葛洲坝枢纽船闸引航道布置优化方案

（一）三江引航道

葛洲坝水利枢纽坝区上游段的水流运动具有如下3个特点：一是主流出南津关后居中偏左；二是枢纽前缘长达2400m，水流分散；三是枢纽属低水头水利枢纽，壅水高度较低，汛期枢纽前缘流速较大，而且泄水闸过流量大于电站过流量。枢纽设计早期曾研究过引航道不设置防淤隔流堤的多种方案，其中代表性方案是葛洲坝江心洲不挖除，其上建土坝，泄水闸分设在大江和二江，电站亦分设在其两侧。实体模型试验表明，自南津关峡口以下，由于河床骤然增宽，水流分散，主流两侧形成大回流区（图4-23）；坝上17号断面至葛洲坝江心洲头部的有效过水宽度仅800～1000m（坝轴线长约2400m，葛洲坝宽约300m），左侧前坪处回流宽达500m三江航道及二江电厂前回流总宽达800m；大江设15孔泄水闸，分流比达60%，但右岸向家嘴以下回流宽达200m，大江航道及泄水闸前回流总宽达400m，主流在葛洲坝头部上游自左向右，以较大的交角进入大江泄水闸，坝区形成左、右岸回流淤积区和葛洲坝头部淤积区三大淤积区。为减少三江上游引航道的泥沙淤积，布置防淤隔流堤以压缩前坪一带的左岸回流区，同时在三江冲沙闸引流冲沙时还可起到束水攻沙的作用。坝区泥沙实体模型试验表明：三江上游引航道的淤积部位和数量以及冲沙效果，与防淤堤的长度有一定关系。在某一长度范围内，防淤隔流堤愈长，防淤效果愈好，冲沙后剩余淤积量也愈少。当防淤堤长为800m时，堤头仍处于前坪回流区范围内，淤积数量较大；当防淤堤延长到1550m以上时，淤积数量随其延长而减少，但递减率也减小；当防淤堤延长达1900m时，堤头已伸到南津关出口下游主流区，口门流向与航线交角加大，横向流速也随之增大，不利航行；防淤堤长1750m时，堤头处于前坪回流区与主流交界处，泥沙淤积量及冲沙后剩余淤积量均较小，口门区通航水流条件也较好，故综合考虑确定防淤隔流堤长1750m（图4-6）。

图4-23　葛洲坝枢纽早期布置方案的坝前水流流态

三江上游防淤隔流堤的平面形式根据航道和二江电厂的运行条件确定。堤顶左侧边线的位置根据2号船闸航线、航道有效航宽、口门宽度等要求确定。堤顶右侧边线则根据二江电厂的引流防沙条件确定，其根部堤顶宽260m（图4-6）。三江上游引航道全长2500m，口门宽230m。

三江下游引航道是在天然的三江河槽上拓宽挖深而成。上段布置主要满足2号、3号船闸近闸直线段长度要求；下游口门段则需满足引航道口门区通航水流条件，并有利于减小泥沙淤积和提高冲沙效果。选定下游引航道口门航线与长江主流交角约为23°，口门宽为150m。下游引航道全长为3900m，航道底高程为34.5m。

（二）大江引航道

大江位于南津关弯道凸岸，建坝前因受左岸横梁子等处基岩的挑流作用，主流靠凸岸（图4-7），大量粗颗粒泥沙由大江河槽输往下游。建坝后，主流线左移，大江上游引航道口门受弯道环流作用，除悬移质淤积外，还有大量沙、卵石推移质淤积，且淤积速度快。泥沙实体模型试验表明：在大江上游引航道修建防淤隔流堤，可以明显减少引航道口门区泥沙淤积量，同时在大江航道泄洪和冲沙时起到束水攻沙作用；因大江上游引航道口门区处于凸岸部位，泥沙淤积严重，汛期流量大于3.5万m3/s时停航冲沙，以增加冲沙历时。大江上游防淤隔流堤的布置是在三江上游防淤隔流堤已施工的条件下作比较研究的，其布置不仅关系到上游引航道口门区的水流条件和泥沙淤积，还影响三江上游引航道的航行条件。通过实体模型对不同堤长的比较试验和综合分析，确定大江上游引航道防淤隔流堤长度为1000m，口门宽度为200m；右侧堤顶边线上段垂直于坝轴线，往下以折线与隔水墙及导航墙连接；左侧堤顶边线主要由大江电厂上游进水渠的水流条件和减少粗沙过机要求来确定，堤顶最大宽度为140m。

