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  为应对三峡两坝间大流量复杂水流保障航运安全提供技术支持  
  日期:2012-02-27    来源:  
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问:请您介绍一下该项目的基本情况。
答:
“三峡两坝间大流量复杂水流下航运安全关键技术研究” 项目是在三峡~葛洲坝两坝间汛期大流量下,船舶航行条件差、安全问题突出的背景条件下提出的,为2006年度西部交通建设科技项目(合同编号:2006 328 224 123),项目研究从2006年至20010年,历时4年。
  项目承担单位为交通运输部天津水运工程科学研究院,项目参加单位为长江三峡通航管理局、长江航务管理局、重庆西南水运工程科学研究所。项目研究针对三峡~葛洲坝两坝间在大流量复杂水流下的通航安全存在的问题,究采用实测资料分析、数学模型、正态物理模型和遥控自航船舶(队)模型试验相结合等多种研究手段,设置三个专题进行研究。2011年7月通过交通运输部西部交通建设科技项目管理中心主持的项目验收,并通过专家鉴定,研究成果总体上达到国际先进水平。
问:什么是大流量复杂水流?
答:
“大流量复杂水流”的提法是根据三峡~葛洲坝两坝间38km航道现状提出来的。首先说一下大流量的界定,三峡~葛洲坝两坝的通航,在三峡大坝下泄流量小于30000m3/s时,水流条件相对较好,船舶通航安全问题不突出;当三峡大坝下泄流量大于30000m3/s时,水流条件复杂,船舶通航安全问题突出。因此,三峡大坝下泄流量30000m3/s至设计最大通航流量46500m3/s的通航安全是本课题重点研究的流量段。
  河道内滩险的“复杂水流”是指水流急、流速的平面、垂线和沿程分布不均匀,变化梯度大,流态紊乱。其表现形式从工程角度基本上可以分为急流滩和险滩两大类。河道急流滩常见的流态有剪刀水、跌水等,险滩常见的流态有回流和泡漩水等。
问:三峡两坝间大流量复杂水流有什么特点?对这一地区的航运安全有什么影响?
答:
先说三峡两坝间大流量复杂水流的特点。
  内河复杂水流因山区河流河道地貌形态原因产生,其表现形式因地貌特征不同而不相同。
  三峡~葛洲坝两坝间38km航道处于川江航运的咽喉地段,在中、枯水期,通过两坝的联合调度,两坝间航道通航条件有很大改善;而在汛期特别是在30000 m3/s以上大流量下,由于两坝间河道狭窄,水流不畅、流速急、流态紊乱、船舶航行条件差。
  三峡大坝至葛洲坝两坝间河段多为峡谷河段,平面形态蜿蜒曲折,河谷陡峭,河槽窄深,河道断面多呈“U”型或“V”型,河道纵剖面跌宕起伏,汛期河道过水面积增加的速率小于流量增加的速率。两坝间滩险集中在中部莲沱至偏脑河段,在15km的河段中,有水田角、喜滩、大沙坝、偏脑等急流滩和石牌弯道滩,其中水田角、喜滩、石牌“两滩一湾”,船舶航行最为困难。
  两坝间河道平面蜿蜒曲折形态特征,主要表现在乐天溪、莲沱、石牌、南津关四个弯道,特别是石牌弯道,转角接近90?,弯道上、下游不能通视;两坝间河道宽度在200m~2300m,在河宽突缩处产生“剪刀水”,在河宽突扩处产生“两岸回流”。
  两坝间河道剖面跌宕起伏,河床高程陡降陡升,高程起伏变化大,河道深泓局部高差在较小的范围内最大达到60m以上,河道纵剖面大尺度的起伏使水流由水平方向动能转化为垂直方向动能和势能,由此产生垂向水流,表现为泡漩层生。
  两坝间河道断面呈现峡谷河道断面形态特征。急流险滩在大流量下河道一侧或两侧都存在大范围回流区,压缩有效过水面积,同时伴随产生剪刀水,导致河中心流速增加,可航行水域小。两坝间河道过水面积的增加速率小于三峡枢纽下泄流量增大的速率。
  现在谈一谈大流量复杂水流对两坝间的航运安全有什么影响。
  三峡河段汛期时两坝间山区自然河流特征明显,由于水流条件、流量变化、通航配套设施不足等情况,近年来出现多起事故,导致沉船、人员伤亡发生。据不完全统计,2003年至2007年5年来三峡河段水域共发生等级以上交通事故72起,年均14.4起,重大事故7起,事故共造成死亡、失踪人数14人,造成船舶沉没6艘。统计分析认为,水流条件是导致水上交通事故的主要原因。
问:本项目标题中的航运安全关键技术指哪些技术?在开展该项目研究之前,行业是否已掌握这些技术?掌握到什么程度?
