中图法分类号: TV14 文献标志码: A 文章编号: 1001- 4179( 2010) 04- 0087- 04
20 世纪50 年代以来, 为配合水利枢纽工程的规划设计, 长江科学院和水文局开展了长江干支流水利枢纽工程泥沙问题研究, 其中重点是汉江丹江口水利枢纽、长江葛洲坝和三峡水利枢纽的库区泥沙淤积、枢纽各项建筑物防沙和坝下游河道冲刷问题, 采用水文与河道演变观测分析、河工模型试验和数学模型计算相结合的研究方法[ 1] 。
1丹江口水利枢纽泥沙问题研究
丹江口水库初期正常蓄水位为157 m, 相应库容为174. 5亿m3, 设计低水位139m, 相应的库容为72. 3亿m3, 防洪限制水位为149~ 152. 5 m。工程于1958年开工, 1968年第1台机组发电, 1973年初期工程建成。
丹江口水利枢纽规划设计阶段, 泥沙研究方面主要进行水库淤积计算, 预测水库淤积部位、淤积数量、淤积年限以及回水范围变化。1958年以来, 系统观测收集了大量库区和坝下游水文与河道演变资料, 并分阶段加以分析总结[ 1- 2] 。
1. 1水库淤积特点
1960~ 2003 年, 丹江口水库泥沙淤积总量为16. 18亿m3, 占总库容的9. 4%, 其中汉江库区淤积量为13. 89亿m3, 占总淤积量的85. 8%。
汉江干流库区平面形态特点是上、下段为狭谷段,中段为宽谷与狭谷相间。受库区形态及调度运用方式的影响, 汉江干流库区全长177. 4 km, 1960 ~ 2003年共淤积泥沙11. 89亿m3, 库容损失21. 7% , 其淤积有3个特点: ①库区两头淤积少、中间库容淤得多, 中段长60. 4 km, 河谷宽阔, 淤积6. 52 亿m3, 库容损失43. 5%; ②水库汛期按防洪限制水位运用, 干流库区有效库容损失相对较小, 1960~ 2003年139~ 157 m水位之间的有效库容内淤积2. 66 亿m3, 库容损失9. 5%;③变动回水区长60. 3 km, 位于狭谷段, 1960~2003年仅淤积0. 55亿m3, 且无淤积上延现象[ 3] 。
1. 2水库不平衡输沙研究
水库发生泥沙淤积和河床变形, 大都是由于水流不平衡输沙所致。长江科学院在20世纪60年代后期开展了不平衡输沙问题研究, 与丹江口水利枢纽水文实验站协作, 在丹江口水库变动回水区油坊沟至神定河口长约25 km库段进行不平衡输沙测验, 系统收集不平衡输沙资料。1972年长江科学院提出了不平衡输沙研究报告, 阐明不平衡输沙理论可能解决的3个问题: 含沙量的沿程变化; 悬移质级配的沿程变化和床沙级配的变化。给出了相应的计算公式作为不平衡输沙计算的基本公式。将其与水流连续方程、水流挟沙力方程联用, 组成水库不平衡输沙冲淤计算方程组[ 4] 。1974年与武汉大学数学系协作编制了电子计算机的计算程序[ 5 ] 。利用丹江口水库等实测资料对该计算方法进行验算, 结果较好。该计算程序已推广应用于葛洲坝、三峡等水利枢纽的水库淤积计算。
1. 3变动回水区河道演变
变动回水区河道演变主要表现为: 分汊型河段向单一河槽河型转化; 弯曲型河段的弯道平面形态趋向规顺, 边滩淤高展宽和上下延伸, 滩槽高差增大; 顺直过渡段年内为汛淤枯冲, 年际为累积性淤积, 滩槽高差加大。
1. 4坝下游河道演变
丹江口水库下游丹江口至碾盘山河段属分汊型河段, 碾盘山至河口属蜿蜒型河段。丹江口水库运用后河道演变有如下特点:
( 1) 水库蓄水运用后, 下泄水流的含沙量减少, 坝下游河道经历了长时期、长河段的冲刷过程。1972年坝下游河道冲刷长度已达464. 7 km。
( 2) 坝下游河道冲刷过程中, 枯、中水期同流量的水位较建库前有不同程度降低, 洪水期则变化不大。
( 3) 坝下游河道冲刷过程中, 河型基本不变, 局部河段河势有较大调整。分汊型河段仍保持原有河型,个别汊道发生主支汊易位现象。蜿蜒型河段仍保持原来河型, 弯道发生撇弯切滩, 弯道之间的长顺直段深泓摆动。
2葛洲坝水利枢纽坝区泥沙问题研究
2. 1坝区河势规划与枢纽总体布置
河势是指河道演变过程中水流与河床的相对态势, 一般以河段内主流线与河岸线的相对位置来表示[ 6] 。坝区河势规划基于河道演变学的观点提出了修建枢纽后坝区河段的河势调整趋势及主流线的位置。对于具有泄洪、排沙和通航要求的水利枢纽, 特别是低水头枢纽, 坝区河势规划是确定枢纽总体布置的主要依据之一。
