三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1、<p>　　三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐</p><p>　　摘要：三峽工程明渠截流，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流明渠封堵、形成三期基坑，為樞紐圍堰發(fā)電創(chuàng)造蓄水條件的關(guān)鍵性工程。它具有流量大、流速大、落差大、能量大、拋投量大等特點(diǎn)。水文部門設(shè)計(jì)了水文信息采集—傳輸—處理—發(fā)布與反饋等4個(gè)子系流的明渠截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用先進(jìn)的水文儀器設(shè)備與技術(shù)措施，開展水位、流速、流量、流態(tài)、水下地形等項(xiàng)目觀測(cè)，為明渠截流提供

2、了準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)水文信息。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 明渠截流 三峽工程 </p><p>　　水文監(jiān)測(cè)在三峽水利樞紐的規(guī)劃論證階段和工程開工后，一直發(fā)揮著重要作用，為工程的科研、設(shè)計(jì)、截流布局及施工方案選擇等提供了科學(xué)依據(jù)。按照工程設(shè)計(jì)，三峽工程于2002年11月實(shí)現(xiàn)明渠截流。水文部門圍繞明渠截流戧堤進(jìn)占、龍口、大壩導(dǎo)流底孔過(guò)流、三期圍堰度汛等觀測(cè)為重點(diǎn)，兼顧庫(kù)區(qū)、壩

3、區(qū)、壩下游水文監(jiān)測(cè)，做了深入的研討，制定了詳細(xì)周密的監(jiān)測(cè)方案，為明渠截流提供及時(shí)、準(zhǔn)確的水文資料和分析成果。本文就截流河段與工程概況，水文監(jiān)測(cè)目的、主要內(nèi)容及作用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施，以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在截流實(shí)踐中的應(yīng)用等分別論述如下。</p><p>　　1 河段與工程概況</p><p><b>　　1.1 河段概況</b></p

4、><p>　　三峽工程施工區(qū)從伍相廟至鷹子咀長(zhǎng)約12km，面積15.28 km2。為較好地掌握施工區(qū)水文、河道、水環(huán)境變化情勢(shì)，水文監(jiān)測(cè)河段上起太平溪、下至蓮沱，全長(zhǎng)22km，水域面積約為22 km2（以下簡(jiǎn)稱壩區(qū)河段）。大壩軸線以上1.5km至大壩軸線以下1km為明渠截流水文監(jiān)測(cè)河段（以下簡(jiǎn)稱截流河段），全長(zhǎng)2.5km，面積約為3.0km2。三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖1。</p><p

5、>　　圖1 三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測(cè)布置圖</p><p><b>　　1.2 工程概況</b></p><p>　　三峽工程明渠截流繼一期導(dǎo)流明渠開挖、二期大江截流導(dǎo)流和通航之后、為修筑三期圍堰而實(shí)現(xiàn)戧堤進(jìn)占與合龍的關(guān)鍵性工程。</p><p>　　（1）三期圍堰工程。三期圍堰位于導(dǎo)流明渠內(nèi)。三期上游圍堰為Ⅳ級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰軸

6、線長(zhǎng)427 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為4月份實(shí)測(cè)最大流量17 600m3/s（1877年～1990年資料，下同），相應(yīng)上游水位81.05m，堰頂高程83.0m，最大堰高33.0m。三期下游圍堰為Ⅲ級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰軸線長(zhǎng)415m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為頻率2%的洪水流量79 000 m3/s，相應(yīng)擋水位78.3m，堰頂高程81.5m，最大堰高36.5m。上、下圍堰均由風(fēng)化砂、石渣、石渣混合料和塊石以及反濾料構(gòu)筑而成，總填筑量分別為146.58萬(wàn)m3和1

7、52.48萬(wàn)m3。</p><p>　?。?）明渠截流分流工程</p><p>　　明渠截流期采用大壩泄洪壩段導(dǎo)流底孔分流。22個(gè)導(dǎo)流底孔分別布設(shè)在泄洪壩段的表孔正下方跨縫處，其有壓出流口尺寸為6m×8.5m，中間16孔進(jìn)口底高程56.0m，兩側(cè)各3孔進(jìn)口底高程57.0m。大壩底孔泄流能力受二期上下游圍堰拆除高程和底寬的影響，設(shè)計(jì)明渠截流前，上游圍堰拆除高程57m，底寬不小于55

