漫谈三峡工程建设中的水力学问题

'漫谈三峡工程建设中的水力学问题时启隧(中国水利水电科学研究院北京100038)提要本文从水工水力学、河道水力学和环境水力学三方面介绍三峡工程建设中与水力学有关的一系列研究课题，说明一项大型水利枢纽工程的建设，需要诸多专业性、综合性以及跨学科的水力学研究来支持，也说明水力学是一门服务领域十分广泛的应用技术学科。关键词水工水力学河道水力学环境水力学1前言长江三峡工程规模宏大、举世瞩目，其设计洪水流量及施工期导流流量都居世界前列。枢纽工程中，泄洪建筑物孔洞数量很多，泄洪功率大，消能防冲任务十分艰巨；施工期导流工程规模大，且有临时通航和提前发电的要求，致使导流水力学问题十分复杂；三峡建库后，为改善长江航运而提出的高水头船闸、升船机及上下游航道与港口水力学问题技术难度都较大；三峡工程建设对自然生态与环境的影响，为国内外所关注，其中有关水力学问题十分广泛、突出。本文拟从工程建设的角度，刍议有关水力学问题的研究内容，说明水力学学科在一项大型工程建设中的重要位置和作用。2水工建筑物水力学2.1泄水建筑物水力学2.1.1泄洪建筑物布置三峡工程设计与校核洪水流量分别为：69800m3/s，(初期73000m3/s)与102500m3/s，最大坝高175m，泄洪功率很大，主要泄洪和导流建筑物有67个孔洞(表孔22，深孔23，导流底孔22)，它们在枢纽布置中占据了极重要的前缘位置。泄洪建筑物布置关系到建坝后河势的重新调整；要适应坝址地质、地理条件；要综合考虑防洪、发电、航运，给水、排沙、排漂等运行要求；要考虑节约投资、方便施工、保证工期的制约因素。泄洪建筑物布置是一项多学科、跨部门、综合性研究课题，对工程建设和运行安全关系极大。2.1.2泄洪、消能和冲刷高水头，大流量泄洪建筑物的消能、中刷、雾化、以及空蚀、振动等高速水流问题，历来是水工水力学的主要研究内容。三峡工程建设中通过大量的实体模型试验研究了泄洪建筑物的消能型式及布置优化，并相应开展了河床冲刷的室内模拟，雾化机理分析及水流掺气减蚀措施等研究。2.1.3水工闸门水力学问题三峡工程中有许多特殊用途的闸门，如：高水头船闸输水廊道中的反向弧形门，船闸人字门，电站引水管道中的快速闸门，泄洪排沙的深孔闸门，导流底孔内的淹没弧门及辅助反钩门等等。其中水力学方面的研究课题有：平板门的门槽型式；深孔高压弧门止水型式、船闸输水廊道体型；门体水激动的水弹性问题等。.2.1.4枢纽排沙措施三峡枢纽中位于高程9Om的23个深孔，兼备泄洪与排沙任务，其运用条件复杂，是启闭频繁且举足轻重的主要泄水建筑物。电站进水口附近的排沙孔，其作用是形成一个"冲沙漏斗"，维持机组"门前清"。目前，国内外排沙孔运行良好的实例较少，其中含沙水流的磨损、空蚀问题是其技术难点。三峡工程通航建筑物上下路引航道口门区的泥沙淤积和防淤、排沙措施，已进行过多个大尺度的泥沙模型研究，其中， 多级连续船闸两侧排沙洞规模大、耗资多、有一定技术难度，是目前还有争议的工程项目。2.1.5枢纽排漂措施根据多年经验，水利枢纽上游漂浮物一般都比预计的数量大、物性杂，有时威胁到枢纽的安全运行，影响机组正常发电。因此，三峡枢纽建设中研究了排漂、导漂和清漂等问题。2.2电站引水建筑物水力学机组进水口三峡电站机组进水口对比了单孔或双孔两种布置形式，并进行了较大尺度的水力学模型试验；对厂房引水钢管的弯段形式也进行了分析研究，其目的是减小进口、弯段的水力损失，提高机组出力。2.2.2地下厂房尾水洞计划中为扩机准备的右岸地下厂房可能提前施工，其尾水洞布置与右岸导流兼通航明渠及右部坝后厂房的尾水出流互有干扰，对此进行了综合研究。2.3施工导流水力学2.3.1导流方式及导流分期方案研究三峡工程利用右岸中堡岛与后河的天然条件，采用明渠导流方式。对于导流明渠要不要兼作施工期通航，论证阶段曾形成了两类方案，并进行了深入的对比研究。即A.明渠通航·三期导流·围堪挡水提早发电方案；B.两期导流·双线临时船闸通航·坝体挡水提早发电方案；l993年7月，三峡工程建设委员会经过审查，批准了上列方案A。