大江下游引航道为自坝轴线至笔架山长约2000m河段，因左岸西坝岸线右偏，与坝轴线法线的交角达40°，右岸笔架山一带岸线则向左突出，形成不对称的喇叭形收缩河段。该段航道主要有两方面的问题：一是西坝岸线右偏，导致二江泄水闸和二江电厂出流折冲大江电厂尾水和大江航道，主流随二江泄水闸分区运行情况在笔架山与李家河之间摆动，形成强烈的斜流和横波，影响船只航行和1号船闸运行；二是大江航道未进行泄洪冲沙时，二江泄流量大，大江航道处于回流、缓流区，导致泥沙淤积。为改善大江下游引航道的水流条件，经多方案比较研究，保留大江电厂左侧的下游纵向围堰并加接长为230m的导流堤，以导引二江泄水闸出流偏左；大江1号船闸下游左侧修建导航墙，长390m（图4-6）。下游引航道底高程33.5m，有效宽度140m。工程实施后航道通航情况表明，斜流和横波明显减弱，基本满足船舶（队）的航行条件，但当长江流量大于2.5万m3/s时，对船队航行和1号船闸下游人字门运行有一定影响。经过水工、泥沙实体模型试验和设计研究，推荐在大江下游心滩上修建堤长900m的江心堤方案（图4-16），以改善大江下游引航道水流条件，满足最大通航流量达到3.5万m3/s的要求，该项工程尚待实施。

（三）引航道口门区的水流条件

水利枢纽通航建筑物引航道口门区的水流状态一般有以下几种：一是口门区斜流现象，水流受引航道导流墙或防淤隔流堤的阻水作用，流向发生偏转而形成斜向水流；二是口门区流动水体与口门内的静止水体的切应力作用，口门区产生回流（图4-24）；三是船闸充泄水所引起的往复流；四是河道水位涨落及口门附近动水与静水相互作用导致的往复流。其中以斜流现象对船舶航行影响最大。将斜流分解为沿航线方向的纵向流动（一般以纵向流速vy表示）和与航线正交方向的横向流动（一般以横向流速vx表示）。当船舶进入口门区的斜流范围时，船体单侧受到不均匀分布的横流作用，船舶产生横向漂移，导致船舶所占口门航宽增加，甚至影响进出口门的安全。船舶下行进入上引航道口门时，斜流对航行安全影响相对较船舶上行进入下引航道口门更大。

图4-24　葛洲坝枢纽三江引航道口门区的水流流速流态（1981年10月15日流量为30600m3/s）

（a）上口门；（b）下口门

影响斜流强度的因素有以下4个方面：一是流量、水位和口门区的河底地形，流量与水位直接影响斜流的强度，而河底地形除影响斜流流速外，还可能对水流有一定导向作用；二是口门尺度和堤头形式，包括口门宽度与全河宽比值、口门宽度、导航墙及防淤隔流堤的头部形状、结构形式等；三是引航道口门区中心线与来流主流线的交角；四是口门区及其上游岸线等边界条件。

根据船闸设计规范^[4]：引航道口门区系指分水建筑物头部外一定范围的水域，其宽度为引航道口门宽（不小于1.5倍引航道宽度），长度为顶推船队的2.0～2.5倍船队长；引航道口门区纵向流速小于2.0m/s，横向流速小于0.3m/s，回流流速小于0.4m/s。葛洲坝枢纽三江上游引航道口门、防淤隔流堤形状等经过多方案水工模型、船模和泥沙实体模型试验研究，选定口门位于南津关峡口下游约1000m处，防淤隔流堤长1750m，口门宽约230m，堤头为鱼嘴形。下游引航道口门位于庙嘴，堤头呈鱼嘴状，口门宽为150m。

