三峡工程明渠截流水文监测系统设计与实践.doc

1、三峡工程明渠截流水文监测系统设计与实践摘要：三峡工程明渠截流，是实现导流明渠封堵、形成三期基坑，为枢纽围堰发电创造蓄水条件的关键性工程。它具有流量大、流速大、落差大、能量大、抛投量大等特点。水文部门设计了水文信息采集传输处理发布与反馈等 4 个子系流的明渠截流水文监测系统。运用先进的水文仪器设备与技术措施，开展水位、流速、流量、流态、水下地形等项目观测，为明渠截流提供了准确、可靠的实时水文信息。 关键词：水文监测系统 明渠截流 三峡工程 水文监测在三峡水利枢纽的规划论证阶段和工程开工后，一直发挥着重要作用，为工程的科研、设计、截流布局及施工方案选择等提供了科学依据。按照工程设计，三峡工程于 2

2、002 年 11 月实现明渠截流。水文部门围绕明渠截流戗堤进占、龙口、大坝导流底孔过流、三期围堰度汛等观测为重点，兼顾库区、坝区、坝下游水文监测，做了深入的研讨，制定了详细周密的监测方案，为明渠截流提供及时、准确的水文资料和分析成果。本文就截流河段与工程概况，水文监测目的、主要内容及作用，监测系统设计，监测仪器设备与技术措施，以及监测系统在截流实践中的应用等分别论述如下。1 河段与工程概况1.1 河段概况三峡工程施工区从伍相庙至鹰子咀长约 12km，面积 15.28 km2。为较好地掌握施工区水文、河道、水环境变化情势，水文监测河段上起太平溪、下至莲沱，全长 22km，水域面积约为 22 km

3、2（以下简称坝区河段） 。大坝轴线以上 1.5km 至大坝轴线以下 1km 为明渠截流水文监测河段（以下简称截流河段） ，全长 2.5km，面积约为 3.0km2。三峡工程明渠截流河段水文监测布置见图 1。图 1 三峡工程明渠截流河段水文监测布置图1.2 工程概况三峡工程明渠截流继一期导流明渠开挖、二期大江截流导流和通航之后、为修筑三期围堰而实现戗堤进占与合龙的关键性工程。（1）三期围堰工程。三期围堰位于导流明渠内。三期上游围堰为级临时建筑物，围堰轴线长 427 m，设计洪水标准为 4 月份实测最大流量 17 600m3/s（1877 年1990 年资料，下同） ，相应上游水位 81.05m，

4、堰顶高程 83.0m，最大堰高 33.0m。三期下游围堰为级临时建筑物，围堰轴线长 415m，设计洪水标准为频率 2%的洪水流量 79 000 m3/s，相应挡水位78.3m，堰顶高程 81.5m，最大堰高 36.5m。上、下围堰均由风化砂、石渣、石渣混合料和块石以及反滤料构筑而成，总填筑量分别为 146.58 万m3 和 152.48 万 m3。（2）明渠截流分流工程明渠截流期采用大坝泄洪坝段导流底孔分流。22 个导流底孔分别布设在泄洪坝段的表孔正下方跨缝处，其有压出流口尺寸为 6m8.5m，中间 16孔进口底高程 56.0m，两侧各 3 孔进口底高程 57.0m。大坝底孔泄流能力受二期上下

5、游围堰拆除高程和底宽的影响，设计明渠截流前，上游围堰拆除高程 57m，底宽不小于 550m；下游围堰拆除高程 53m，底宽不小于410m。（3）明渠截流戗堤工程三期截流采用上、下游戗堤立堵，上游双向、下游单向进占的施工方案。设计按上游戗堤承担截流总落差的 2/3，下游戗堤承担截流总落差的1/3。上、下截流戗堤总抛投量分别为 35.85 万 m3 和 38.38 万 m3。戗堤施工进占分为非龙口进占和龙口进占两个阶段,设计上、下截流龙口宽度分别为 150m 和 140m，抛投量分别为 20.4 万 m3 和 20.5 万 m3。设计截流流量 10 300m3/s，经模型试验表明，上、下龙口最大平

