三峡导流明渠通航条件浅析

摘要：导流明渠是三峡工期工程施工期的重要航运通道，中枯水期通航条件较好，可满足运量要求，根据施工通航历时长、运量大、技术难题多等特点，如何增加明渠通航时间、提高运量，是人们关心的重大问题、经研究，当整治上、下游口门连接段航道后，选择合适航线，采取绞滩换推等措施，可将通航流量提高到30000～35000m3/s，但同时应加强原型观测，注意通航水流条件的变化，以便采取措施保证顺利航行。

关键词：三峡工程 导流明渠 施工期通航

1 基本情况

1.l明渠型式及尺度

　　导流明渠位于长江右岸中堡岛右侧，既是二期施工期唯一的泄水河道，也是该时期中枯水季的重要航运通道，设计最大通航流量为20000m³/s。导流明渠渠身中间顺直、进口为弯道、平面呈微弯的半月形。明渠左侧为轴线长度1191.47m的混凝土纵向围堰；右侧靠山坡，上弯道右边线园弧半径R₁=777.6m、园心角θ₁=3.6”，厂弯道右边线园弧半径R₂=787.5m、园心角民θ₂=56°，右边线全长4038.98m。明渠航道轴线长3427.79m；最小底宽为350m，进口段无高低渠之分。渠底高程为59～58m；接近堰段时为有高左低的复式断面，右侧高渠底宽100m，渠底高程58m，左侧低渠底宽不小于250m，渠底高程从上到下分别为58m、50m、45m和53m等四级。

1.2明渠通航标准

　　导流明渠的设计通航标准，一直受有关各方关注，经论证审定的标准是：3×l0001十2640Hp或2×1500t＋2640Hp的大型船队在流量小于20000m³/s时通航．要求明渠航道内此时流速、流态和水面比降等满足上行船队平均对岸航速大于1.Om/s；中小型船队在流量小于10000m³/s时通航，要求此时航道范围内的最大流速小于2.5m/s，且没有碍航泡漩和波浪等不利流态。

2 明渠水流特点

　　非汛期导流明渠受葛洲坝水利枢纽回水影响，水流平缓，航行条件较好。汛期受混凝土纵向围堰上堤头作用，主流从左岸挑向右岸，在明渠上弯道下段形成右斜的高速区，在坝轴线及以上200m左右流速最大；三期碾压混凝土以下部位由于复式断面的调节作用，右岸流速减小。出口段受低渠底高程的抬高和卜弯道影响，在下弯点以卜的右侧又形成一个高流速区，其最大流速和比降值出现在坝轴线以下1300～1600m处。因此明渠水流有三个特点：①高流速区履盖范围较广。当20000m³/s流量时，试验表明4m/s以上的高流速从坝轴线以上800m处一直延伸到坝轴线以下500m；在坝轴线以上100m的横断面，明渠中部高流速区分
布宽达250m；②受明渠边界条件特别是低渠底高程变化的影响，明渠沿程纵比降分布不均，且正负比降交替出现。在20000m³/s流量时，试验测得坝轴线以上840～960m处纵比降为0.2%，而坝轴线以上720～840m
范围内纵比降则为-0.233%；③明渠的流速流态较为复杂。明渠进口因受纵向围堰挑流作用形成斜流，渠身段由于边界条件特别是渠底高程的变化，引起水流能星的转换而产生碍航波浪，出口段受弯道水流惯性的影响形成强劲的扫弯水，并伴有泡漩产生等。而且随着流量的增大，流速和比降值明显增大，碍航波及泡漩强度急增，使上行船舶航行阻力增加，下行船舶控制困难。

3 大江截流前后明渠冲淤与通航条件分析

　　导流明渠系凸向右岸的微弯型河道，具有弯道水流的特点，设计采用了左低右高的复式断面，其目的是调整断面流速分布，使明渠主流位于低渠，让高渠流速较小，以利船队上行。

　　一定的水流条件可以形成一定的河床，而河床的冲淤变化，又使水流条件随之改变，据大江截流前后实测资料，导流明渠自1997年5月破堰进水过流后，渠内产生了淤积，截流期间又随过流量的增加而冲刷，水流条件也随之变化。

3.1截流前的明渠水流状态

　　导流明渠进水后原大江仍处于过流状态，是主要的泄水通道，导流明渠的分流比小，流速低．经过一个汛期，渠内产生了大量淤积，1997年10月2日～26日实测地形表明，总淤积量达292万m³(表1)。从河床地形看淤积物主要集中在混凝土纵向围堰一侧和坝轴线以下(l7-24断面)一定范围内，虽然没有碍航淤积。然而抬高了低渠河底高程，降低了复式断面对流速流态分布的调整作用，使进人明渠后的主流右移，造成高渠区流速增大。1997年10月27日～28日，明渠过流量855Om³/s时实测了表面流速(表2)，从中可以看出，明渠上游连接段主流位于航道中心线以左200m附近，设计航道内为缓流区；然而到坝轴线以上1200m处，主流逐渐右移至高渠区，至坝轴线以下300m处高渠区流速最大，达2.9m/s，随后主流略向左移，沿明渠轴线下泄。

