优化三峡枢纽通航建筑物引航道的布置方案

在三峡工程可行性论证阶段，曾研究了永久船闸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线方案，根据航道尺度及水流条件，初选Ⅲ线。据坝区泥沙模型试验结果，枢纽运行30年，上游引航道口门区水流条件可满足航行要求，但枢纽运行50～80年后，由于主流线左移，使口门区流速增大，水流条件不能满足万吨级船队航行要求。因此，在初步设计阶段选定Ⅳ线，在坝轴线处较Ⅲ线左移约250m，距升船机中心线1.0km^[9]。

初步设计阶段选定升船机与右侧的临时船闸并列布置、共用上下游引航道的方案。技术设计阶段选定了升船机左移方案，将升船机中心线沿坝轴线左移25m，并向左转4°，为以后在升船机上游引航道右侧修建250m长的实体导航墙留有余地^[10]。关于永久船闸的布置形式，初步设计阶段集中研究了双线连续5级船闸和带中间渠道的分散3级船闸两种船闸布置方案。经过深入比较，连续5级船闸方案具有建筑物比较紧凑，线路总长度相对较短，引航道下口门水流条件较好，工程量较少和营运条件相对较中间渠道方案简单等优点，故选用连续5级船闸方案。

船闸和升船机引航道布置原则是既需避开主流，以满足通航水流条件，又要尽量使其泥沙淤积较少。关于引航道口门区的通航水流条件，根据有关规范^[11]，引航道口门以外长度为2.0～2.5倍最大设计船队长度的口门区范围内，平行于航线的纵向流速应小于或等于2.0m/s，垂直于航线的横向流速应小于或等于0.30m/s，回流流速应小于或等于0.4m/s。在研究口门区通航水流条件时，除了在实体模型量测流速流态外，还进行船模试验，模拟的万吨船队由1942kW推轮和9个1000t驳船组成，船队长271.87m，宽32.25m，吃水2.8m。

根据三峡枢纽总体布置和坝区上游段河势变化的特点，船闸和升船机的上游引航道均布置在左岸缓流、回流区。关于船闸上游引航道布置，主要研究了缓建防淤隔堤方案和各种隔流堤布置方案；升船机上游引航道则主要研究了设浮堤方案及与船闸引航道共建隔流堤的大包、全包方案。下游引航道为船闸与升船机共用，布置在坝下游左岸，主要研究防淤隔流堤布置方案。

（一）船闸和升船机上游引航道的布置

5级连续船闸上游引航道位于左岸缓流、回流区内。随着枢纽运用年份的增长，坝前泥沙淤积，河势调整，主流线逐渐左移，致使引航道口门区的流速、流态相应改变。为了在枢纽运用不同时期能减少引航道的泥沙淤积，满足通航水流条件，在三峡工程初步设计阶段和技术设计阶段，研究了上游引航道缓建防淤隔流堤、长隔流堤小包、先短堤后长隔流堤、大包和长隔流堤全包方案（表4-10、图4-34）。长江科学院、南京水利科学研究院和清华大学的坝区泥沙模型分别进行了各方案引航道的泥沙淤积和流速流态试验研究，长江科学院坝区泥沙模型还进行了船模试验［1、2］。模型试验的水沙条件均采用长江科学院水库淤积数学模型计算成果，未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程的拦沙效果。

1.缓建隔流堤的方案

船闸上游引航道不布置隔流堤时，上游引航道的泥沙淤积主要是缓流和回流引起的，但由于引航道范围内的地面高程为130m，而枢纽按正常蓄水位175m运用后碍航高程为139m，枢纽运用初期30年内，泥沙淤积均低于139m，未造成碍航。随着枢纽运用年份的增长，坝区上游段水流的含沙量增大，粒径增粗。上游引航道的泥沙淤积也随之增多。枢纽运用中期54年内，平均年碍航淤积量为63.8万m3，最大年碍航回淤量为194.45万m3。