6、均流速分别达5.14m/s 和 4.01m/s，截流终落差 4.11m。合龙能量指标达 40.4 万 kw，为葛洲坝工程截流的 2.6 倍，是巴西伊泰普工程截流的 1.4 倍，居当今世界龙口能量指标之首。1.3 水文监测的目的、主要内容及作用鉴于明渠截流的难度，水文监测的目的主要为三期截流设计、施工、截流指挥提供可靠数据，同时也为模型跟踪试验、水文预报、水文及水力学计算提供基本资料。特别要为在明渠截流过程中可能出现的突发情况进行跟踪监测，以指导明渠截流施工决策和调度管理。水文监测的主要内容包括水下地形、截流落差、龙口流速、坝址流量及导流底孔分流量等，其主要作用是为掌握截流边界条件、截流水流条件

7、和截流环境影响的动态变化，见表 1。表 1 三期截流水文监测的主要内容及作用项 目 名 称主 要 内 容主 要 作 用截流边界条件水下地形水下地形形象掌握水下地形形象、口门水面宽及床沙的变化情况，为截流设计优化、调整截流施工方案及进度、模型跟踪试验、水文预报及水文、水力学计算提供基本资料固定断面固定断面形象（含口门水面宽）床沙床沙（抛投料）颗粒级配截流水流条件水位坝区沿程水面线是监测截流落差及其变化的基本资料。同时监测葛洲坝水库调节对截流水力学指标的影响龙口落差、戗堤落差掌握上、下戗堤落差及其分配，指导上、下戗堤施工进占的时机及进度流速及流态护底加糙区流速、戗堤头及挑角流速、龙口纵横断面流速、

8、截流河段流态掌握戗堤口门区（以龙口为重点）的流速变化特征，指导戗堤进占的抛投体块径、形状、抛投方式及推填角度的选择，以利戗堤头的防冲和稳定流量坝址流量、茅坪溪支流流量、大坝底孔及龙口分流量掌握坝址来水流量及导流、截流的分流量截流环境影响河床演变永久船闸下游引航道口门河势及两坝间河道演变截流对河道、航道口门区的河势影响及抛投料对水环境的影响水环境截流河段及下游水质2 水文监测系统设计根据三峡工程明渠截流施工布局和截流工程设计、监理、施工、水文预报、水文及水力学计算、模型跟踪试验等部门对截流水文监测的要求，为确保水文数据全面、可靠、精度和时效，建立包括水文信息采集传输处理发布与反馈等四个子系统的三

9、期截流水文监测系统，见框图2。为系统实施成立了五个专业组，即水文组、河道组、水质组、水文信息处理中心和综合组。2.1 信息采集子系统。包括水位降水、龙口流速、流量、流态、口门水面宽、河道冲淤、水环境等，根据三峡坝区现有监测站网条件，结合截流所需的水文信息，共布设 18 个水位站、2 个水文站、17 个流速或流量监测断面、32 个河道固定断面、5 个水质监测断面。2.2 信息传输子系统。采用计算机有线或无线数传方式，辅以电话、电台或对讲机等方式，将自动、半自动或人工采集的水文、河道地形数据，经无线或有线数传、或无线人工、有线人工传至水文数据处理中心截流数据库。各专业组之间的联系采用短波电台、电话

10、（有线或 WAP 电话）等。2.3 信息处理、信息发布与反馈子系统。利用现代信息技术，建立明渠截流水文信息处理中心，使用计算机网络与通讯技术合理集成，实现水文信息接收、处理、存贮、检索和 e 水文情报发布的网络化与自动化。水文信息处理中心建立截流水文数据库和计算机局域网，实现数据、图表自动处理与共享。截流水文数据库包括水文数据库、河道数据库、施工信息数据库等，数据库采用表结构设计方案。计算机局域网挂靠长江三峡工程开发总公司局域网，其间专设“截流水文网站” ，以动态方式直接从数据库生成水文实测信息 、 水文快报以及其他信息网页，发布水文监测信息。发布内容包括水位、流量、流速、水面流速流向、泥沙、