葛洲坝水利枢纽位于长江三峡南津关峡谷出口处江面突然加宽、河底急剧上升的急弯下游段。1971年长江流域规划办公室主任林一山提出在进行枢纽布置设计的同时, 开展葛洲坝工程坝区河势规划研究, 对坝区河段的河势采用“一体两翼”的规划布局, 即在拦河建筑物上游2 100 m 宽的河面中, 两岸利用防淤堤与河岸形成各300m宽的引航道, 中间是800 m宽的主泓河床[ 7- 8] 。
根据葛洲坝水利枢纽坝区河势规划确定的枢纽布置方案为: 建坝后坝区上游河势主流线左移居中, 枢纽的主体工程是面迎主流且作为主要泄洪建筑物的二江泄水闸, 同时为了增大泄洪、排沙效益, 减少泄水闸的单宽流量并有利于施工截流, 将葛洲坝江心洲挖除, 以扩大泄水闸宽度; 二江电站和大江电站分别位于泄水闸的左侧和右侧; 枢纽右侧的大江布置1号船闸, 枢纽左侧的三江布置2号和3号船闸(图1)。
图1 葛洲坝水利枢纽坝区河势与枢纽布置
2. 2船闸引航道防淤清淤措施
为减少船闸引航道泥沙淤积和便于清淤, 采取“静水通航、动水冲沙”的工程措施, 分别在大江和三江上游引航道内修建防淤隔流堤和冲沙闸, 汛期发挥泄洪、排沙作用, 汛期末可以引流冲沙, 引航道内的大部分淤积物得以被水流冲走, 剩余的碍航淤积物则辅以机械措施加以清除。
2. 3 电站的防沙措施
为了防止泥沙淤积影响大江电站和二江电站安全运行, 除了充分发挥防淤隔流堤改善电站进流形式和减少电站前泥沙淤积外, 大江、二江电站均设置导沙坎和排沙底孔, 大江电站还设置排沙洞。
综上所述, 葛洲坝枢纽布置从研究坝区河势入手,提出坝区河势规划, 确定采用“一体两翼”的枢纽总体格局, 航道按2条航线、3 座船闸的布置方式和“静水通航、动水冲沙”的防淤清淤措施, 电站设排沙孔等设施, 从总体上解决了泄洪、排沙、通航和发电的矛盾, 使各项建筑物均能安全、正常运行, 枢纽的航运、发电效益得以充分发挥。枢纽经过20多年的运行检验, 证明坝区河势规划和枢纽总体布置是合理的。
3三峡水利枢纽泥沙问题研究
3. 1水库长期使用研究
20世纪50年代三峡水利枢纽规划过程中, 毛泽东主席于1958年夏听取了长江流域规划办公室(长江水利委员会的前称)主任林一山关于三峡水库寿命问题的汇报, 对三峡水库寿命表示担心[ 9] 。1964年8月林一山亲自带领科技人员到华北、东北、西北地区, 对多沙河流的7座水库和浑河大伙房水库进行考察。长江科学院通过大量实际资料分析和理论研究, 对长期使用水库的泥沙淤积相对平衡形态、水库长期使用与水库运用方式的关系以及水库长期使用与水库效益关系等方面均取得进一步的认识, 认为三峡水库长期使用具有如下的有利条件[ 10] :
( 1) 长江水量大、含沙量小, 库区河床主要为基岩、卵石组成, 河床平均坡降约为2. 0‰。, 水流挟沙力不饱和程度大;
( 2) 三峡水库属河道型水库, 大部分库段的水面宽度不超过1 000m, 水库的有效库容主要为槽库容组成, 滩库容很小;
( 3) 三峡水库上游来水来沙主要集中在汛期, 来沙以悬移质为主, 推移质输移量很小;
( 4) 三峡水利枢纽是长江中下游防洪体系的关键性控制工程, 汛期须降低库水位, 腾出防洪库容, 此时弃水多, 有利于排沙。
三峡工程初步设计阶段根据防洪、航运、发电和排沙的综合要求, 确定水库调度运行方式为: 每年5月末至6月初坝前水位降至防洪限制水位145m, 汛期6~9月一般维持此水位运行, 超过电站过流能力的水量,通过泄洪坝段下泄, 仅当入库流量超出下游河道安全泄量时, 水库拦蓄洪水, 库水位抬高; 洪峰过后, 坝前水位仍降至145 m运行; 10 月份水库蓄水, 坝前水位逐步升高至正常蓄水位175m; 11月至次年4月底, 水库尽量维持较高水位, 水电站按电网调峰要求运行; 4月末以前坝前水位不低于枯水期消落低水位155 m, 以满足水库变动回水区通航要求。
根据长江科学院水库淤积数学模型计算成果, 按上述水库调度方式运用, 在未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程拦沙效果的条件下, 三峡水库运用100 a后, 防洪库容可保留约86%, 调节库容可保留约92% [ 11 ] 。
3. 2水库变动回水区泥沙问题研究
