1 概述
三峡电站设计装机容量为1820万kW，并考虑扩建右岸地下厂房，增设6台机组，增容420万kW，合计总装机容量为2240万kW；单机容量70万kW，基荷为130万kW(日调节方案之一)，调峰调频效益十分巨大。长江为横贯我国西南、中南、华东三大经济区的水运交通大动脉，世称“黄金水道”。三峡工程年设计下水货运量5000万t，万吨级船队汉渝直达通航保证率大于50%，在国家交通运输事业中有着举足轻重的地位。所以，在三峡工程规划、设计各个阶段，都对发电和航运的关系进行了多方面的深入研究。
各个设计阶段，三峡工程不同方案电站负荷日调节对下游航运的影响模型试验是在宜昌前坪基地进行的(图1)。同时，还进行了多种运行方案的数值计算。模型试验和数值计算相互验证，为设计提供了充分的科学依据。
2 两坝间及宜昌河段河势特点
图1 三峡电站两坝间模型布置图
2.1 两坝间河段
自三峡坝轴线至葛洲坝坝轴线，流程38.39km，称两坝间河段。
自三峡坝轴线至乐天溪，流程9.6km，为宽谷段，上首为三斗坪弯道(坝下)，下首为乐天溪弯道，二弯道间河道顺直，河槽呈复式断面，汛期江面宽最大可达1400m，乐天溪自弯道凹岸(北岸)注入长江。
乐天溪至南津关，流程26.49km，为狭谷段，河槽窄深，呈“U”或“V”形，水面宽度不足300m，最窄处仅200m，多急弯，两岸多有山咀伸布江中，错相对峙。汛期水深流急，泡旋、剪刀水等险恶流态发育，形成中、高洪水滩；枯水、平水期水流平顺，流速不大。
南津关至葛洲坝前，流程2.3km，为山区向平原的过渡段，江面自300m展宽为2500m以上，河床自-36m高程抬升至30m高程，为1：7倒坡，水面平静。坝前500m北岸有较大支流黄柏河入汇，斜指上游。
两坝间河段的有效调蓄库容为8000×104m3，具有“水库”及“河道”双重特性，成库后冲淤变化已基本平衡。
2.2 宜昌河段
葛洲坝至虎牙滩，流程22.71km，称宜昌河段，为山区向平原过渡的宽浅式微弯分岔段。坝下有两条并列的人工航道，即1号船闸下引航道(2.7km)和2号、3号船闸下引航道(3.9km)。坝下3～9km为码头密布的宜昌港区。坝下10～15km有江心洲(汛期为潜洲)胭脂坝将河道分隔为主槽(北)和支岔(南)，洲头上游3km范围河床为倒坡，高差12m。全段江面宽阔，汛期比降不超过0.001%，枯期为0.003%左右。自葛洲坝建成后至今，河床平均消落2～3m，4000m3/s以下流量水位相应下切1.0m，现已基本稳定，流态平稳，通航水流条件良好。
两坝间及宜昌河段岸坡均十分稳定。
3 三峡电站负荷日调节和葛洲坝枢纽反调节运行方案特性
二电站联合运行，对航运较为不利的三个典型方案见附表。
3.1 三峡电站负荷日调节特性
(1)基荷为130×104kW，峰荷为1380×104～1697.6×104kW，调峰效益十分巨大。
(2)最小下泄流量为1580m3，只及百年特枯流量2770m3/s的57%，不足95%保证率流量3200m3/s 50%；最大下泄流量17231～18261m3/s，约为多年平均流量14300m3/s的1.3倍。而且低谷运行连续7h之久，流量小时变率最大值为7996m3/s·h。
(3)负荷及下泄流量每小时变化一次。
3.2 葛洲坝枢纽反调节特性
(1)日内负荷100.34×104～234.73×104kW。
(2)下泄流量最小值5526～5557m3/s，为95%保证率流量3200m3/s的1.7倍；最大值为8610～13199m3/s，日内流量变幅为7642m3/s，最大小时变率为3100m3/s·h。
(3)泄流时间段次4～11段次，连续变换流量(每小时变换一次)的时段最长达9h。
3.3 波流运动的态势和特性
(1)两坝间
①三峡电站减(增)荷。葛洲坝电站为恒荷，原生波为顺落(涨)波，并迅速向下游传递，波能几经沿程及若干局部特殊边界消耗，波势渐弱，余波直达葛洲坝前。一原生波在传递中遭受多处急弯、瓶颈段以及伸布江中的山咀等边界反射而生成次生逆波。次生波和后继原生波叠合，叠合波又遭受边界反射，几经反射、叠合，约2～3个周期后水面逐段趋于平静。第一列原生余波受葛洲坝坝体反射后，复又向上游传递，历经同样过程线表现为自上、下游两端逐渐向中部坦化的趋势，居中断面波动较小(见图2)。
②三峡电站减(增)荷而葛洲坝电站增(减)荷，顺落(涨)波自上游向下游传递，逆落(涨)波自下游向上游传递，各自在传递途中遭受边界反射，生成次生波。次生波与后继原生波叠合，往复反射、叠合，约2～3个周期后上、下游水面逐段趋于平静。两列反向而行的原生余波在中部遭遇而叠消，表现为中部水面较之上、下游水面降落(抬升)较多的态势，但波频较小(见图3)。
图2三峡电站突减负荷产生的不稳定流波在两坝间传播的坦化过程
图3 三峡电站突减负荷，葛洲坝电站突增负荷产生的不稳定流波在两坝间传播的坦化过程