11、固定断面、水下地形等信息和相关的分析成果。信息发布以截流指挥专用通信系统和“截流水文网站”为主，并以电子邮件、电传、电话、电台等为辅的方案。 水文实测信息全面反映坝区河段水文变化情势，在戗堤进占和龙口合拢期每天发布一期；根据水情变化确定发布水文快报频次，如在龙口合拢期，实时发布水位、流速、落差等信息。系统还具有实时查询、信息反馈、整编归档及检索等功能。3 水文监测仪器设备与技术措施截流水文监测除采用常规的、成熟的测验方法和技术手段外，尽可能采用新的监测仪器设备与技术措施。截流水文监测是在特殊环境条件下的水文观测，其仪器设备将经受各种不利因素的制约，如明渠截流施工场地窄小、截流龙口水流湍急和高强

12、度施工形成的复杂水域，以及无线电波干扰等，都将影响到水文监测工作，也对仪器设备提出了更高的要求。根据明渠截流水文监测的特点，应立足于成熟的先进仪器设备、先进的技术手段，以收集、传输、发布水文资料。经过调研和大量的仪器设备技术指标分析，确定在明渠截流水文监测中使用以下关键仪器设备与技术措施。3.1 ADCP 测流系统。ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers）是目前世界上最先进的水文测验仪器之一，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。对截流河段多断面的水文监测，采用船载型 ADCP 测流系统，辅以 GPS 导航技术，能快速、准确地巡测各断面的流速分布

13、及流量或分流比，还可解决船舶无锚定位和全天候测验等问题；对龙口流速测验，采用无人测艇 ADCP 测流系统，可精确地获取龙口流速分布。3.2 无人测艇测量技术。该方法是通过龙口上游 150m 左右的锚锭船，用钢丝绳牵引无人测艇（艇上安装 ADCP 等仪器）深入龙口进行水文测验。无人测艇采用全密封双体船结构，具有稳性好、阻力小、安全可靠等特点。锚锭船安装有以计算机为主的控制中心及机电设备，控制无人测艇测验。3.3 GPS 水道测绘系统。利用 GPS 接收机，配备数字测深仪或多波束测深仪、绘图仪、计算机与数据链、通讯等设备组成的 GPS 水道测绘系统，可高效地施测水下地形和冲淤断面，具有全天候、多功

14、能、精度高、成图快等特点。3.4 无人立尺测量技术。对戗堤头水位观测，传统的方法难以达到安全、高效的要求，选用成熟的无人立尺测量技术，并配以高精度的激光全站仪，可测量未知点的三维坐标，用于龙口戗堤头水位和口门宽度的测量。3.5 计算机网络技术。实现水文信息远传、处理、发布计算机化，具有快速、准确等特点。3.6 监测系统在明渠截流中的运用实践三峡明渠截流从 2002 年 9 月 15 日导流底孔闸门调试开始，至 11 月 6 日龙口合龙结束，明渠截流水文监测系统实时监测了明渠截流水文情势变化，收集到全过程多要素完整的水文成果，并实时动态更新截流水文网页，为指导截流施工、调度、水文预报、提供了大量

15、科学的水文信息。4 结语三峡工程明渠截流是一项非常复杂的系统工程，水文监测成为重要组成部分，是截流不可缺少的技术保障服务系统。三峡工程明渠截流水文监测采用高新的监测技术、选进的仪器设备、高素质的监测人员以及合理可靠的组织措施保证系统的高效运行，充分发挥水文监测在三峡工程截流中的耳目和参谋作用，体现一流工程和一流的水文服务。参考文献：1. 郑守仁.三峡工程三期围堰及截流设计关键技术问题.人民长江.2002.（1）2. 孙伯先.李云中.三峡工程大江截流水文测验设计.中国三峡工程建设.1997.（9）Design of Hydrological Monitoring System for River

16、 Closure on Changjiang RiverAbstract:The 3rd stage river closure for construction of the Three Gorges Project(TGP) on Changjiang River is a key project for closing the diversion 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 intensity.A hydrological monitoring system is to be established for data collection,transmission,processing,dissemination and feedback.Advanced instruments and monitoring technologies will