图4-34　三峡枢纽上游引航道长隔流堤的小包、大包和全包方案

（a）小包方案；（b）大包方案和全包方案

表4-10　三峡枢纽船闸和升船机上游引航道的布置方案

由于在枢纽运用初期30年内，坝区上游段断面过水面积较大，流速较小，河势虽较水库刚蓄水时有所变化，但在引航道航行区内变化较小，主流线左移幅度尚小。因此，在船闸上游引航道缓建隔流堤的条件下，口门区流速流态能全面满足流量56700m3/s、坝前水位145m时的通航水流条件，仅在祠堂包附近航段有个别测点的横向流速超过0.3m/s（图4-35）。船模试验表明，万吨级船队可顺利进出口门区，船队上行时可在祠堂包附近左、右航线出口门，下行船队在祠堂包附近沿航道中心线以左航线进口门。

图4-35　三峡枢纽缓建隔流堤方案枢纽运用30年末船闸上游口门区的流速图（流量为56700m3/s，坝前水位为145m）

随着枢纽运用年份的增长，坝前主流线逐渐左移，致使位于左岸的船闸上游引航道通航水流条件有所恶化。枢纽运用54年末，祠堂包附近航段由于受主流左移的影响，流速增大，致使航道中心线以右的横向流速较大，难以满足通航水流条件。船模试验表明，仅航道中心线以左能满足万吨级船队的通航水流条件。

2.长隔流堤的小包方案

（1）船闸的上游引航道。本方案枢纽运用初期即建成隔流堤，堤头位置经过多方案的比较试验，选定在祠堂包附近。口门外为回流和缓流淤积，口门内以异重流淤积为主。枢纽运用初期30年内，泥沙淤积低于139m的碍航高程，未造成碍航。枢纽运用中期31～54年，年碍航回淤量最小为4.8万～11.6万m3；最大为40.8万～150.2万m3。枢纽运用远期51～76年，年碍航回淤量最小为9.0万～45.9万m3；最大为125万～198.8万m3（表4-11）。各年引航道口门内的淤积量占总量的40%左右。

表4-11　三峡枢纽各方案上游引航道的年碍航回淤量　单位：万m3

注　1.船闸引航道碍航高程为139m，升船机引航道为140m。
2.南京水利科学研究院模型大包方案的最大回淤量为清淤3次后的回淤量。

枢纽运用30年末，主流线左移的程度还较小，因此引航道航行范围内主要为缓流区，流速流态能全面满足通航水流条件。船模试验表明，当流量56700m3/s、坝前水位147m时，口门区至上游1500m范围内的航道均处于缓流区，水流平顺，流速较小，斜流亦弱，通航水流条件良好，万吨级船队可沿航道中心线左、右安全进出口门，并一直上行至百岁溪，上水最小对岸航速2m/s，下水航行时在口门区平均对岸航速3m/s，平均用舵量±10°～±20°；口门区与上游主航道的连接段通航水流条件良好，能满足万吨级船队的通航水流条件。

枢纽运用54年末，在流量56700m3/s、坝前水位147m或流量45000m3/s、坝前水位145m时，虽在隔流堤堤头附近航道中心线以右有个别测点的横向流速超过0.3m/s，但上游口门区基本能满足万吨级船队的通航水流条件。船模试验表明，万吨级船队均可沿航道左、中、右航线上、下水航行，进出口门较平稳，航线顺直，横漂量较小，基本满足通航水流条件。

枢纽运用远期76年末，在流量56700m3/s、坝前水位147m或流量45000m3/s、坝前水位145m时，航行区有效水域内虽有13%的测点横向流速大于0.3m/s，但口门区流速流态基本能满足通航水流条件（图4-36）。船模试验表明，万吨级船队可沿航道中心线及左、右进出引航道口门，且顺利通过九岭山航道上行。船队进出口门较平稳，左线和中心线斜流作用较小，横漂量亦很小，沿右线上、下水航行时，斜流作用虽比中线大，但仍可安全进口门。