三峡水利枢纽运用各时期水库变动回水区的范围, 从坝址上游约440 km的丰都, 至嘉陵江入汇口以上的油溪, 长约270 km(图2)。变动回水区河道流经丘陵和山区, 平均比降约0. 2‰~ 0. 3‰。河道由宽谷和峡谷相间, 河床由基岩和卵石组成。通过长江科学院等单位采用原型观测资料分析、泥沙数学模型计算与河工模型试验相结合的方法进行研究, 结果认为: 建库后变动回水区各河段均有不同程度的累积性淤积;局部河段发生河势调整, 淤滩留槽, 河道向单一、规顺、微弯形态发展; 航道、港区较建库前有较大改善, 少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况, 可采取优化水库调度, 结合港区改建和整治、疏浚措施加以解决。
图2 三峡水库变动回水区示意
3. 3坝区泥沙问题研究
1984年以来, 为配合三峡工程可行性论证和工程设计, 长江科学院等单位进行了大量坝区河段水文与河道演变观测、坝区泥沙模型试验和数学模型计算工作。坝区河势与枢纽布置见图3。
图3 三峡水利枢纽坝区河势与枢纽布置
根据坝址地形、地质、水文特性、建筑物运行要求以及坝区河势等方面综合比较, 选定枢纽总体布置为:溢流坝段位于主河槽, 设23个溢流深孔和22个泄流表孔, 满足泄洪、排沙和河势方面的要求; 溢流坝左侧布置左电厂, 右侧为右电厂和地下电站; 坝区上游段汛期主流线呈左向微弯, 根据三峡工程通航标准并考虑到上下游引航道进出口与主流线的平顺衔接, 五级双线船闸和升船机布置在左岸。
通航建筑物的引航道布置选定为: 船闸和升船机共用上、下游引航道, 上、下游引航道均设置防淤隔流堤。引航道的清淤措施为: 口门外采取机械清淤; 口门内采取机械清淤为主、冲沙闸引流结合松动冲沙为辅的综合措施, 冲沙闸位于升船机右侧, 冲沙流量为2 500 m3 / s; 在船闸与升船机之间布置两条冲沙隧洞,视今后需要可再建。
电站防沙措施为: 左、右电厂共布置7个排沙孔,地下电站布置3条排沙洞。
3. 4坝下游河道冲刷研究
三峡水利枢纽建成运用后, 水库下泄水流的含沙量减少, 坝下游河道将经历长河段、长时间的冲刷过程。根据长江科学院坝下游河道演变分析和数学模型计算, 得到如下认识[ 12- 13] 。
( 1) 三峡水库运用后, 宜昌至大通河段累计最大冲刷量为31. 81亿m3, 出现在第60年。其中宜昌至城陵矶段冲刷量最大, 且冲刷主要集中在建库后30 a内, 相应冲刷量为18. 17 亿m3, 单位河长冲刷量达4 621 m3 /m; 同流量水位下降, 宜昌站流量5 500 m3 / s的水位较建库前1993年实测水位下降0. 95m。
( 2) 荆江与洞庭湖关系调整, 表现在三口分流分沙量减小, 洞庭湖淤积量相应减小。三峡建库后10 a,湖区年淤积量为0. 422亿,t 约为1981~ 1995年平均年淤积量的一半。
( 3) 三峡建库后长江中下游河道基本河型不变,各河段的河势有不同程度的调整。长江中下游河道经过近50多年来实施护岸工程, 总体河势已基本稳定,必须加强河道演变监测, 及时调整河势控制工程布局和加固已建护岸工程, 保持河势长期稳定。
三峡水利枢纽2003年6月初期运行以来, 实测资料分析表明, 水库泥沙淤积、船闸引航道与电站泥沙淤积以及坝下游河道冲刷与水位降低状况总体上尚在预计同期值范围内。
4结语
60年来, 长江河流研究工作取得了重大进展, 进一步认识了长江水沙变化和河道演变规律, 通过对丹江口水库泥沙淤积及其坝下游冲刷的系统观测研究,为解决葛洲坝、三峡水利枢纽的泥沙问题, 提供了重要依据。葛洲坝水利枢纽20 多年来运行良好。三峡水利枢纽2003年6月初期运行以来的实测资料分析表明, 水库泥沙淤积、枢纽运行和坝下游河道冲刷状况总体上尚在预计同期值范围内。
在水利枢纽工程泥沙问题研究实践过程中, 研究水平得到较大提高, 研究方法也有较大改进。在泥沙测验和河道演变观测方面, 新的观测技术逐步得到应用。河工模型和泥沙数学模型的模拟技术取得重大进展, 并能相互结合解决长时段、长距离的河道演变预报问题。随着长江流域经济和水利水电事业的持续发展, 水沙资源的综合利用和梯级水库泥沙输移与调控等问题, 有待进一步研究。
参考文献:
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作者简介: 潘庆燊, 男, 长江委长江科学院原副总工程师, 教授级高级工程师, 国务院特殊津贴专家。