8、0m；下游圍堰拆除高程53m，底寬不小于410m。</p><p>　?。?）明渠截流戧堤工程</p><p>　　三期截流采用上、下游戧堤立堵，上游雙向、下游單向進(jìn)占的施工方案。設(shè)計(jì)按上游戧堤承擔(dān)截流總落差的2/3，下游戧堤承擔(dān)截流總落差的1/3。上、下截流戧堤總拋投量分別為35.85萬(wàn)m3和38.38萬(wàn)m3。戧堤施工進(jìn)占分為非龍口進(jìn)占和龍口進(jìn)占兩個(gè)階段,設(shè)計(jì)上、下截流龍口寬度分別為15

9、0m和140m，拋投量分別為20.4萬(wàn)m3和20.5萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)截流流量10 300m3/s，經(jīng)模型試驗(yàn)表明，上、下龍口最大平均流速分別達(dá)5.14m/s和4.01m/s，截流終落差4.11m。合龍能量指標(biāo)達(dá)40.4萬(wàn)kw，為葛洲壩工程截流的2.6倍，是巴西伊泰普工程截流的1.4倍，居當(dāng)今世界龍口能量指標(biāo)之首。</p><p>　　1.3 水文監(jiān)測(cè)的目的、主要內(nèi)容及作用</p><p>　

10、　鑒于明渠截流的難度，水文監(jiān)測(cè)的目的主要為三期截流設(shè)計(jì)、施工、截流指揮提供可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)也為模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算提供基本資料。特別要為在明渠截流過(guò)程中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)明渠截流施工決策和調(diào)度管理。水文監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括水下地形、截流落差、龍口流速、壩址流量及導(dǎo)流底孔分流量等，其主要作用是為掌握截流邊界條件、截流水流條件和截流環(huán)境影響的動(dòng)態(tài)變化，見(jiàn)表1。</p><p>　　

11、表1 三期截流水文監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容及作用</p><p><b>　　項(xiàng) 目 名 稱</b></p><p><b>　　主 要 內(nèi) 容</b></p><p><b>　　主 要 作 用</b></p><p><b>　　截</b></p>

12、<p><b>　　流</b></p><p><b>　　邊</b></p><p><b>　　界</b></p><p><b>　　條</b></p><p><b>　　件</b></p><

13、;p><b>　　水下地形</b></p><p><b>　　水下地形形象</b></p><p>　　掌握水下地形形象、口門水面寬及床沙的變化情況，為截流設(shè)計(jì)優(yōu)化、調(diào)整截流施工方案及進(jìn)度、模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)及水文、水力學(xué)計(jì)算提供基本資料</p><p><b>　　固定斷面</b><

14、;/p><p>　　固定斷面形象（含口門水面寬）</p><p><b>　　床沙</b></p><p>　　床沙（拋投料）顆粒級(jí)配</p><p><b>　　截</b></p><p><b>　　流</b></p><p>&

15、lt;b>　　水</b></p><p><b>　　流</b></p><p><b>　　條</b></p><p><b>　　件</b></p><p><b>　　水位</b></p><p><b

16、>　　壩區(qū)沿程水面線</b></p><p>　　是監(jiān)測(cè)截流落差及其變化的基本資料。同時(shí)監(jiān)測(cè)葛洲壩水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)截流水力學(xué)指標(biāo)的影響</p><p><b>　　龍口落差、戧堤落差</b></p><p>　　掌握上、下戧堤落差及其分配，指導(dǎo)上、下戧堤施工進(jìn)占的時(shí)機(jī)及進(jìn)度</p><p><b>

17、　　流速及流態(tài)</b></p><p>　　護(hù)底加糙區(qū)流速、戧堤頭及挑角流速、龍口縱橫斷面流速、截流河段流態(tài)</p><p>　　掌握戧堤口門區(qū)（以龍口為重點(diǎn)）的流速變化特征，指導(dǎo)戧堤進(jìn)占的拋投體塊徑、形狀、拋投方式及推填角度的選擇，以利戧堤頭的防沖和穩(wěn)定</p><p><b>　　流量</b></p><p&

18、gt;　　壩址流量、茅坪溪支流流量、大壩底孔及龍口分流量</p><p>　　掌握壩址來(lái)水流量及導(dǎo)流、截流的分流量</p><p><b>　　截</b></p><p><b>　　流</b></p><p><b>　　環(huán)</b></p><p>&

19、lt;b>　　境</b></p><p><b>　　影</b></p><p><b>　　響</b></p><p><b>　　河床演變</b></p><p>　　永久船閘下游引航道口門河勢(shì)及兩壩間河道演變</p><p>　　

