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三峡第二船闸规划探讨

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2021/5/25 10:09:13  

随着三峡船闸运力的饱满,三峡第二船闸已经讨论了多年,据说已有成型方案,但迟迟不见动工,原因很多。尤其其深度开挖山体对三峡大坝可能产生潜在的破坏性影响,谁也拿不准。相对高投资而言,十年工期更让人受不了。那么有没有简单的小尺度开挖山体方案呢?

我国历史悠久的灵渠的就是一个巧夺天工的运河工程,我们能从中发现点什么为我们当代所用?其实细细分析起来,灵渠之所以成为灵渠,是因为在设置灵渠的地方,其海拔上方还有更高的湘江,有源源不断的湘江上游水流补充,实现了船只的登高、翻山越岭。看看今天的三峡左岸,几乎没有适合的空间可以建设船闸,几个必经区块海拔至少230 m起。三峡大坝与船闸间的中堡岛倒是一个好地方,可是海拔从180 m~220 m。在这些非常不理想的地方如大深度开挖到140 m,不说工程量巨大,预估大家一想到大深度开挖有可能对三峡大坝产生破坏,定会不寒而栗。但是仅仅剔除表层十几米就建设高海拔船闸,看起来也非常不现实。难道就没有更好的办法了?办法还是有的,古人已经告诉我们了:只要在近处能够找到更高海拔的水源,量且足够大,高海拔船闸也不是问题。

那附近的高位水源在哪里?乐天溪就是一个很好的选择。据资料得知:沙坪水库多年平均径流量为25.9亿m3,多年平均流量为82 m3·s-1。粗略计算一下,一个三峡标准船闸宽度34 m,闸室长280 m,最大工作水头45.2m,最小工作水深5 m。每一次开闸,将至少损失40m或更大水头,约380 800 m3水量。船队过一格船闸就将有38万m3的水量流失,以乐天溪常年平均流量计算每小时可补水295 200 m3,也即意味着这些水一个小时之内不会充满一个闸室,根本不堪大用。

水源问题暂且放在一边,参考中堡岛和三峡北岸地理条件,中堡岛位置应该是首选,设计船闸位置如图。

图1 中堡岛一二号船闸示意图

现对各闸室工作水位进行设定,如下表。

表1 中堡岛一二号船闸水位运行图

中堡岛的一二号船闸几乎没有经过大规模的开挖。

可以发现,一、二号线有6个闸室需要在非汛期外力补水。每个闸室开启一次需要多少水?每小时开启几次?全天开启多少次?

依据近在咫尺的三峡第一船闸,船队过闸四级用时40分钟。因此,中堡岛船闸六级过闸总时间不能太超过一个半小时,好在中堡岛船闸一二三级闸室来自电力补水或高位蓄水库补水,四五六级补水来自三峡库区自流补水,水源独立,同一时间不争抢流量。因此一二三级闸室每格开闸门、船队进闸、补水用时、本闸室上游闸门关闭一套动作合计也应该定在20 min以内,否则整个船队用了两个多小时以上才得以过闸,对过闸船队心理也是一个考验。过闸时间太长,在有的选的情况下,大多数船队都不会选择中堡岛船闸。如果任由自选,狭窄的江面将一片混乱。那只有一种办法:三峡船闸、中堡岛船闸统一规划,三峡船闸统编为上行船闸,中堡岛船闸统编为下行船闸。

中堡岛船闸一二三级闸室补水,水从哪里来?是就近从三峡大坝前就近提水补充闸室?还是从附近的高位蓄水库引水补充闸室?前者就是在每条船闸闸首的位置建设抽水站,为每个闸室配备一台抽水机,哪里缺水开哪里?这种单兵作战不失为一种解决方案,但只能作为是权宜之计、是辅助手段,对于标准化作业,恐怕难堪大任!因此,从附近的高位蓄水库引水还是首选,这个蓄水库水位要高,容积要大。

表2 中堡岛船闸前三级闸室每次补水量(m3)

这个蓄水库需要多大?按照闸室20 min一班,每天10小时。中堡岛一二号船闸白班需水量约4 000万m3。稍微有点大啊!

先问下,这个水库建在哪里?