2.3.2截流试验三峡工程施工过程中要进行二期和三期两次截流，其水力条件差异很大各有特点如：二期截流虽有导流明渠分流，但因坝址处最大水深达6Om，且河床有8-15m厚的淤沙层，在二期截流模型试验中，即发现截流堤头坍塌严重，危及施工安全，于是采用了深槽提前平抛垫底，减小龙口水深的措施。1997年11月8日顺利完成二期截流的事实证明，平抛垫底的措施是合理的、可行的、有效的。2.3.3导流兼通航明渠水力学问题兼备双重任务的右岸明渠，由于过流量大，流速高，且处于弯道凹岸一侧，其通航水流条件很不理想，为此，研究了明渠总体优化布置(如：断面型式，进出口堤头型式等)，汛期防冲保护，安全通航流量，及合理航线规划等问题。另外，还进行了通航明渠泥沙淤积试验研究。2.3.4导流底孔水力学问题设计选定的三期导流底孔拟设弧形工作门，兼顾导流和135m水位发电期间泄洪渡汛，运行条件十分复杂。除研究了底孔体型、尺寸、设置高程、开孔率，泄流能力等一般问题之外，还研究了上游围堰拆除残渣在高速水流挟带下进入底孔，导致磨损和空蚀问题；上下游水位变幅很大的情况下，底孔内及出口的流态；三期导流底孔跨缝布置，防止高流速冲蚀纵缝等问题。2.3.5混凝土围堰水下拆除技术研究三峡工程右岸明渠坝段的三期碾压砼围堰，高124m，堰顶轴线长572m，砼工程量168万m3，距主坝上游面114m，是专为提早发电挡水而设的。施工后期要求将该围堰一次拆除至电站进水口高程以下，技术难度高，风险大，因此研究了水下爆破拆除的爆炸水力学问题及其它非爆破拆除方案。2.4通航建筑物水力学 三峡工程的永久通航建筑物有多级船闸和垂直升船机，施工期临时通航采用单线单级船闸和通航明渠相结合的方案，其特点是通航建筑物种类齐全，运行条件多样，水力问题甚为复杂。另外，还研究了施工期临时船闸后期改建为排沙孔的有关技术问题。2.4.1多级船闸布置方案研究三峡工程中永久船闸设计水头113m，因其水头高，须多级布置，曾研究过三、四、五级多种方案，主要的对比方案是：A、连续式五级双线船闸；B、带中间渠道的分散式三级双线船闸；最后，设计文件中推荐连续五级双线船闸方案。2.4.2高水头船闸水力学问题连续五级船闸中，单级最大工作水头45.2m(中间级试验水头49.5m)。对船闸输水系统及阀门段体型进行了大量的设计研究和水力学模型试验后建议：输水阀门后廊道顶部以1：10或l：12的坡度扩大，廊道底部采用突扩布置，并采取门楣通气等措施，以减免阀门段空化水流及振动危害。在多级连续船闸模型中，还研究了输水阀门开启速度(船闸输水时间)、各级间协调调度及闸室船只停泊条件等问题。2.4.3引航道水力学问题通航建筑物上、下游引航道迸出口的水流条件是通航建筑物设计的重要指标。其内容包括：导航堤平面布置及堤头体型(着重研究了永久通航建筑物上游导航堤"大包"或"小包"方案)；引航道口门区泥沙淤积碍航及防淤排沙措施；船闸灌泄水在引航道内形成正负涌坡(往复流)对船只行进和停泊的影响问题等。2.4.4升船机船厢水力学问题三峡工程垂直升船机，将3000吨级船只升高120m，一次吊运过坝，总吊重达11800吨，是目前世界上最大的升船机。其中主要的水力学问题是：船只迸出承船厢的水动力状况(1958年曾作过船队驶出船厢时的碰底试验)，厢体升降过程中动态运行状况，及上、下游引航道布置等。船型、船队技术改造中的水力学问题目前，航行在川江的船舶类型十分杂乱，影响到川江通过能力难以实现规划指标，也影响到长江航运实现科学管理的进程。因此，航运部门己拟订了船型、船队的改造计划，拟逐步发展由l500吨船舶组成的大型船队，实现万吨船队直达重庆的目标。船型与船队的技术改造，需结合川江的河流特性进行一系列水力学问题研究。2.4.6港口水力学问题三峡建库后，川江航道上原有的港口大都需改建或重建，其中有一系列水力学研究课题。国家"七五"和"八五"攻关项目中曾对规划中的重庆九龙坡港区泥沙淤积和防沙清淤措施等问题进行了初步研究。3.