截流水位落差的研究探析

已如前述,三峡工程三期截流的设计流量为9010m3/s,要求将龙口上、下游水位差限制在3.5m以下;此外,上、下游水位差还受临时船闸设计流量11000m3/s时,最大运行水头不能超过6.0m的约束和葛洲坝水库回水的影响;上游三峡库区水位约在69.2～70.2m,下游三斗坪水位约在65.8～67.2m。这些要求须通过对导流底孔的型式和尺寸选择加以满足。

(1)导流底孔进口底高程对截流落差的影响。导流底孔进口底高程放低些,可以有效降低截流落差,但是由于二期围堰拆除工作的一部分须在水下进行,上游围堰拆除高程定为57.0m,下游围堰拆除高程定为53.0m,因此进口高程不宜过低,以防止拆余围堰土石料被水流带入底孔。

长科院在导流底孔前期研究工作中,已经对短管方案做了大量试验,在葛洲坝上游水位66.0m情况下,比较了进口底高程57.0m、56.5m、56.0m和55.5m等方案,论证了泄流能力、截流落差等主要指标,选定孔口尺寸6.0m×8.0m,底孔进口底高程为56.5m[12]。

(2)葛洲坝水库回水的影响。葛洲坝坝址距三峡坝址40km,在正常发电情况下,库首南津关水位在63.0～67.0m,回水影响延至三峡大坝坝址,当三峡大坝三期截流,泄9010m3/s流量时,三斗坪水位壅高0.3m;深孔、底孔联合泄洪70000m3/s时,三斗坪水位壅高10余m。葛洲坝坝前水位的调节,可以改善截流条件,降低截流落差。图6.3为两组不同方案的试验结果,从两条曲线的下降趋势可以说明,当葛洲坝水位在65.5～66.0m区间,截流落差降低梯度比较大,而当葛洲坝水位在66.5～67.0m区间,降低梯度平缓下来。长科院的试验方案和清华大学的试验方案说明,葛洲坝水位分别达66.0m和67m以上,其水位的升高对截流落差已经不能再起调节作用了。两组试验方案的主要差别在于明流段出口挑射角度及高程不同,显然,采用小挑角、低坎高有利于降低截流水位落差。

(3)二期围堰拆除高程的影响。二期上游围堰前缘拆除长度约483m,形成水下潜堰,堰顶宽度(顺水流方向)约200余m,对导流底孔的泄流将产生一定的影响,因而影响三期截流水位落差。长科院对围堰三组拆除高程进行试验[12]:第一组上游54.0m,下游50.0m;第二组上游57.0m,下游53.0m;第三组上游60.0m,下游56.0m。结果如图6.4所示,当葛洲坝水位在66.0m以下时,三组截流落差相差较大,但当葛洲坝水位超过66.0m时,三组结果相差很小。由于试验方案的反弧挑角较大,为40°,戽斗内的大旋滚影响出流,组间差别较大的值也仅在0.1m的量级内。在设计方面经综合考虑,采用了第二组拆除方案。

图6.3　葛洲坝水位对截流水位落差的影响

(注:流量Q=9010m3/s,上游围堰高程57.0m,下游围堰高程53.0m)

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图6.4　二期围堰拆除高程对截流水位落差的影响

图6.5和图6.6为清华大学的两组单孔模型试验曲线[24]在截流流量9010m3/s时,上游围堰拆除高程56.0m,在底孔前形成的水位跌落0.1m左右;下游围堰拆除高程53.0m,当葛洲坝水位控制在65.5～67.0m时,底孔出口水位壅高亦在0.1m左右。当葛洲坝水位低于65.5m时,该壅高值加大,例如在葛洲坝水位63.0m时,壅高值可达0.6m,一般葛洲坝水位不会这样低。这两组试验说明,当底孔采用单体试验时,不模拟围堰,将造成上下游落差偏低,有0.2m的偏差,试验值偏于不安全,应该加以修正。

图6.5　上游拆余围堰对水位的影响

(注:河床试验高程40.0m,上游围堰顶高程56.0m;围堰高度P=16m,堰顶宽(上下游方向)δ=200m)

图6.6　下游拆余围堰对水位的影响

(注:河床试验高程40.0m,下游围堰顶高程53.0m;围堰高度P=16m,堰顶宽(上下游方向)δ=200m,葛洲坝水位66m)