 m/s，满足设计通航要求。

　　1.4 明渠上、下游航道连接河段的整治

　　整治措施是将上、下游航道连续河段规划航道内的礁石开挖到高程600 m，沙包开挖到高程61 m，进行了整治前与整治后对比试验。在流量10 000 ～30 000 m3/s的对比试验，结果表明:从保证上游航道连接段航深、消除跌水，泡漩等碍航流态，减少水流与航线夹角，减少横向流速看，此项整治措施是必要的，也是有效的。

　　2 导流期间原型观测

　　(1)明渠水流情况[2]。水流受渠道混凝土纵向围堰缩窄的影响，在纵向围堰首部桩号19＋480至19＋200的20 m范围产生跌水，按模型上游水位与渠道原型桩号19＋560处水面差计，在流量35 900～61 000 m3/s时落差2.30～3.3 m，并有波浪，堤头有挑流作用，挑流线上流速较大；在渠身段，即河床高程由50 m过渡到45 m的区段，产生水面降落波动外，整个明渠过流平顺，水流条件好，主流偏右(图1)。

　　(2)明渠水位变化。在流量35 900～61 000 m3/s时，纵向水位差1.2～1.65 m，纵向比降i=0.001 0～0.001 4。受渠道进口和出口弯道段水流离心力的影响，在渠道产生横向水位差，在右岸护坡一侧的凹岸产生壅高水位，在纵向围堰一侧的凸岸水位降低，水位差1.6～2.l m，横比降0.004 3～0.005 6。

　　(3)渠道糙率。进入明渠的水流在进口段受纵向围堰束窄作用产生跌水和回流漩涡区，再往后水流为平稳均匀段，直到明渠的出口处，这一渠道段为均匀流，可进行糙率η计算。根据实测的明渠两岸沿程水位即在右岸桩号19＋600至21＋160与纵向围堰19＋600至20＋600河段水尺的平均水位(即中心渠道)求出水面比降，取顺直段低渠高程50 m，断面平均流速，按均匀流谢才公式计算，即：

　　根据明渠实测的过流量及渠道水位求得糙率，导流期间流量35 900～61 000 m3/s，η=0.034～0.035。截流期间流量10 000～14 000 m3/s，η=0.050～0.040。糙率η随水位流量降低而增大，反之则减少。

　　(4)明渠出口及下横围堰流态。水流经明渠出口后，主流偏右，在原一期围堰附近产生较大水面波动。当流量61 000 m3/s，在桩号21＋120，离明渠右岸护坡约150 m宽的水域波浪高1.5～2.0 m，右侧茅坪溪出口裹头被淹，二期下游横向围堰为缓慢回流区。

　　(5)脉动压力观测。在导流明渠纵向围堰和右岸护坡分别埋设4、5个脉动压盒。在汛期观测结果表明，当流量39 700～61 000 m3/s，脉动压力较小，最大值位于纵向围堰19＋775断面，脉动压力幅值较大的分布在纵向围堰侧19＋560，19＋775及明渠右岸护坡21＋160断面。脉动压力均方根值7.604 e～03 mpa。一般仅为1.l e～0.3～1.003 e～02 mpa，主频在0.195～1.95 hz，脉动压力幅值较小，频率较低，对建筑物无影响。

　　(6)1998年渡汛观测。发现有三处流速较大，一是桩号19＋900三期碾压混凝土围堰基脚处，二是21＋160一期下游围堰及茅坪溪改道工程出口附近，三是明渠进口混凝土纵向围堰头部引起的挑流线上。明渠内表面流速在流量61 000 m3/s时为6.94 m/s。在流量58 000 m3/s时，在19＋665断面距纵围堰50 m处，流速5 m/s;在右岸护坡19＋900断面距岸10 m，流速7.22 m/s。说明设计采用混凝土或块石护坡是必要的。

　　(7)巡视检查。1998年汛期经历过8次洪峰，流量大于50 000 m3/s，2次超过61 000 m3/s，围堰上游水位达78 m，下游最高水位73.6 m，落差4.4 m，持续时间36天，围堰承受水头63 m。长江科学院1∶150整体模型试验流量60 300 m3/s，上游苏家坳水位78.35 m，相差0.35 m，两者基本一致。上游围堰迎水侧的块石石渣，靠纵向围堰上游头部凸出部位受到水流冲刷局部坍塌，迎水面块石未动;下游围堰迎水面块石未冲动，而迎水坡护坡局部坍塌，受明渠出流影响围堰坡脚为回流区。距纵向围堰后40～50 m处的钢筋护体冲走长30～40 m，宽20 m的范围。

　　(8)明渠底面冲淤变化。明渠进口段河床由淤砂，粉质壤土及风化岩石层组成。根据1999年4月实测坝区水下地形图资料，经1998年汛期洪水冲刷，大江截流期间形成的淤泥已基本冲刷干净;现在地形一般在58 ～59 m之间，与设计地形基本一致，局部地形最高高程60.0 m，最低53.5 m。渠身段由淤砂、砂卵石、砂质壤土及风化岩石组成，根据地质条件对渠底采用了现浇筑混凝土板防护。对右岸边坡根据不同岩石风化程度采用了不同厚度混凝土护坡护脚，经1998年汛期洪水后，整个渠身除局部地区外均发生轻度冲刷，与设计高程基本一致;在渠的坝上游100 ～200 m地形被冲成顺水流方向两条冲槽，右槽宽约10～20 m，一般冲深3 m，最大冲深8 m;左槽宽20～30 m，一般冲深2 m，最大冲深5 m;明渠纵向围堰一侧，从坝轴线起至下游250 m长度范围内有最大宽度约70 m的淤积区，最大淤高5 m。渠出口段，地质覆盖层，渠身段，右岸边坡过渡到覆盖层边坡，该河段是1998年汛期发生冲刷最显著部位，明渠高渠部分在茅坪溪出口附近平均高程50 m，最低42 m，比设计断面低16 m。但明渠出口下纵围堰端部附近有分地形超过53 m开挖高程，最高点为56.2 m。

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