利用沙坪水库行不行?根据蓄能电站上下库距高比(L/H)判定,直接否定在乐天溪建设蓄水库提议。

那这个蓄水库建在哪里合适?先看硬性要求:距高比得适合。只有三峡左岸双狮岭下的一面坡比较合适,面积不足高度找,总可以建成一个高坝大容量水库。

图2 驼峰水库、提水站及发电机组位置示意图

水库内P-O-Y-I-N-X段和I-T段开沟,沟体两级台阶状,沟底标高245 m,沟底宽20 m,斜坡高10 m,坡度45°,坡上台阶宽10 m,二级坡顶标高265 m。需要开挖长度不足2.2 km,开挖量较小。

水库之所以取名驼峰,无人机角度空中俯视就是。驼峰水库大坝长度3.369 km,坝体从220 m以上不等高度起,坝顶高程300 m,蓄水面高程295 m,水面面积2.250km2,250 m以上平均水体深度35 m,容量稍强过7 000万m3,超计划满足中堡岛一二号船闸前三级闸室补水需求。

根据以上库容,图二中每个提水点布置30万千瓦提水机组三台套,工作十小时,接近满额完成驼峰水库蓄水任务。

蓄水库有了,那这个提水电力来自哪里?答案分为汛期和非汛期。汛期没有问题,用本来的三峡弃水发电就可以给蓄水库提水,那么其余的时间段就得另寻其他的电力来为驼峰蓄水库进行提水存储。

最简单的解决方案,即从三峡库区135 m处打隧道到乐天溪下游75 m处,建设发电站,用该电站所得电力提水完成蓄水库蓄水任务。

这就形成了一条龙:在三峡左岸山体打隧道到乐天溪下游,建设发电站;发电站的电力用于提取三峡库区的水存储于驼峰水库;驼峰水库经管道引水至中堡岛船闸补水,完成船只的过闸任务。间接地完成了一个天荒坪蓄能水电站的循环。因此,可以利用夜里八点——早晨六点之间的峰谷间的电力提水到驼峰蓄水库(汛期可以考虑不以三峡—乐天溪发电站为主),早晨八点——下午六点,用这些水完成闸室补水作业。

补水过闸是正常收益,蓄水发电倒成了副业。

还要解决前述没有提到的一个问题:驼峰水库引水至中堡岛船闸的管道要多大直径?也就是多大流量?船只过闸的20 min有多个动作,补水+进闸等,补水就当七分钟,流量3173 m3·s-1,以管道流速7 m·s-1计,管道总截面积453 m2。按照天荒坪的高压混凝土管道,内径7 m,单支管道截面积38.465 m2,难道得排布12根?所以只有加大管道直径,同时以便提高流速。这里建设隧道没有价值,也没有必要,拟采用港珠澳大桥的沉管技术,为便于操作,输水涵管缩小,每节管道长度20 m,宽度20 m,高度12 m,双排并行。输水涵管从驼峰水库海拔210 m的X处库底发电机房导出,绕水岸而行,全程小深度开挖,均匀下降,在三峡船闸第三闸室上空高架通过,不破坏三峡船闸上方的净空要求,到达中堡岛。在中堡岛坛子岭西海拔185 m观景台处建设双曲线外形蓄水塔,塔体直径Φ200 m,高程260 m,可利用高度至少70 m,存水200余万m3,可满足四个闸室不间断1.5次同时补水。按照补水间隔,超出需要。补水涵管来水直接进塔,再另行分配。

针对闸室尾水排放能量回收问题,综合考虑,这里提议将两船闸间的中隔墩下开挖隧道,汇拢100%一三闸室尾水;四五闸室由底部开通与中隔墩隧道的通道,并在该隧道侧壁,以四五闸室安全水位线上设置一排斜向上开口的重力隔板止逆阀门。当四五闸室需要排水,且只有四五闸室的尾水压大于中隔墩隧道内水压时,四五闸室尾水才能进入中隔墩隧道,否则四五六闸室常规排水。在第六闸室下海拔70 m处建设地下电站(简称中堡岛尾水电厂)发电。这些电力虽然比较连续,但品质依然不高。

考虑到更大的能量回收,建议在图中K-L-Q-R-U-V-W-K封闭区域内建设低海拔驼峰水库二级水库,蓄水到海拔250 m。二级库面积44万m2,蓄水量在1500万m3。够两船闸一三闸室循环10次。每天开班先使用二级水库低位水源补水船闸,当二级水库水位降低到215 m转接主库供水。按照前述粗算,主库再提供2000万m3的水就可以了,那主库其余的水怎么利用?第一选择:从主库北峰下M点(T点备选)开挖隧道直抵乐天溪下游75 m处建设驼峰蓄水库发电机房,安装60万千瓦机组三台,提供电力上网,补足日间电力高峰缺口(考虑到前述已经提到三峡—乐天溪电站,两引水管线在适当点汇合,两水共用发电站);第二选择:为左岸更高海拔船闸留足补水量。

