水利工程論文-長江三峽明渠導流的試驗研究與原型運行調(diào)查摘要：該文闡述三峽明渠導流的模型試驗研究成果，含明渠池流能力，過流斷面形式，渠道進口縱向堰頭部形狀，河岸保護，航道河段整治及船只上行航線等。并對原型泄洪運行中尤其是1998年大洪水作了觀測，包括明渠水流情況，兩岸水位，明渠底面沖淤變化，圍堰護坡淘刷及船只航行等。關鍵詞：明渠導流縱向圍堰河岸保護航道整治航跡線運行觀測三峽第二期縱向圍堰左側的主河道，修建河床溢流壩和左岸廠房，以及左岸5級連續(xù)船閘，由導流明渠泄流，由明渠和臨時船閘通航。試驗研究是長江科學院、中國水利水電科學院、西南水運工程科研所各自的水力學整體模型(比例尺為1100；1120；1150)進行的。施測了明渠泄流能力，流速、水流形態(tài)、水面坡降及船隊航行軌跡線，船舶對岸流速、操作使用舵角和航行漂角等。在明渠導流運行期間，長江科學院、長江委水文局和葛洲壩工程管理局進行了原型觀測，現(xiàn)將有關調(diào)研成果資料整理如下。1水力學模型試驗研究1.1明渠布置與渠道尺寸明渠布置在長江右岸(圖1)，沿中堡島右側的后河，明渠是由上、下游引航道，上、下游園弧連接段，直線渠身段所組成。試驗比較明渠寬度450、465m及410、400、350m的不同規(guī)模方案1。在試驗流量1000035000m3/s，觀測到混凝土縱向圍堰頭部的位置和形式對明渠影響很大，在堰頭形式不適宜時，縱向圍堰側旁會形成回流，最大回流寬度占到明渠一半，水流擠向凹岸一側，更增大右側航道流速。為調(diào)整斷面流速，降低凹岸一側航道寬度內(nèi)流速，模型試驗曾比較過加設隔流提、斜潛壩，采用右高左低的復式斷面，而以上縱頭部段為弧形曲線及以凹岸一側航寬內(nèi)渠底升高的復式斷面效果最好，其升高度應以滿足航道水深為限。經(jīng)綜合論證，按所提試驗成果比較分析，決定采用明渠結合臨時船閘的施工通航方案，故選定明渠寬度350m。該方案在流量10000m3/s時，可滿足省市縣地方船隊的航行要求。當流量為20000m3/s時，靜水率定流速4.9m/s的31000t1960.65kW長航公司船隊可沿明渠左、右航線上、下航行安全通過。1.2明渠斷面及縱向圍堰形式在設計選定明渠寬度350m后，對明渠上、下口引航道的開挖范圍、縱向圍堰頭部曲線形狀、渠底開挖高程，泄洪水位流量作了深入的試驗研究。1998年提出的布置為:右岸邊線長3950m，其中渠身段長1700m。明渠采用復式斷面:右側高渠底高程58.0m，寬度100m；左側低渠寬250m，底高程順水流向為：距壩軸線44m的上游高程50.0m，壩軸線上游44m到壩軸線下游113m為45.0m，壩軸線113m以下為38.0m。明渠上游引航道段長約1050m，其右側100m寬范圍高程58.0m，左側高程54.0m。下游引航道段長約1200m，其右側寬100m范圍高程58.0m，左側高程48.0m。導流明渠左側為混凝土縱向圍堰，其軸線長度為1209m，其中上縱段長530.0m，壩身段長113.0m，下縱段長566.0m。上縱頭部位置及曲線，經(jīng)過20個方案的比較試驗和多次修改，最后選定:左側為半圓臺，其頂圓半徑為2.5m，底圓半徑為28.75m，上縱頭部右側為1/4橢圓曲線。1.3明渠的泄流能力及其防沖保護1.3.1泄流能力明渠泄流能力是確定圍堰高程及渠道斷面尺寸、渠底防護的重要依據(jù)。將導流整體模型試驗的有關上游水位、流量系列試驗數(shù)據(jù)列入表1供設計、施工和管理單位參考。從表1可知，在100年一遇的校核流量83700m3/s時，上游水位為83.77m，為此設計決定將第二期上橫圍堰和上縱圍堰的頂高程從原設計90.0m降為88.5m。由于圍堰建在淤積沙土上，考慮沉陷及風浪爬高的影響，留有一定的超高。1.3.2防沖保護在通過設計導流流量79000m3/s時，航道范圍內(nèi)的最大垂線平均流速為89m/s，而在明渠的高程范圍，基礎的巖石存在嚴重的風化情況，因此在渲泄洪水時，難免遭受沖刷破壞，將導致明渠通航水流條件惡化。在渠底弱風化層全部沖光條件下，在流量10000m3/s、15000m3/s、20000m3/s時，測量明渠右側岸距75m范圍最大表面流速分別為2.15m/s、2.38m/s、4.16m/s，均超過了通航要求標準，還出現(xiàn)了不利航行的泡漩水流。為保證明渠通航水流條件，必須對明渠進行防沖保護。經(jīng)比較試驗最終確定的明渠渠底保護方案為:對高渠壩軸線上游255m到壩軸線下游100m范圍底澆混凝土保護。高低渠之間以11的坡度連接。對左側低渠碾壓混凝土壩上游緊鄰縱向圍堰的寬60m，長100m范圍的渠底同樣澆筑混凝土保護。按上述措施保護后，經(jīng)流量20000m3/s試驗結果表明:明渠右側航線上的表面流速降低，泡漩水流消失，長航船隊自航船模，可沿明渠左、右兩條航線上水通過明渠，全程平均對岸航速大于1.0m/s，滿足設計通航要求。1.4明渠上、下游航道連接河段的整治整治措施是將上、下游航道連續(xù)河段規(guī)劃航道內(nèi)的礁石開挖到高程600m，沙包開挖到高程61m，進行了整治前與整治后對比試驗。在流量1000030000m3/s的對比試驗，結果表明:從保證上游航道連接段航深、消除跌水，泡漩等礙航流態(tài)，減少水流與航線夾角，減少橫向流速看，此項整治措施是必要的，也是有效的。2導流期間原型觀測(1)明渠水流情況2。水流受渠道混凝土縱向圍堰縮窄的影響，在縱向圍堰首部樁號19480至19200的20m范圍產(chǎn)生跌水，按模型上游水位與渠道原型樁號19560處水面差計，在流量3590061000m3/s時落差2.303.3m，并有波浪，堤頭有挑流作用，挑流線上流速較大；在渠身段，即河床高程由50m過渡到45m的區(qū)段，產(chǎn)生水面降落波動外，整個明渠過流平順，水流條件好，主流偏右(圖1)。(2)明渠水位變化。在流量3590061000m3/s時，縱向水位差1.21.65m，縱向比降i=0.00100.0014。受渠道進口和出口彎道段水流離心力的影響，在渠道產(chǎn)生橫向水位差，在右岸護坡一側的凹岸產(chǎn)生壅高水位，在縱向圍堰一側的凸岸水位降低，水位差1.62.lm，橫比降0.00430.0056。(3)渠道糙率。進入明渠的水流在進口段受縱向圍堰束窄作用產(chǎn)生跌水和回流漩渦區(qū)，再往后水流