三峡工程明渠截流设计洪水分析

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三峡工程明渠截流设计洪水分析

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 1950 0


1三期明渠截流设计方案

  根据2001年6月18日中国长江三峡工程开发总公司总经理办公会议纪要的要求,选择提前截流设计流量为10000m3/s左右。长江委通过对120余年实测水文资料分析,选择11月下半月截流,截流流量标准为10300m3/s,并在随后的招标设计中重点对此流量下的双戗双向进占立堵截流方案进行设计。通过综合各方面因素,提出了左岸上、下游设置截流基地的截流方案(简称基地方案),具体为:于砼纵向围堰上、下游端设置截流基地,创造两岸进占条件;上、下游截流戗堤龙口段设置垫底加糙拦石坎,上游戗堤加糙拦石坎顺水流向宽36m,沿戗堤轴线长120m,拦石坎顶部高程54m(坎高4m);下游戗堤加糙拦石坎顺水流向宽36m,沿戗堤轴线长90m,拦石坎顶部高程48m(坎高3m);上游戗堤承担2/3落差,下游戗堤承提1/3落差。

  根据招标设计,上游围堰截流戗堤束窄口门宽度220m前,设计长江来流量14800m3/s,遇防冲流量21900m3/s;束窄口门宽度至150m阶段,设计长江来流量12200m3/s,防冲流量19400m3/s;150m龙口至合龙,设计截流流量10300m3/s时。

2 明渠截流期雨洪特征

  长江流域降水量的地区分布很不均匀,总体趋势是由东南向西北递减,山区多于平原,迎风坡多于背风坡,中下游平均降水量较上游丰富。

  上游地区具有高原、盆地、河谷等复杂地形,降水的时空分布也存在很大差异。长江河源的楚玛尔河站年平均降水量仅253mm,是全流域年降水量最小的地区,而金山站年降水量高达2590mm,为全流域之冠。上游大部分地区年降水量在800~1400mm,年降水量超过2000mm的多雨区有两个,一个位于四川盆地向高原的过渡地带,另一个位于大巴山南侧万源和巫溪。在青藏高原一带,年降水量低于800mm,江源地区甚至不足400mm。

  冬季降水量全年最少。上游地区最早3、4月即可进入雨季; 6~9月为全年最雨最多时段, 其中9月雨带旋回至长江中上游时,多雨区从川西移到川东至汉江,在雅砻江下游、渠江、乌江东部、三峡区间及汉江上游雨量比8月多,显示出秋雨现象,有的年份,这种强度不大而历时较长的秋雨还很明显,易形成秋季洪水。10月,随着夏季风的南撤,雨量已明显减少,50mm以上月雨量10月分布在金沙江下游至宜昌区间;11月50mm以上雨区范围迅速缩小至乌江流域,此时金沙江以上不足10mm;12月至次年2月雨量为全年最少,除乌江流域12月达25mm,长江上游月降水均小于25mm,金沙江以上几乎无降水。

  长江上游的暴雨主要出现在青藏高原以东的盆地及其周边约60万km2的地区,按日雨量≥50mm为暴雨统计,年平均暴雨日数在5天以上的多暴雨区有2处,即川西暴雨区和大巴山暴雨区。暴雨最早出现在3、4月,大部分地区在9月下旬结束,仅乌江、三峡区间、嘉陵江上游结束于10月下旬,个别年份可至11月上旬结束。如1955年11月洪水主要发生在乌江和金沙江,宜昌站11月中旬实测最大日平均流量达24200m3/s;1996年11洪水主要发生在乌江和三峡区间,11月上旬宜昌实测最大流量26600m3/s,1944年10~11月洪水则主要发生在嘉陵江和金沙江,宜昌站11月上旬实测最大流量达26500 m3/s,10月下旬宜昌日平均流量在20000~30000 m3/s间持续8天。

  据1877~2000年124年实测流量资料分析,截流期的11月多年平均流量10300 m3/s。 11月上旬历年最大日平均流量排前两位的分别为1996年的26600 m3/s和1944年的26500 m3/s,日最大流量超过20000 m3/s的共有10年;超过15000 m3/s的49年。11月中旬,历年最大日平均流量排第一位的为1908年的30600 m3/s,其次为1955年的24200 m3/s,超过15000 m3/s的达18年。11月下旬,实测最大日平均流量为1961年的17500 m3/s,系列中日最大流量超过10000 m3/s的达32年。

3 明渠截流施工期设计洪水分析

  就一般洪水特性而言,长江上游汛期为5~10月,但其中7、8、9月三个月出现年最大流量机会较多,其量级也比6月和10月的洪峰流量大。因此在施工设计洪水分析中,将7、8、9月划为汛期,应用全年最大洪水资料系列计算的坝址设计洪水作为施工洪水;而将6、10月列入非汛期,这样处理更符合汛期水情特点,也有利于施工进度安排。