1981年6月三江航道和2号、3号船闸建成通航，进行了坝前水位60m条件下各级流量的三江上游引航道口门区流速流态测量，资料表明口门区流速值大部分小于船闸设计规范要求值，但局部范围横向流速达0.45～0.50m/s，个别点的纵向流速大于2m/s（表4-7、图4-25）；同时还进行了2万m3/s和4万m3/s流量级的实船试航测定，结果认为“现行川江常规船舶（队）在5万m3/s流量以下，能较顺利地通过南津关航道，上下口门、三江航道和船闸；驾驶操作正常，航行轨迹比较稳定，能有效地控制船舶的航线和航向”^[5]。上述结论与水工模型和船模试验结果基本一致。

图4-25　实船与船模下行进三江上游引航道的航迹线

葛洲坝枢纽1986年开始按正常蓄水位66.0m运行，1985年坝区淤积达到相对平衡。1996年汛期进行了南津关河段、大江和三江上游引航道流速流态观测，收集了流量为40700m3/s和33300m3/s的流速、流态资料。从三江上游引航道口门区的流速资料（表4-8、图4-26）可以看出，流量40700m3/s时口门区横向流速大于0.3m/s的测点数占总测点数的57%，其分布范围占口门区范围的20%，最大横向流速达0.5～0.6m/s；纵向流速大于2m/s的测点数占总测点数的42%，其分布范围占口门区范围的15%；回流区流速一般为0.7m/s左右，最大为1.56m/s。1997年7月18日流量42300m3/s（南津关水位为65.98m）时进行了现行船队的航迹线测量。船队为一顶三驳船队，总长162m，宽21m，拖轮功率1940kW，双螺旋桨，三舵；驳船总载量1300t。口门区实测航迹线表明，上行航迹线靠近设计航道左边线，下行航迹线与航道中心线基本重合，上行与下行航迹线大致平行，船队没有出现漂移、失控等现象（图4-27）。三江航道通航20年的实际情况表明，现行船队在汛期流量小于5万m3/s时航行是安全的。对照上述1996年实测的三江上游引航道口门区流速资料，流量40700m3/s时口门区横向流速可达0.6m/s。综上所述，通过葛洲坝枢纽航道20年运行的实践，引航道导航墙或防淤隔流堤的口门区存在斜流现象，对船舶（队）安全进出口门有不同程度的不利影响。对于口门区通航水流条件有如下认识：

（1）口门区最大横向流速的限制值与船舶（队）的性能密切相关，应根据不同性能的船舶规定横向流速允许值；

（2）针对长江现行船舶（队）性能，口门区最大横向流速应小于0.6m/s，横向流速大于0.3m/s范围占口门区的20%以内，回流流速小于0.6m/s；

（3）引航道口门区的水流条件是否符合船舶（队）安全进出口门，应结合船模试验结果加以确定。

（四）坝区上游段航道的整治

葛洲坝枢纽坝区南津关航道上起母猪嘴，下迄大江和三江航道的口门区。航道两岸的岸壁陡峻、突嘴交错，河床高程急剧抬升和展宽。在建坝前的中、枯水期，水流比较平稳，流速不大，航道的宽度和水深均可满足通航要求；洪水期流速大，流态差，出现多处回流、泡漩水、剪刀水等恶劣流态区，主要有左岸的楠木坑、清凉树和右岸的小南沱、向家嘴下游石灰窑等4个泡漩区（图4-28），前3个区为强泡区，向家嘴下游泡漩水强度较弱。泡水属上升水流，漩水属竖轴环流，两者往往相伴形成，故统称泡漩水，强度大的泡漩水往往对船舶航行安全构成威胁。泡漩水一般以泡高、泡半径、漩深和漩半径表征其强度（图4-29），泡水扩散速度则是指泡水上涌后水流向四周扩散的速度。泡漩水的强度随流量增大而增强。清凉树泡区在流量61500m3/s时，泡高达0.98m，单泡直径达87.5m（表4-9）^[6]。除清凉树泡漩区远离航线外，其余3个泡漩区都影响船舶航行。