20、截流對(duì)河道、航道口門區(qū)的河勢(shì)影響及拋投料對(duì)水環(huán)境的影響</p><p><b>　　水環(huán)境</b></p><p><b>　　截流河段及下游水質(zhì)</b></p><p>　　2 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)三峽工程明渠截流施工布局和截流工程設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)

21、計(jì)算、模型跟蹤試驗(yàn)等部門對(duì)截流水文監(jiān)測(cè)的要求，為確保水文數(shù)據(jù)全面、可靠、精度和時(shí)效，建立包括水文信息采集—傳輸—處理—發(fā)布與反饋等四個(gè)子系統(tǒng)的三期截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見(jiàn)框圖2。為系統(tǒng)實(shí)施成立了五個(gè)專業(yè)組，即水文組、河道組、水質(zhì)組、水文信息處理中心和綜合組。</p><p>　　2.1信息采集子系統(tǒng)。包括水位降水、龍口流速、流量、流態(tài)、口門水面寬、河道沖淤、水環(huán)境等，根據(jù)三峽壩區(qū)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)條件，結(jié)合截流所需的水文信

22、息，共布設(shè)18個(gè)水位站、2個(gè)水文站、17個(gè)流速或流量監(jiān)測(cè)斷面、32個(gè)河道固定斷面、5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。</p><p>　　2.2信息傳輸子系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)有線或無(wú)線數(shù)傳方式，輔以電話、電臺(tái)或?qū)χv機(jī)等方式，將自動(dòng)、半自動(dòng)或人工采集的水文、河道地形數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)線或有線數(shù)傳、或無(wú)線人工、有線人工傳至水文數(shù)據(jù)處理中心截流數(shù)據(jù)庫(kù)。各專業(yè)組之間的聯(lián)系采用短波電臺(tái)、電話（有線或WAP電話）等。</p><p&

23、gt;　　2.3信息處理、信息發(fā)布與反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立明渠截流水文信息處理中心，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)合理集成，實(shí)現(xiàn)水文信息接收、處理、存貯、檢索和e水文情報(bào)發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)化與自動(dòng)化。</p><p>　　水文信息處理中心建立截流水文數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖表自動(dòng)處理與共享。截流水文數(shù)據(jù)庫(kù)包括水文數(shù)據(jù)庫(kù)、河道數(shù)據(jù)庫(kù)、施工信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)采用表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)掛靠長(zhǎng)江三峽工程開

24、發(fā)總公司局域網(wǎng)，其間專設(shè)“截流水文網(wǎng)站”，以動(dòng)態(tài)方式直接從數(shù)據(jù)庫(kù)生成《水文實(shí)測(cè)信息》、《水文快報(bào)》以及其他信息網(wǎng)頁(yè)，發(fā)布水文監(jiān)測(cè)信息。</p><p>　　發(fā)布內(nèi)容包括水位、流量、流速、水面流速流向、泥沙、固定斷面、水下地形等信息和相關(guān)的分析成果。信息發(fā)布以截流指揮專用通信系統(tǒng)和“截流水文網(wǎng)站”為主，并以電子郵件、電傳、電話、電臺(tái)等為輔的方案?！端膶?shí)測(cè)信息》全面反映壩區(qū)河段水文變化情勢(shì)，在戧堤進(jìn)占和龍口合攏期每

25、天發(fā)布一期；根據(jù)水情變化確定發(fā)布《水文快報(bào)》頻次，如在龍口合攏期，實(shí)時(shí)發(fā)布水位、流速、落差等信息。系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)查詢、信息反饋、整編歸檔及檢索等功能。</p><p>　　3 水文監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施</p><p>　　截流水文監(jiān)測(cè)除采用常規(guī)的、成熟的測(cè)驗(yàn)方法和技術(shù)手段外，盡可能采用新的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施。截流水文監(jiān)測(cè)是在特殊環(huán)境條件下的水文觀測(cè)，其儀器設(shè)備將經(jīng)受各種不利因素的

26、制約，如明渠截流施工場(chǎng)地窄小、截流龍口水流湍急和高強(qiáng)度施工形成的復(fù)雜水域，以及無(wú)線電波干擾等，都將影響到水文監(jiān)測(cè)工作，也對(duì)儀器設(shè)備提出了更高的要求。根據(jù)明渠截流水文監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，應(yīng)立足于成熟的先進(jìn)儀器設(shè)備、先進(jìn)的技術(shù)手段，以收集、傳輸、發(fā)布水文資料。經(jīng)過(guò)調(diào)研和大量的儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)分析，確定在明渠截流水文監(jiān)測(cè)中使用以下關(guān)鍵儀器設(shè)備與技術(shù)措施。</p><p>　　3.1 ADCP測(cè)流系統(tǒng)。ADCP（Acoustic