河道水力学3.1防洪工程水力学防洪问题一直被列为三峡工程第一位开发目标。这是因为，长江历史上洪水灾害频繁，对国计民生影响深远。据文献记载和调查分析，以往的2096年中，长江流域发生洪灾214次，自1921年以来，发生大水灾11次，平均每隔6-10年就有一次灾害性洪水发生。长江防洪形势最为严峻的是荆江河段。防洪工程中的水力学问题有以下几方面。3.1.1河道整治中的水力学问题为了扩大河道的行洪能力，相对稳定河势， 在长江中下游曾进行了狭窄河段扩宽和荆江河段裁弯等工程。整治工程实施后对河势的新变化曾观测研究了数十年，这类河道整治工程通常与泥沙研究及航道整治相结合，是需要长期慎重研究的课题。3.1.2堤防工程中的水力学问题长江中下游的防洪大堤工程浩大，为了防御1954年型洪水，还需合理加高和加固已有堤防。有的堤防基础为现代河流沉积物(粉质粘土，砂壤土)组成，易被水流冲刷，须靠抛石护岸才能稳定，堤身历经多年，隐患不少，如再加高风险很大，是目前长江中下游防洪规划中最棘手的问题。3.1.3分蓄洪区的水力学问题长江洪水量大，历时长，除了利用通江湖泊滞蓄洪水之外，还安排了一些分蓄洪区。湖泊和分蓄洪区都是长江中下游防洪体系的组成部分。如：荆江分洪区，汉水杜家台分洪区等。目前，主要通过数学模型研究分洪方式，预示洪水淹没过程和范围，直接为分洪区安全运行服务。3.1.4洞庭湖综合治理中的水力学问题洞庭湖担负着长江分洪、分沙和调节水量的任务。由于多年泥沙淤积和人为垦植，洞庭湖洪道日渐萎缩，湖面不断缩小，目前已成为河道型湖泊。据统计，湖区平均年淤积量9840万m3，湖底床面每年平均淤高1m。如何扼止洞庭湖调蓄洪水能力的进一步衰退，是目前长江防洪系统中最为人关注的难题之一。此外，洞庭湖四口(松滋、太平、藕池、调弦)由于逐年泥沙淤积，使长江分流进入洞庭湖的水沙都逐年有所减少，于是在三峡工程论证过程中，提出了"江湖关系"新的研究课题.3.2航道水力学长江数千年来就有舟辑之利，素有"黄金水道"之称。长江航运是横贯我国东西的运输大动脉，是沿江各省市经济腾飞的主要支撑条件，具有重要的战略意义。航道建设中的水力学问题有以下几方面。3.2.1航道整治中的水力学问题长江上、中游宜宾至宜昌的川江河段有许多溪口、急流和险滩，船舶航行比较困难。为了实现川江上、下水夜航，己对110多处滩险进行了航道整治，相应开展了航道水力学问题的观测和研究。另外，1982年2月对鸡扒子大滑坡形成的急流滩的整治，1985年6月对新滩滑坡碍航的整治，都取得了较好的效果。三峡水库建成后，初期下泄水流的含沙量减少，将对下游河道产生长距离冲刷。据初步估算，宜昌河床将降低约1.7m左右，致使枯水期葛洲坝下游三、江引航道水深严重不足，需进行相应的水力学研究和改造工程。3.2.2三峡水库回水变动区的通航水流条件三峡水库形成后，由于库水位消落将形成约200公里范围的回水变动区，回水变动区的水位消落和泥沙淤积对港口和航道的影响，一直是三峡工程论证中的重点研究课题。回水变动区中通航最为艰难的是兰家沱到长寿河段，重庆九龙坡和朝天门港区边滩将增宽，码头可能淤塞，嘉陵江河口有些年份将出现"拦门沙"，这些问题都需继续进行长期的观测和研究。.3.2.3水电站日调节对下游通航的影响三峡大坝至葛洲坝枢纽之间有37公里长的西陵峡下段，河宽一般只有200-300m。三峡电站承担峰荷时，下泄流量可达25000m3/s，而深夜负荷最小时，下泄流量很小，造成下游水位日变幅大，涨率高，将影响船舶的正常航行和停泊。为此，修建了两坝间模型(三峡至葛洲坝)进行了专门研究。同时， 对两坝间航道还进行了日调节不恒定流数模计算。4.环境水力学4.1地质环境水力学4.1.1库岸滑坡涌浪问题据调查，三峡库区干流两岸10万m3以上的滑坡、崩塌体有270多处，其中大于100万m3的有38处，正在发展中的有8处，估计三峡水库蓄水后可能局部失稳的有14处。90年代初，曾进行了链子崖，黄蜡石等危岩体的整治工程，研究了库岸渗流，滑坡涌浪对附近岸坡和建筑物的影响，滑坡堵江对长江航道的影响等问题。