答:
本项目的关键技术有三个方面,即:三峡~葛洲坝两坝间河道特性及滩险治理原则、两坝间急流险滩航道整治技术和两坝间典型急弯险滩通航条件改善措施。
  据我所了解的情况,在开展该项目研究之前,行业内在两坝间的航道整治上还没有掌握以上关键技术。为什么这样说呢,基于以下说明。首先,三峡~葛洲坝两坝间以往所开展的研究,主要关注135m蓄水方案条件下两坝间河段通航水流技术标准和水库航运调度规程问题的研究,以及三峡175m蓄水位方案电站枯季日调节以及汛期调峰对两坝间河段通航条件的影响研究;两坝间大流量复杂水流下的通航安全条件问题,以及改善措施在以往的研究中尚未涉及。
  就本课题研究的关键技术来讲,国内外研究处于以下状况:第一,急滩、险滩形成机理及整治措施的研究,国外多采取渠化的方式解决,对碍航滩险不作幅度较大的整治,主要是改进船型与船舶动力以增强船舶的适应性;国内关于急流滩水力特性较为系统的研究有《山区航道整治》(1975年出版)和《川江航道整治》(1997年出版)。关于急流滩整治措施,有扩大泄水断面法、构成错口滩型、拓宽缓流航道等,但都是针对自然河流滩险,不涉及以两坝间为特征的深水急流滩。
  第二, 险滩水力特性及整治措施的研究,国外相关资料很少,国内有关这方面的研究也不多,且处在初步摸索阶段;关于回流险滩水力特性及整治措施的研究,目前国内外学者绝大多数都将精力集中在由河道整治建筑物——丁坝而派生出来的回流水力特性研究,其研究成果浩如烟海,研究手段多采用水槽实验方法,但对于以两坝间为特征的河道回流碍航险滩水力特性及其整治工程措施的研究,几乎为空白,复杂水流流态的通航安全问题的研究还不多见。
问:该项目研究取得了哪些主要成果?有什么作用?
答:
主要成果包括以下几个方面:
  (1)对三峡大坝至葛洲坝两坝间河道特性的认识
  三峡两坝间呈现为典型的峡谷河道形态特征;汛期河道过水面积增加的速率小于流量增加的速率;流急、流态紊乱是滩险碍航的表观特征,河道的平面、断面、纵剖面形态是滩险碍航的根本原因。
  (2)对三峡大坝至葛洲坝两坝间非恒定流特性的认识
  三峡两坝非恒定流泄水波传递传递速度缓慢、波高小、波型沿程逐渐坦化;泄水波附加比降具有水面宽处增大率小、水面窄处增大率大的特征。
  (3)对三峡大坝至葛洲坝两坝间三维水流结构的认识
  三维水流结构的模拟显示,弯道环流表层流速略大于中层流速;模型试验结果表明,弯道水下炸礁、深槽抛填的工程措施优于采用整治建筑物的工程措施。
  (4)提出了主流带宽度的概念
  主流带宽度是指急流滩险不宜行船的水面宽度,在船舶上行时应该避开主流带才能保障航行安全。两坝间河段流速、比降、回流范围变化随着流量增加而增大;主流带宽度具有“随着流量的增加而增宽、葛洲坝水位愈高主流带宽度愈窄”的特征。
  (5)三峡大坝至葛洲坝两坝间滩险分类
  从河道平面形态角度,可分为河宽突扩急流滩、河宽突缩急流滩、弯道急流滩;从过水断面面积角度,可分为过水断面面积不足急流滩、有效过水断面面积不足急流滩;从河道剖面形态角度,可分为河床陡降急流滩、河床陡升急流滩。
  (6)三峡大坝至葛洲坝两坝间航道整治原则
  本河段滩险航道整治的总原则是:通过改变河床形态,调整水流结构和流速分布、消除或减弱不良碍航流态。具体为:对于河宽突扩、突缩急流滩,调整过水断面沿程变化率,使河宽平顺过渡;对于河床陡降陡升急流滩,减小河床高差沿程变化率,使河床高程平顺过渡;对于过水断面面积不足急流滩,扩大近岸缓流区范围;对于有效过水断面面积不足急流滩,减小近岸回流、泡漩水范围,降低回流、泡漩水强度,增大效过水断面面积,扩展近岸可航行水域宽度;对于弯道急流滩,拓宽弯道可航行水域的宽度和航线曲率半径。
  (7)解决的关键技术
  解决的关键技术有:①两坝间急流滩险航道整治原则;②两坝间通航安全航道整治技术;③典型滩段通航条件改善措施。
  本项目获得的研究成果,得到的认识和提出观点具有创新意义,已经应用于依托工程,还可以应用到三峡两坝间每一个滩段的治理,同时可以推广应用到我国西部以两坝间峡谷河道形态为特征的急险滩航道整治,对航道整治学科理论也有一定的贡献。
问:这些成果适合在什么条件下推广应用?
答:
研究成果主要适合以两坝间峡谷河道形态为特征的急险滩的航道整治,当然对于自然河流的航道整治也适用。
问:目前的应用情况及效果如何?要想扩大其适用性,还需要做哪些努力?
答:
该项目研究提出了三峡—葛洲坝两坝间河段河道特性和碍航特征分析、航道整治原则,并提出了典型河段的航道整治方案及工程措施。根据这些研究成果,三峡通航局2009年组织编制了《长江三峡—葛洲坝两坝间航道整治及配套工程总体技术方案》,该方案提出的两坝间分期分段整治规划,纳入了三峡工程后续建设规划和长江“十二五”水运建设规划,其中一期工程中的“三峡—葛洲坝两坝间乐天溪航道整治工程已于2010年开工建设。
  该项目研究成果提出的两坝间建设项目全部实施完成后,两坝间通航安全系数和通航条件将得到很大提高,大大减少间接的航运效益损失。项目研究成果应用后对于提高两坝间航道通过能力和船舶安全,不仅具有较大的直接经济效益,也具有较大的社会效益。如果进一步推广到我国西部其它工程项目,其经济和社会效益会更大。

  
 
 
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