图4-26　葛洲坝枢纽三江上引航道口门区的水流流速流态

图4-26　葛洲坝枢纽三江上引航道口门区的水流流速流态

表4-7　葛洲坝枢纽三江上游引航道口门区的流速

注　v为总流速；vy为纵向分速；vx为横向分速；均以m/s计。

表4-8　葛洲坝枢纽三江上游引航道口门区的流速

注　1.v为总流速；vy为纵向流速；vx为横向流速；均以m/s计。
2.左距指该点与设计航道左边线的距离。
3.表中无数字的区域为无浮标进入的缓流回流区。

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图4-27　葛洲坝枢纽三江上游引航道的实测航迹线

图4-28　南津关河段剪刀水及泡漩水的分布图

图4-29　泡漩水的形态示意图

（a）泡水；（b）漩水

表4-9　南津关河段泡漩的特征值

根据水工模型试验结果，葛洲坝枢纽建成后，汛期坝前水位较建坝前抬高达16m，流速减小，流态明显改善，但大流量时仍有碍航行；下行船舶（队）进出三江上游引航道，须穿过主流和清凉树泡区；进出大江上游引航道，须在向家嘴急转90°弯，穿过向家嘴泡漩区。由于枢纽通航标准较建坝前有较大提高，要求近期船队在长江流量6万m3/s时能单向航行三江航道；远期万吨级船队在长江流量为4.5万m3/s时能双向通过三江航道，因此需要对南津关航道进行整治。

1972年以来，有关设计、科研和勘测单位对南津关河段的泡漩水等流态及其改善工程措施进行了大量实地测量、水工模型试验和水槽定性试验，结合航运部门对泡漩水的认识和整治工程经验，对泡漩水的形成机理、南津关河段的泡漩区特点，取得较全面的认识，提出了整治工程方案。

1.泡漩水形成的机理^{[7] [8]}

关于泡水的分类，根据对川江泡漩水现象的观察提出如下4种分类。一是按泡水的出现数量和集中程度可分为成片泡水和单个泡两类，成片泡水范围大，经常出现多个泡，发泡频率高；单个泡一般为圆形，发泡频率较低。二是按泡的出现周期，可分为冷泡和连珠泡，冷泡是指出现频率较低的泡水，连珠泡是几乎没有间歇的频率较高的泡水。三是按泡水的外形可分为圆形泡和条形（椭圆形）泡。四是按泡水形成原因，可分为直接由各种因素引发并单独存在的泡，以及与回流等副流共生的泡。漩水一般分为由于泡水上涌水面后周围形成的漩水和两部分不同流向的水体交界面出现的一连串漩水。关于泡水的成因，从泡水形成过程的观察，有如下两种成因。

（1）由于与流向垂直方向上动水压力的变化引起的泡水。例如水流流动过程中，受到水下礁石等床面障碍物的阻挡，动能转化为位能，垂向动水压力差的存在使水流转为垂向上升至水面，导致障碍物的迎流陡坎附近出现泡水［图4-30（a）］，其特点是部位固定、连续发生的成片泡水。又如当水流通过闸门下泄时，闸下游过水断面上形成垂向动水压力梯度，底流上涌扩散，闸下游一定范围内出现位置经常变动，且多是阵发性的泡水［图4-30（b）］。

图4-30　泡水形成的示意图

（2）由于某些副流引起的泡水。这种泡水的形成有下列两种情况。

1）第一种情况是光滑平整河底上有一突出物，虽然流速沿垂直正常分布，近底流速最小，但在突出物下游有阵发性的单个泡水出现［图4-30（c）、图4-30（d）］，其位置时远时近。水槽试验表明，河底突出物下游出现的泡水与水流经过突出物时发生的离解现象有关。当水流前进遇到突出物时，突出物上下游和两侧因水流离解作用而出现数个立轴漩流和水平轴漩流，漩流与主流之间发生强烈的水体交换和大尺度的涡体运动，这些方向不同的漩流还互相碰撞，从而形成阵发性的单个泡水。泡水的上涌水体带动周围的水体旋转而形成漩水。

2）第二种情况是光滑平整的河床的岸壁有突出物，或者是河床宽度突然扩大，在突出物下游或扩宽段出现回流区，回流与主流交界面靠回流区一侧出现成片的连续发生的泡水，且回流区下游较远处仍有单个阵发的泡水（图4-31）。