图4-36　三峡枢纽运用76年末长隔流堤小包方案船闸上游航行区的流速分布图（流量为56700m3/s，坝前水位为147m）

（2）升船机的上游引航道。上述船闸上游缓建隔流堤方案和设长隔堤小包方案，升船机上游均设浮堤，升船机上游引航道的淤积机理和淤积量均基本一致。由于升船机上游引航道均位于坝前左岸回流区内，其泥沙淤积主要为回流淤积，淤积量随坝区水流含沙量增大而增大。在枢纽运用初期30年末，泥沙淤积未达到140m的碍航高程，不影响通航。枢纽运用中期54年末，年平均碍航回淤量为22.3万m3，最大年碍航回淤量为37.6万m3。枢纽运用远期76年内，平均年碍航回淤量为38.9万m3，最大年碍航回淤量为34.2万～61.3万m3（表4-11）。

枢纽运用30年内，坝区流速较缓，升船机上游引航道又处于左岸回流边缘，航线和流线交角较小。1500t级船队均可安全进出口门并顺利通过祠堂包附近航段，满足流量4.5万m3/s、坝前水位145m时的通航水流条件。枢纽运用中期54年末，船闸上游设长隔堤小包方案，当流量为4.5万m3/s、坝前水位为145m时，口门区流速流态能满足通航水流条件。船模试验表明，当流量为4.5万m3/s、坝前水位为145m时，船队进出口门及经过堤头附近航段时，均能满足通航要求。

枢纽运用76年末，船闸上游设长隔流堤小包方案，当流量为4.5万m3/s、坝前水位为145m时，升船机口门区处于较缓的回流左侧，流速流态能满足通航水流条件。船模试验表明，当流量4.5万m3/s、坝前水位145m时，船队能顺利进出口门，但船队上行通过祠堂包堤头时，须注意掌握航向。

3.长隔流堤的大包方案(www.xing528.com)

（1）船闸的上游引航道。本方案在枢纽运用初期30年内，船闸上游设长660m的短防淤隔流堤。枢纽运用初期30年内，上游引航道的泥沙淤积低于139m的碍航高程，不影响通航。枢纽运用32年后改短隔流堤为大包长隔流堤，其泥沙淤积也随坝区来沙增加而增多。枢纽运用中期31～54年，年碍航回淤量最小为5.48万～15.34万m3；最大为43.74万～167.62万m3。枢纽运用远期51～76年，年碍航回淤量最小为31.92万～58.19万m3；最大为188.30万～198.35万m3（表4-11）。

在枢纽运用初期30年内，口门区流速流态能满足通航要求，只在祠堂包航段有个别测点的横向流速超过0.3m/s（图4-37）。在枢纽运用32年后改为长隔流堤大包方案。由于大包方案隔流堤堤头位置和走向均与长隔流堤小包方案相同，故口门区流速流态也与小包方案基本一致。枢纽运用54年末和76年末，在流量56700m3/s、坝前水位147m或流量4.5万m3/s、坝前水位145m时，均能满足万吨级船队的通航水流条件，还可同时满足升船机上游引航道在枢纽不同运用时期流量4.5万m3/s时的通航水流条件（图4-38）。

图4-37　三峡枢纽船闸设短隔流堤方案枢纽运用32年末航道口门区的流速分布图（流量为56700m3/s，坝前水位为147m）

图4-38　三峡枢纽隔流堤大包方案枢纽运用76年末上游引航道口门区的流速分布图（流量为56700m3/s，坝前水位为147m）

（2）升船机的上游引航道。长隔流堤大包方案的升船机引航道和船闸引航道均布置在防淤隔流堤内。其泥沙淤积主要是异重流淤积，淤积量较设浮堤方案小。在枢纽运用中期54年内，大包方案升船机引航道平均年碍航回淤量为4.6万m3，最大年碍航回淤量为6.9万～14.09万m3。枢纽运用远期76年内，大包方案升船机引航道平均年碍航回淤量为7.77万m3，最大年碍航回淤量为14万～15.17万m3（表4-11）。

由于升船机航道处于防淤隔流堤内，在船闸充水时，流速也很小，其他时间均基本为静水区。船闸充水口设在短隔流堤外右侧，仍在大包引航道内。因此由于船闸充水引起的往复流水位波幅较大。影响波幅最大的不利工作条件为大坝泄洪时船闸双线充水时段，最不利部位在升船机承船厢处，当流量4.5万m3/s、坝前水位145m，船闸双线同时充水时，水位最大波幅为-0.32～0.26m，大于升船机设计允许值（±0.15m）。