4.1.2泥石流问题三峡库区上游干支流中常有不同规模的泥石流发生，形成了支流河口堆积，而未来移民安置区多选在一些地势较平坦的支流河口，泥石流对新移民区的影响是亟待开展的新研究课题。4.1.3长江中、下游排涝、除渍问题目前，长江中下游一些地区，涝灾与土壤盐渍化问题已经存在。三峡工程建库后，由于枯水季下游河道流量增加，地下水位相对上升，低洼地滞水时间延长，会不会加重这些地区土壤潜育化和沼泽化的发展，环境专家和水利专家对此作出了不同的估计，认识上有较大分歧.4.2水域环境水力学4.2.1库区水环境及其监测研究三峡库区水流速度减缓，江水复氧能力和对人江污染物的稀释扩散能力减弱，沿岸污染带的范围和浓度将增加；同时，由于水库的澄清作用，库区有机物将降解净化，重金属含量亦随泥沙沉积而降低，因而出库下泄的水质将有所改善；另外，在支流入库的河口地区或港湾地区水质富营养化将普遍出现。库区水域条件的改变，将影响水生生物的生长环境，将改变钉螺(血吸虫病源)或其他疫病滋生条件，影响人群健康。4.2.2移民安置中的水力学问题库区移民安置是三峡工程建设的主要战线之一，在工程可行性论证阶段，移民环境容量曾是最为敏感的关键性研究课题。在实施阶段的移民规划中，又提出了一系列与水力学有关的研究课题，如移民区的人畜供水与水质保护，地下水渗流、开采与利用，新开垦的新坡地的灌溉等。4.3河口环境水力学4.3.l河口盐水入侵问题三峡建库后，枯水期平均下泄流量增加；10月份水库蓄水期，下泄流量相对减少，将改变河口淡水与咸水交汇峰面的位置，影响该地区地下水淡化和附近渔场的生产，对此，不同行业的专家提出了不同的估计。4.3.2河口海岸侵蚀问题三峡建库初期，下泄水流中泥沙含量将有所减少，因此，有的专家担心河口泥沙沉积的变化会引起河口三角洲海岸侵蚀；有的专家则认为，三峡水库下泄水流含沙量减少以后，坝下游河床将不断补给泥沙，因而远在三峡枢纽下游1800公里的长江河口入海沙量不会有大变化。4.3.3河口航道问题长江口航运条件的改善对华东和长江沿江地区的发展关系极大，人们担心三峡建库后，河口三角洲泥沙堆积条件，河口通航水流条件， 尤其是上海港和宝钢码头的作业条件是否会有不利变化。最近，通过初步的水力学数学模型计算和实体模型试验，己提出了长江口航道改造计划。4.4溃坝水力学三峡枢纽的人防问题，自50年代以来，一直是三峡工程可行性论证的重大问题之一。预计三峡大坝溃坝可能造成的后果，是规划和决策中必不可少的资料。1959年，曾在水池中进行了水下爆破冲击波对坝身作用的实体试验，和三峡枢纽溃坝水力学模型试验。80年代初，长办(现水利部妖江水利委员会)在陆水又建制了三峡溃坝整体模型，有关单位还开展了溃坝洪水的数值模拟计算。上述研究成果，为三峡工程决策提供了基础数据。5.结语三峡工程建设涉及水力学的方方面面，内容相当广泛。目前许多水力学问题的研究深度，还不能完全适应一项世界级超大型工程建设的需要。例如，在一些跨部门、跨行业的技术问题中，有关水力学问题还存在着认识上的分歧，需要组织不同行业的专家、学者，开展多学科、综合性的协同研究；又如，三峡建库后，下游河道的变化及"江湖关系"等课题研究，目前仅仅是开始，还有待深入开展；即使是一些常规的水力学问题。如：高水头导流底孔中高速水流的磨损和空蚀，碾压混凝土围堰的水下拆除，枢纽排沙孔的安全运行等，目前也只是部分地得到解决，人们还不免存在疑虑。总之，本文说明水力学是一门综合的、实用的基础学科，还有许多研究课题有待深化和开发。参考文献[11长江流域综合利用规划报告，水利部长江水利委员会，l990.12.[2]三峡工程论证文集，中国水利学会主编，水利电力出版社出版，19913.[3]长江三峡工程专题论证报告，三峡工程论证领导小组各有关专家组，198712~1988.6.[4]长江三峡水利枢纽初步设计报告，水利部长江水利委员会，1992.12.[5]长江三峡水利枢纽单项工程技术设计报告，水利部长江水利委员会，199411.'