图4-31　河岸突出物周围水流流态的平面示意图

1—主流区；2—上回流区；3—下回流区；—泡水；—漩水

突出物附近的水流可划分为主流区、上游回流区和下游回流区。水槽定性试验成果表明，突出物下游主流区的流动与弯道水流类似，面流及底流的流线平面上都是弯曲的，但两者的弯曲半径不同，面流偏向突出物的对岸，底流则偏靠突出物一侧。其原因是水流作曲线运动时产生水面横比降，对某一垂线而言，其水面差Δh形成的水压力沿垂线分布是相等的，而对该垂线上某一点而言，离心力与值的大小成正比例（v和R分别为该点的纵向流速和流线弯曲半径）。

由于纵向流速沿垂线分布是上大下小，故面流的弯曲半径较大，底流的弯曲半径较小，回流范围沿水深分布呈上大下小的规律。由此导致突出物下游主流带的流速沿垂线分布均匀化，底流进入主流区与回流区交界面附近的回流区，形成较强的上升水流，从而出现大片连续上涌的泡水（图4-31、图4-32）。泡水冒出水面的同时，其周围形成漩水。此外，主流区与回流区交界面因水流剪切力作用也产生一连串漩水。

图4-32　河岸突出物上下游断面的流速等值线（水槽定性试验成果）

综上所述，泡水形成的基本条件是河岸或河底存在突出物。而在相同的边界条件下，水流流速大小、流速沿垂线分布均匀程度、水深大小则是影响泡水强度和出现频率的主要因素。

2.南津关河段航道的整治

通过大量水工模型试验研究，结合有关泡漩水形成机理的水槽定性试验，认为南津关河段几处泡漩区的出现主要是由于河床边界存在岸壁山嘴或河底石梁所导致的。左岸楠木坑泡漩区是由于母猪嘴至下牢溪山嘴挑流作用，楠木坑一带形成回流区并有强烈泡漩水（图4-28）。清凉树泡漩区主要是底流受横梁子附近的石梁和陡坡阻挡，加上玉井突嘴的挑流作用，形成泡漩区。小南沱泡漩区是由于巷子口突嘴挑流作用，其下游形成回流区并有强烈泡漩水。石灰窑泡漩区是由于向家嘴突嘴挑流作用形成的回流区，并伴有泡漩水。南津关河段左侧的两个泡漩区和右侧的两个泡漩区部位相互交错，其中楠木坑泡漩区泡漩强度最大，其次为小南沱泡漩区，清凉树泡漩区相对较小，石灰窑泡漩区范围最小，泡漩强度最弱。各个泡漩区的泡漩强度均随流量增大而增强。

南津关河段航道整治的标准是整治后设计通航流量时的流态达到与建坝前长江流量2万m3/s时相同。改善流态的主要工程措施是切削两岸山嘴，平顺岸线，以缩小回流区，减弱泡漩强度。经过大量水工模型试验和设计研究，选定如下的整治方案（图4-33）。

图4-33　南津关河段航道整治的示意图

A—区玉井挖82.08万m3；B—区巷子口挖79.01万m3；C—区向家嘴挖94.05万m3

（1）左岸玉井整治。整治线自玉井以下按1∶0.2的边坡开挖至55.0m高程，再以1∶5的边坡切至42.0m高程，形成微倾平台。全部为枯水位以上的陆上施工，开挖量为82.8万m3。同时将清凉树附近横卧于河底的横梁子石梁炸平。

（2）右岸巷子口整治。整治线开挖至45.0m高程，最大挖宽约70m，开挖量为79.1万m3，全部为枯水位以上陆上施工。

（3）右岸向家嘴整治。向家嘴突嘴使船舶转弯进入大江航道时的视野不够开阔，4万m3/s以上流量时其下游的泡漩区也有碍航行，因此也需进行整治。经多方案比较后，采取降低大江航道最高通航流量为3.5万m3/s，向家嘴开挖成50m高程的平台，开挖量94.5万m3的综合方案。

葛洲坝枢纽运行20年来的情况表明，南津关河段整治后，三江上游航道现有船队可在最高通航流量6万m3/s时安全通行，达到预定整治目标；大江上游航道则由于下游引航道通航条件限制，流量2万m3/s以上停航。