4.长隔流堤的全包方案

（1）船闸的上游引航道。全包方案隔流堤内泥沙淤积机理与大包方案相同。枢纽运用中期31～54年，船闸引航道年碍航回淤量最小为4.38万～19.4万m3；最大为168.74万～194.33万m3。枢纽运用远期51～76年，年碍航回淤量最小为49.3万～52.8万m3，最大为193.5万～372.8万m3（表4-11）。

全包方案防淤隔流堤的堤头位置与小包方案相同，故口门区流速流态与长隔流堤小包方案基本一致，能满足船闸通过万吨级船队和升船机通过1500t级船队的通航水流条件。

（2）升船机的上游引航道。枢纽运用中期31～54年，升船机引航道年碍航回淤量最小为0.51万～1.2万m3；最大为7.2万～9.9万m3。枢纽运用远期51～76年，年碍航回淤量最小为1.63万～3.7万m3；最大为9.74万～45.3万m3（表4-11）。

长隔流堤全包方案的往复流波动特点与长隔流堤大包方案相似，但由于前者包围的水域比后者稍大，故船闸充水时产生的往复流波幅相对较小。在枢纽运用第76年淤积地形条件下，影响波幅的最不利工作条件仍为大坝泄洪时船闸双线充水时段，最不利部位仍在升船机承船厢处，当流量4.5万m3/s、坝前水位145m、船闸双线同时充水时，水位最大波幅为±0.13～±0.36m，大于升船机设计允许值（±0.15m）。

5.上游引航道布置方案的综合分析

综上所述，在未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程减沙作用的条件下，枢纽运行30年内，坝前淤积量相对较小，坝区河段的过水断面面积仍较大，不论是缓建防淤隔流堤方案或短防淤隔流堤方案，船闸和升船机上游引航道泥沙淤积均不碍航，并能满足通航水流条件。但随着枢纽运用年份的增加，坝区泥沙淤积逐渐增大，过水面积逐渐减小。当枢纽运用30年以后，船闸和升船机上游引航道必须设防淤隔流堤，方能全面满足通航水流条件。不论是长隔流堤小包、大包或全包方案，船闸上游引航道均能满足通航水流条件。长隔流堤小包方案的防淤隔流堤未把升船机引航道包围在内，升船机引航道的淤积量较长隔流堤大包方案和全包方案大，而且当枢纽运用76年，流量4.5万m3/s、坝前水位145m时，船队上行经过隔流堤堤头时，须注意用舵和掌握航向。长隔流堤大包方案和全包方案，升船机和船闸上游引航道均在隔流堤内，可减少升船机上游引航道的泥沙淤积和改善通航水流条件。但长隔流堤大包方案未把冲沙闸包围在堤内，使冲沙闸冲沙时不能冲刷上游引航道泥沙淤积物。长隔流堤全包方案则有利于这个问题的解决。长隔流堤大包方案和全包方案，船闸充水引起隔流堤内往复流的水位波幅较大，影响升船机的正常运行和船队航行，尚待进一步研究工程措施加以解决。另外，这两个方案工程投资也较长隔流堤小包方案大。

从泥沙实体模型和船模试验成果的可靠性分析，泥沙实体模型试验条件方面留有较多的余地：一是未考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程的减沙作用；二是试验水文年系列70年中加入3个1954年型大水丰沙年；三是试验依据的通航水流标准未考虑船舶（队）的不同性能，船模试验采用的是现行1942kW推轮组成的万吨级船队，未考虑今后船舶（队）性能的改进；四是万吨级船队的最大通航流量定为56700m3/s。因此，可以认为：在枢纽运用初期30年内，船闸上游引航道修建长660m的短隔流堤和升船机上游设长250m的浮堤，即可满足通航要求，也便于挖泥船在引航道内清淤作业；枢纽运用中期视当时上游引航道的运行情况，再选定修建长隔流堤具体方案。