  非汛期1月至6月和10月至12月,施工设计洪水计算,均采用分月最大选样。枯水段10~5月、11~4月和12~3月,分别在各分段内选取最大流量系列作频率计算。根据三期截流及围堰施工需要,将系列延长至2001年后计算的非汛期施工设计洪水成果见表1

  表1 宜昌站枯水期设计最大日均流量延长系列复核成果表

  (1877~2001年) 流量:m3/s

月份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 10月 11月 12月 10~5月 11~4月 12~3月 参数 均值 4960 4410 5730 10600 18700 31500 27600 15100 7650 28600 15400 7860 Cv 0.15 0.18 0.28 0.28 0.3 0.26 0.27 0.27 0.18 0.26 0.26 0.18 Cs/Cv 6 7 4 3 6 3.5 2 5 5 2 5 5 设计频率 % 1 7190 6940 10700 19300 38300 55800 47700 28300 11700 48600 28300 12000 2 6840 6510 9910 17900 34800 52000 45000 26100 11100 45800 26100 11400 5 6350 5930 8770 16100 29700 46600 40800 23000 10200 41800 23100 10500 10 5950 5470 7910 14500 26200 42500 37300 20600 9490 38300 20800 9750 20 5560 4990 6930 12900 22300 37800 33400 18000 8710 34600 18300 8950 为进一步分析明渠截流施工期水文条件,重点补充分析了10、11、12月分旬、分月和11月上半月、下半月、12月上半月不同频率的设计洪水,资料系列延长至1877~2001年,设计成果如表2和表3。新增系列中,1996年11月宜昌站曾发生较大洪水,最大日平均流量26600m3/s,自1877~2001年共125年系列中排第3位。

  表2 11月上半月和下半月最大日均流量设计成果

  流量:m3/s

时段 均值 Cv Cs/Cv 2% 5% 10% 20% 50% 80% 90% 11月上半月 15000 0.28 5 26400 23100 20600 18000 14100 11500 10600 11月下半月 10700 0.36 6 22100 18400 15700 12900 9400 7800 7400

表3 宜昌站10月、11月设计流量成果表

  (系列1877-2001年)

月 项目 分期 均值 Cv Cs/Cv 1% 2% 5% 10% 20% 50% 75% 80% 10 月 平均 月 19200 0.22 2.0 30400 28800 26600 24800 22600 18900 16200 15600 上旬 22600 0.26 2.0 38500 36200 33100 30400 27300 22100 18400 17600 中旬 19400 0.24 3.0 32600 30600 27900 25600 23100 18800 16000 15400 下旬 16000 0.24 3.0 26900 25300 23000 21100 19000 15500 13200 12700 最大 月 27600 0.28 2.0 48700 45700 41400 37900 33800 26900 22100 21000 上旬 26800 0.30 2.0 49000 45800 41200 37500 33200 26000 21000 19900 中旬 22900 0.29 2.0 41100 38500 34800 31700 28200 22300 18100 17200 下旬 18700 0.26 2.0 31800 30000 27300 25100 22600 18300 15200 14500 11 月 平均 月 10300 0.18 4.0 15600 14800 13700 12800 11800 10100 8960 8710 上旬 12600 0.22 3.5 20600 19400 17700 16300 14800 12200 10600 10200 中旬 10400 0.23 8.0 18800 17200 15100 13500 11900 9710 8670 8500 下旬 8230 0.18 8.0 13100 12300 11100 10200 9270 7890 7140 7000 最大 月 15100 0.28 5.0 28900 26500 23300 20800 18100 14100 12000 11600 上旬 14600 0.26 5.5 27100 24900 22000 19700 17300 13700 11800 11400 中旬 12100 0.31 6.5 25700 23000 19600 17000 14400 10900 9430 9190 下旬 9340 0.24 7.0 17000 15600 13800 12300 10800 8750 7710 7520

4 明渠截流设计流量

  截流设计流量应根据河流水文特性及施工条件等多方面因素选择,一般可选用截流期5~10年一遇的月或旬平均流量。对于截流时段选在汛后退水期或稳定枯水期时,截流流

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量重现期可取短一些。对于大型工程的截流设计,多以选取一种流量为主,再考虑较大、较小流量出现的可能性,采用几种流量进行截流水力学计算和模型试验研究。

  三峡三期明渠截流具有流量大、落差高、影响因素众多、施工条件复杂等显著特点,截流流量标准选择过高,将大幅度加大截流难度、增加截流工程投资,且存在诸多难以克服的技术难题,截流技术措施难以落实。根据明渠截流时左岸大坝导流底孔分流特点及各级流量截流终落差1:80水工模型试验成果,当截流流量为14000 m3/s时,截流(闭气后)终落差将达8.11m,对于此类大流量、高落差、高能量的截流工程,实施难度极大。