前述的驼峰水库底发电机和尾水电厂所发电力质量相对较低,送电网是不可能了,架设专用电路送回到驼峰蓄水库泵站提水,因为两库在一起,可共用一套提水泵站,加几套管路分支控制阀即可。多几次黑启动呗!根据过程损耗,估计有50%~60%的水量回收。至交班结束,二库有望回收水量1000万m3,仍可以再提供8个班次过闸作业。

随着经济的发展,不论有再多条的船闸都将在不远的将来达到饱和,即使全部的长江都用于航运,也很快会到达饱和,难道还要扩建长江不成?因此,没有必要纠结于无休止地增建船闸。

随着白鹤滩电站等一批大规模水电的即将投产,国内弃水弃电必将加剧,还有塞北的风电。有条件地利用现有的弃水弃电,甚至弃风弃光为新思路下建设高海拔船闸蓄水库提水是首选,这也符合节能减排要求。尤其在冬春枯水季节,风电正是张扬之时,借用风电提水正当其时,并且白天风电提水,晚上峰谷电力提水,互为补充。但是就三峡的地理位置送电到此,真是有点勉为其难了。所以驼峰水库的提水电力来源还得自力更生。

这里说一句题外话:大渡河被点名,五年四百亿度,确实太多了!就是消纳不了?那是没有找对路子,大渡河及其附近地区有煤田吗?有,那就齐了啊!按80亿度180天平均,由中化集团出面,按煤基标准生产合成氨、碳酸氢铵、尿素,配合电解饱和食盐水制烧碱、联产小苏打、纯碱、氯化铵、以及电解水、电解铝,电解铜,提供工业氢、氧、氮、氯、二氧化碳等气体。品牌先正达,依靠渝新欧专列,从哈萨克斯坦,一路向西,抢占亚、欧、非市场,同时向国际申请碳排放额度补贴(因无二氧化碳排放,特斯拉有碳排放补贴),同时也为国家减轻了减排压力。利用弃水弃电弃风地区富裕的电能,发展半年闲的生产型企业不失为碳达峰碳中和早日达标的一条思路。

大家对文章中堡岛方案肯定不敢苟同,但是相比于400亿的深度开挖方案,由于大开挖三峡附近山体对三峡大坝可能产生的潜在的更大的破坏性以及带来的环境影响相比,这个就显得很有价值了,不破坏山体,收拾弃水弃电弃风为我所用,增加社会效益。并且,投资少见效快,快则三年,慢则五年可成。

要让过闸中堡岛船闸成为一种享受,把过闸中堡岛船闸做成知识教育之旅。

根据以上思路,目光又转向三峡左岸与右岸,发现三峡右岸更适合建造船闸。原因:海拔更低;路线长度合适;蓄水塔位置也恰当,距离近、容量大;抽水站位置自然天成。建设过程不会影响三峡的发电和船闸运营。唯一的负面影响:移民人数多,但是可以在远一点的山体上平整土地,建设移民新区,离家不离乡。

图3 三峡右岸长岭船闸及配套工程平面布置图

松木坪提水站;堰湾蓄水塔;长岭船闸;提水站上水管线;蓄水塔分配管线;四五六级闸室自流进水管;溢流水管线;尾水发电厂;第二闸室出入闸调向防撞柱等。长岭船闸一三四五六级闸室排水到下游的回水电厂所发电力亦可送到驼峰水库提水站提水入二级库。

当初修建建三峡船闸,无畏的设者们削平了18座山头。今天,为了建设中堡岛船闸、长岭船闸项目,同样需要削山。此削山是削掉山头,不会因为局部压力消失,促成附近山体位移。

对于上述中堡岛船闸和长岭船闸,可更进一步优化:二级闸室坎上175 m、渠顶175 m。汛期全程自流进闸,1、2、3闸首开放,直接转四级运行。

随着白鹤滩电站等大批有一定规模的电站投产,三峡发电的重要性已经让位于长江航运。三峡船闸运力日渐紧张,是该早一天解决这个问题的时候了。

参考文献

[1] 樊启祥,魏鹏程,林鹏,等.三峡船闸北线二闸首南坡开挖与加固研究[J].岩石力学与工程学报,2020,39(1):2703-2712.

[2] 王思佳.长江三峡船闸正式“通气”[J].中国船检,2019,21(6):74-78.

[3] 程梦瑶.三峡船闸通过能力评价与影响因子研究[D].重庆:重庆交通大学,2019.

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