三峡工程正式开工以后，有关主管部门综合分析各方案的优缺点和枢纽施工进展情况，决定采用在船闸和升船机上游引航道修建长防淤隔流堤的全包方案，要求在2003年三峡水库蓄水至水位135m前，充分利用施工弃渣将防淤隔流堤填筑至设计堤顶高程150m，并建成连接大坝的混凝土直立墙，取消船闸上游右侧长660m的短隔流堤；对船闸充水时隔流堤内往复流引起的升船机误载水深问题，须进一步研究解决措施。从泥沙问题研究角度分析，防淤隔流堤的堤头位置是通过大量泥沙实体模型试验和船模试验选定的，但由于受泥沙实体模型长系列年预报试验精度的限制，今后在通航建筑物运行过程中，还须加强泥沙淤积和通航水流条件的观测分析，必要时可对防淤隔流堤的堤头位置和形状加以调整。

（二）船闸和升船机下游引航道的布置

船闸和升船机下游口门位于枢纽左侧，枢纽运用后汛期溢流坝泄洪时，坝下游流速流态对船舶（队）航行极为不利，加之船闸和升船机下游引航道位于左岸缓流区，泥沙淤积量较大，因此在船闸和升船机的下游引航道布置共用的隔流防淤堤。通过坝区泥沙模型试验成果分析，选定隔流防淤堤头部位于坝河口附近，堤长3550m，口门宽200m。

船闸和升船机共用下游引航道，布置于左岸缓流区内，其泥沙淤积主要为异重流、缓流和回流淤积。随着枢纽运用历时增长，下泄水流含沙量增加，下游引航道的泥沙淤积逐渐增加。最大年回淤量达338.78万m3，需采用综合措施解决。

枢纽运用初期30年内，下游引航道底板高程56.5m以上的年回淤量最大为32.83万m3，但其淤面高程均未超过57m的碍航高程，故不影响通航。枢纽运用31～54年内，最小年回淤量为10.23万～21.5万m3，最大年回淤量为205.34万m3。枢纽运用51～76年内，最小年回淤量为56.81万～74.70万m3，最大年回淤量为338.78万m3（表4-12）。枢纽运用中远期，下游引航道的年回淤量较大，必须研究综合性的防淤清淤措施。

表4-12　枢纽运用中期和远期下游引航道的年碍航回淤量　单位：万m3

注　南京水利科学研究院50+3年清淤2次，回淤总量为355.85万m3，70+5年清淤3次，回淤总量为473.95万m3；其余均为一次清淤回淤量。

试验研究表明，在枢纽运用初期30年末、中期54年末和远期76年末，下游引航道口门区航行有效水域内的流速流态均基本一致，在坝下游水位由葛洲坝水利枢纽坝前水位66m控制条件下，当流量为3.5万m3/s时，口门区有效水域范围内，能全面满足万吨级船队通航水流条件（图4-39）；当流量为4.5万m3/s或56700m3/s时，航道中心线以左能全面满足万吨级船队通航水流条件，但万吨级船队不能沿航道中心线以右进入口门。如将航速提高到3.6m/s，船队可沿航道中心线左、右进出口门。以上各级流量条件下，升船机下游引航道均能满足1500t级船队的通航水流条件。

图4-39　三峡枢纽下游引航道口门区的水流流速流态（流量为56700m3/s）

船闸和升船机下游引航道在三峡工程第二期施工期间，兼作临时船闸的下游引航道，故下游防淤隔流堤在1998年5月1日建成并正式运用。实测资料表明：流量44800m3/s时，口门区（堤头下游530m、宽200m），最大流速为1.87m/s，最大横向流速为0.83m/s，最大纵向流速为1.79m/s，回流流速小于0.4m/s；横向流速大于0.3m/s的测点占测点总数的30%（图4-40）。试航报告认为：“在4.2万m3/s流量以下，中型船队下水过临时船闸，航行较为安全”，“通过自临时船闸一线开通以来船舶航行情况及本次试航来看，临时船闸下游航道条件比上游航道条件要好”^[12]。

图4-40　三峡枢纽施工二期下游引航道口门区和连接段的实测流速分布