③三峡电站和葛洲坝电站同时减(增)荷，顺落(涨)波自上游向下游传递，逆涨(落)波自下游向上游传递，逆涨(落)波自下游向上游传递，各自在传递途中经边界往复反射，又往复叠合，约2～3个周期后，上、下游水面逐段趋于平静，两列反向而行的原生余波在中部遭遇而叠合，表现出中部水面较之上、下游水面明显平稳(见图4)。
④不同类型的波均见在上、下游较短流程内的顺直段波幅及波频较大，而在中部宛若游龙的多支流狭谷段水面较为平稳。
图4 三峡电站与葛洲坝电站同时突减负荷产生的不稳定流波在两坝间传播的坦化过程
附表 三峡及葛洲坝二电站联合运行负荷日调节方案一览表 m3/s
时段/h：min
12月份方案
5月份方案
11月份方案
(无地下厂房)
(有地下厂房)
三峡出流
葛洲坝出流
8：00
10211
7530
10547
7673
7210
7192
9：00
10933
7921
10561
8502
3742
6571
10：00
11043
10590
11：00
10011
9365
3015
12：00
2364
4423
6216
13：OO
6087
6341
1610
14：00
7911
10410
5279
15：00
9235
8614
10376
7097
8142
16：00
9873
17：00
7831
6375
12081
10099
18：00
11251
9776
17412
13199
19：00
14702
17742
18261
10809
20：00
17231
15047
16958
7089
21：00
14959
14581
11039
7057
22：00
9406
8543
9744
7425
5557
23：00
5908
7500
6207
8640
4905
5648
24：00
1629
5644
1615
5526
1622
1：00
1623
1616
2:00
1609
3:00
1606
1601
4:00
1598
1599
1594
5:00
1590
1591
1587
6:00
2423
1582
1580
7:OO
5703
6003
7462
最大出力/万kW
1380.00
171.09
1430.00
172.94
1697.60
234.73
最小出力/万kW
130.00
102.73
100.77
100.34
⑤在三峡下引航道和葛洲坝大江上引航道，由于隔流堤的屏敝作用，水面亦无甚波动。在葛洲坝三江上引航道，由于隔流堤的屏敝和黄柏河的调蓄双重作用，水面更显平稳。
⑥各种不同类型的波在全河段推进的平均速度，据实测首尾断面起波时差和流程，计算得16.67m/s。
(2)宜昌河段
①本河段在二电站联合运行过程中表现为顺涨和顺落交相更迭，原生波和次生波往复叠消的复杂态势。
②在连续发生顺涨波的时段，先行波流量小而后继波流量大，波流运行顺畅，相应流速及比降较大，而水位较低，波频较大。
③在连续发生顺落波的时段，先行波流量大而后继波流量小。由于河槽对先行较大流量的调蓄以及先行波流量对后继波流量的顶托，而使得波流运行不畅，流速和比降较小，水位较高，波频较小。
④边界对波流运动的制约作用表现得十分明显。在大江口，因其特定边界而使得功能集中，水位变幅不大则流速较大；在三江口，由于弯道凹岸回流、三江下引航道调蓄及其往复流和类似于异重流的水流结构等多重因素影响，水位变幅及流速均不大；在十三码头，由于倒坡和胭脂坝头部的雍水作用，流速、比降、水位变幅均不大。
⑤本河段坝下9m流程内平均波速为20m/s。
图5 电站负荷调节过程中水位、流速相关变化曲线
3.4 波流运动的控制因素
(1)二电站联合运行方式(流量、水位、流速相关变化曲线 见图5)。
流量变幅、变率和变频愈大，波流运动愈强烈，水位变幅、变率和变频愈大，流速及比降变化愈剧烈，主流的游荡性愈强，冲淤更迭愈频繁，波传递的距离愈远。反之，结果则反。
(2)河道的调节能力
若河道急弯多，沿程两岸多洼地、凹塘、冲沟、支流，可抑制流量变化而起到削峰填谷的作用，则波流运动将迅速衰竭，传递距离也会很短。否则，波流运动将会十分发育而传递到数百km以外。
(3)波流边界条件
若在顺直河段，则过水断面愈大，床面及边壁愈粗糙，河槽微地形愈复杂，则愈易于促成波能的分散和消耗，从而使波动得以迅速趋于平息，并缩短波运行的距离。
(4)波流初始状态
在电站投入调峰运行前，下泄控制流量的大小、下游枢纽反调节库容的大小、以及相应水位等，均会对波流运动构成举足轻重的影响。
4 结论
(1)葛洲坝枢纽在三峡电站调峰运行过程中的反调节库容足够，反调节功能很强，可以把波流运动的水力指标控制在航运许可的范围之内。
(2)三峡规划万吨级汉渝直达船队可在二电站联合运行过程中的任何时段以及两坝间和宜昌河段的任何区段畅行无阻。
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