  根据长江实测洪水资料进行分析,着重考虑截流技术措施的可行性,并结合多年来三峡研究和设计情况,选择戗堤非龙口段进占从11月初开始,采用11月上旬多年旬平均流量14800m3/s,戗堤顶高程及裹头防冲采用当旬5%最大日平均流量21900m3/s;明渠截流龙口合龙时段在《提前截流专题研究》中确定为11月中旬或下旬,截流流量分别为11月中旬多年平均最大日流量12200 m3/s和11月月平均流量10300 m3/s。2001年6月18日中国长江三峡工程开发总公司总经理办公会议要求,三峡三期明渠截流既选择提前,又需考虑截流施工难度,建议选择截流流量为10000m3/s左右;此精神指导下,研究决定三峡三期明渠截流龙口合龙时间定为11月下半月,设计截流流量为11月月平均流量10300 m3/s,该流量约相当于11月下旬20%最大日平均流量。实际施工过程中,可根据当10月和11月长江退水情况和上游来水情况,适当提前实施。

  已确定的设计截流流量与本研究中分析的截流期旬月设计流量比较如表4。本次分析的截流期特征流量与所选择的截流流量标准基本一致,而且11月下半月龙口合龙设计流量10300m3/s与11月月平均流量10300m3/s、11月下旬10%平均流量10200m3/s吻合。

  表4 已选截流流量标准与截流期施工设计流量比较

  流量:m3/s

11月上旬 11月上旬 11月中旬 11月下旬 多年平均日最大 5%最大 多年旬平均 20%最大 招标设计采用 14800 21900 12200 10300 本次分析 14600 22000 12100 10800

5 截流期11月各旬不同量级流量统计

  截流期的11月,虽然没有大洪水发生,但受大江大河退水缓慢和上游秋汛影响,11月流量仍较大,多年平均流量10300 m3/s。据1877至2001年实测资料统计, 11月上旬最大日平均流量超过20000 m3/s的10年;超过15000 m3/s的52年,占系列长度的41.6%。11月中旬,最大日平均流量为30600 m3/s,超过15000 m3/s的达21年,占系列总长的16.8%,超过12500 m3/s的共43年;11月下旬,实测最大流量17500 m3/s,超过12500 m3/s的也有10年,超过10000m3/s的达32年。

  结合截流施工安排的可能性,根据1877~2000年实测流量资料,分别统计11月各旬出现连续5天、4天和3天小于或等于12200m3/s、10300 m3/s的发生频率,统计成果如表5。

  表5中统计情况看,11月中旬出现连续5天小于10300m3/s的概率为64.5%,但连续4天小于该流量的概率上升到74.2%;11月下旬出现连续5天小于10300m3/s的概率达94.4%。说明11月中旬按设计截流量10300m3/s截流,其流量经验保障率可达65%~74%左右,而在下旬按此设计流量截流经验保障率可达94%以上,11月截流水文风险率较低。

  表5 宜昌站1877~2000年11月份实测日平均流量统计表

时间项目 连续期 11月 上旬 中旬 下旬 下半月 日平均流量≤12200m3/s 连续5天以上年数 61 109 122 123 所占百分比(%) 49.2 87.9 98.4 99.2 连续4天以上年数 72 110 123 124 所占百分比(%) 58.1 88.7 99.2 100 连续3天以上年数 82 114 124 124 所占百分比(%) 66.1 91.9 100 100 日平均流量≤10300m3/s 连续5天以上年数 27 80 117 117 所占百分比(%) 21.8 64.5 94.4 94.4 连续4天以上年数 32 92 117 117 所占百分比(%) 25.8 74.2 94.4 94.4 连续3天以上年数 42 95 119 119 所占百分比(%) 33.9 76.6 96 96.0

6 结语

  三峡明渠截流水文条件及特性主要是在截流前根据设计条件所分析,目的是为了更好地指导明渠截流施工。2002年9月以后,上游来水普遍偏枯,为三峡工程明渠提前截流创造了有利条件。

  2002年9月15日,三峡工程导流底孔开闸放水调试,至9月19日全部22个导流底孔全部开闸分流,当日坝址来流量11100m3/s,导流底孔分流比24.32%,高于原设计的分流能力,也为三峡明渠截流进一步提前增强了信心。

  2002年10月中旬,明渠截流开始预进占,2002年10月16日9时,上龙口戗堤口门水面宽率先达到294.9m,表明明渠截流进入到非龙口段;2002年10月27日14时,上龙口戗堤口门水面宽又达到149.7m,标志着明渠截流进入到龙口段。2002年11月6日9时48分,三峡三期明渠截流合龙成功。在截流最紧张时期间,尽管上游的来流量一度上涨,最大达到11600m3/s,但仍在分析的水文条件范围内。进入11月份后,流量一直维持在10000m3/s以下,截流水文条件较为理想。

  三峡明渠截流期合符实际的水文条件及特性分析成果,是三峡工程提前截流决策的依据之一。基于固定的设计截流流量和截流期水文气象条件,为截流施工早作准备和安排,当上游来流量符合截流水文条件时,即可实施提前截流,为2003年6月蓄水赢得工期。2002年三峡工程明渠提前截流成功充分证实了这一点。


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