27、 Doppler Current Profilers）是目前世界上最先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)儀器之一，具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)。對(duì)截流河段多斷面的水文監(jiān)測(cè)，采用船載型ADCP測(cè)流系統(tǒng)，輔以GPS導(dǎo)航技術(shù)，能快速、準(zhǔn)確地巡測(cè)各斷面的流速分布及流量或分流比，還可解決船舶無(wú)錨定位和全天候測(cè)驗(yàn)等問(wèn)題；對(duì)龍口流速測(cè)驗(yàn)，采用無(wú)人測(cè)艇ADCP測(cè)流系統(tǒng)，可精確地獲取龍口流速分布。</p><p>　　3.2 無(wú)人測(cè)艇測(cè)

28、量技術(shù)。該方法是通過(guò)龍口上游150m左右的錨錠船，用鋼絲繩牽引無(wú)人測(cè)艇（艇上安裝ADCP等儀器）深入龍口進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)。無(wú)人測(cè)艇采用全密封雙體船結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)性好、阻力小、安全可靠等特點(diǎn)。錨錠船安裝有以計(jì)算機(jī)為主的控制中心及機(jī)電設(shè)備，控制無(wú)人測(cè)艇測(cè)驗(yàn)。</p><p>　　3.3 GPS水道測(cè)繪系統(tǒng)。利用GPS接收機(jī)，配備數(shù)字測(cè)深儀或多波束測(cè)深儀、繪圖儀、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)鏈、通訊等設(shè)備組成的GPS水道測(cè)繪系統(tǒng)，可高效地施

29、測(cè)水下地形和沖淤斷面，具有全天候、多功能、精度高、成圖快等特點(diǎn)。</p><p>　　3.4 無(wú)人立尺測(cè)量技術(shù)。對(duì)戧堤頭水位觀測(cè)，傳統(tǒng)的方法難以達(dá)到安全、高效的要求，選用成熟的無(wú)人立尺測(cè)量技術(shù)，并配以高精度的激光全站儀，可測(cè)量未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)，用于龍口戧堤頭水位和口門寬度的測(cè)量。</p><p>　　3.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)水文信息遠(yuǎn)傳、處理、發(fā)布計(jì)算機(jī)化，具有快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。<

30、/p><p>　　3.6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在明渠截流中的運(yùn)用實(shí)踐</p><p>　　三峽明渠截流從2002年9月15日導(dǎo)流底孔閘門調(diào)試開始，至11月6日龍口合龍結(jié)束，明渠截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了明渠截流水文情勢(shì)變化，收集到全過(guò)程多要素完整的水文成果，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新截流水文網(wǎng)頁(yè)，為指導(dǎo)截流施工、調(diào)度、水文預(yù)報(bào)、提供了大量科學(xué)的水文信息。</p><p><b>　　

31、4 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　三峽工程明渠截流是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水文監(jiān)測(cè)成為重要組成部分，是截流不可缺少的技術(shù)保障服務(wù)系統(tǒng)。</p><p>　　三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)采用高新的監(jiān)測(cè)技術(shù)、選進(jìn)的儀器設(shè)備、高素質(zhì)的監(jiān)測(cè)人員以及合理可靠的組織措施保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，充分發(fā)揮水文監(jiān)測(cè)在三峽工程截流中的耳目和參謀作用，體現(xiàn)一流工程和一流的水文服務(wù)。</p>

32、;<p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]. 鄭守仁.三峽工程三期圍堰及截流設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.人民長(zhǎng)江.2002.（1）</p><p>　　[2]. 孫伯先.李云中.三峽工程大江截流水文測(cè)驗(yàn)設(shè)計(jì).中國(guó)三峽工程建設(shè).1997.（9）</p><p>　　Design of Hydrological Mon

33、itoring System for River Closure on Changjiang River</p><p>　　Abstract:The 3rd stage river closure for construction of the Three Gorges Project(TGP) on Changjiang River is a key project for closing the dive

34、rsion channel,forming the 3rd stage construction pit and building the cofferdams.River closure bat this stage is characterized by large closure discharge,high velocity,large water drop,great energy and high dumping inten

35、sity.A hydrological monitoring system is to be established for data collection,transmission,processing,dissemination and feedback.Advanc</p><p>　　Key words: hydrological observation,river channel measurement