　　长江科学院曾在模型试验中实测了明渠10000m/s流量时的流速分布。将原型流量8550m³/s与模型10000m³/s流量时的流速对比可以看出：由于原型明渠内产生泥沙淤积，实测流速比模型试验值大。明渠进口至坝轴线以上350m处流速沿断面分面型式和试验相同，然而流速值比试验结果大0.2～0.7m/s，为1.13～3.6m/s(表2)，坝轴线以上300m至下弯道上部，高低渠的流速变化不一样，高渠的流速为2.01～2.9m/s，比试验值增大0.7～1.0m/s；低渠为1.9～2.27m/s，和试验值相近。明渠下弯道以下区域，实侧流速值为1.8～2.75m/s比试验值高0.4～0.6m/s。

3.2 截流后的明渠水流状态

　　1997年11月8日大江截流后，19～20日又实测了明渠水下地形，成果表明：随着截流进占，明渠过流量逐渐增加，河道产生冲刷，截流后长江水流全部由明渠下泄，冲刷进一步发展，与截流相比冲刷了128万m³，剩余淤积量为164万m³(表1)。淤积仍集中在混凝土纵向围堰右侧。

　　从1997年11月22～23日实测流量6150m³/s表面流速看，主流位置及断面流速分布与截流前相比有一些变化，但不大。坝轴线以上350m至下弯道上段，实测高渠部分流速为0.87～1.50m/s，低渠为0.86～1.57m/s。

　　综上所述，明渠不同过流量及河床冲淤变化，可使明渠的通航水流条件发生变化，应加强原型水下地形和表面流速流态观测及分析研究，掌握其变化规律，以保证明渠顺利通航。

4 提高明渠通航条件和能力的措施

4.1 选择合适的航线

　　导流明渠布置确定以后，鉴于其流速流态分布的上述特点，选择合适航线是非常重要的。经研究，上行船队的航线应避开坝轴线以下1300～1600m的急流区和明渠进口靠混凝土纵向围堰一侧的斜流区，上行船舶应沿下口左侧驶入明渠，在适当位置跨渠过渡到右岸后驶出。跨渠较合理航线有两个方案，一是船队到坝轴线以上高流速区后跨渠的左航线方案，二是船队在坝轴线附近跨渠的中航线方案。船队一直沿明渠右侧上驶的右航线方案则不太经济。

4.2 整治明渠上、下游航道连接段

　　三峡工程初步设计阶段明渠的进出口航线是沿两岸弯道的切线方向布置。由于明渠上游连接段墩滩一带礁石林立，岸线相对突出，与主航线连接不够顺畅，使下行船队在大流量时航行困难，上行船队无法利用近岸缓流，明渠下游连接段则因钩鱼嘴礁石区的存在，汛期下行船队航向与水流方向偏角较大，同时因礁石的阻水作用形成碍航波浪，不利于船舶航行，应予整治。葛洲坝大江1号船闸上下游引航道连接段经整治后改善了通航条件，提高了通航能力，因此，根据葛洲坝的经验，对明渠上下游连接段进行了整治。

　　首先修改了明渠上、下游连接的平面布置，使之便于航行。上游连接段的航道中心线，在坝轴线以上1001.5m处以半径1000m、园心角28.3°向有岸偏转，使航线与流线基本一致，下游连接段则在坝轴线以下1117m处将原设计的航道中心线向右偏转5.1°，再向下游延伸。为此，炸除了连接段航道内的碍航礁石，开挖了浅水航槽，整顿了岸线，从而使上、下连接段航线较为顺畅，并贴近岸边的缓流区，有利航行安全，满足了通航要求。

4.3 设绞或换推助航

　　根据设计，当流量超过20000m³/s时明渠停航，所有船舶由临时船闸通过．限于其运力，每年汛期当流量大于20000m³/s时临时船闸将出现压船待闸。时间长达3个月，为此，航运部门经研究提出在明渠设绞或换推(助推)方案提高明渠的通航流量。

　　试验表明：在明渠内设一台额定绞力25t、进缆速度20m/min的绞滩船可将明渠的通航流量提高到30000m³/s。现场试验又表明：3×1000t千2600Hp船队减少一驳，自航上驶的流量可提高到22500m³/s；如果再采用5400Hp推轮换推船队自航上驶的流量可达30000m³/s。

　　经研究指出，如果对上述大型船队采用绞滩和换推（助推）相结合的助航措施，明渠通航量提高到30000～35000m³/s可延长通航时间约90天。

5 结论

　　研究表明：导流明渠上、下游连接河段整治后，选择合适的航线，中枯水期的通航条件较好；汛期当采取绞滩、换推或二者相结合的助航措施后，其通航流量提高到30000～35000m³/s。

明渠过流量的大小及河床冲淤变化可引起表面流速流态变化，从而影响船舶的顺利航行，因此，应注意加强原型通航条件特别是20000～35000m³/s流量期的观测研究，保证明渠在较高流量时能顺利通航。