参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2006-9
2006年4月24日
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曼宁公式与水利科学（中）（讨论稿）
林一山
三、河势规划的方法与原则
葛洲坝是一座低水头大流量径流式电站，"半年水库半年河"；每年6至10月汛期，上游水位较天然情况壅高不多，待坝前淤积到相对平衡后，基本和天然河道一样。这时是泥沙运动的主要季节，需大量排沙，流量很大，水流较急，航运的困难较多，泄洪、防冲、消能条件也比较复杂；机组和建筑物的磨损主要也发生在这个时候。这些重大技术问题都与河流的水沙条件密切相关；水是泥沙运动的依托，水流调整好了，泥沙问题就能顺利解决。
河势的发展和变化是不以人的意志为转移的客观规律，我们的任务就是要认识它，利用它；如果枢纽布置只注意到建筑物的布置，不从河势规划着手，就有许多问题不可能得到根本解决。如果注意到了河势，只是单纯使建筑物去被动的适应原来的河势，而不去改造它，也不可能解决问题。因此搞好河势规划，摸清建坝前后的河势特点，根据河势的各种客观规律，因势利导，提出一个合理的河势改造方案，许多重大问题就能从根本上得到解决。
河势规划这个问题，在1972年以前从未有人提出过。但几十年的工作实践告诉我，凡在江河上做工程，少不了同河流的水流与泥沙发生关系，由于受人为工程的影响，河流的冲淤关系必然发生变化，特别是大流量低坝工程，它们之间相互关系处理得好与坏，常常决定着工程的成与败。因此做好工程的河势规划，就成为保证工程成功的首要问题。在葛洲坝开工以后的两年中，我经过观察和思考，认定该工程存在的所有重大技术问题都与河势规划有关。当周总理确定由我负责葛洲坝工程技术委员会的领导工作后，即决心从河势规划入手去解决其他各个技术难题。
我们所说的河势，系指河道水流在河床中的运动总态势，一般以主流的走向及其形态为代表。运用河流辩证法的理论，研究工程所涉及河段的河床演变及其规律，特别是主流的轨迹及其形态，制订出因势利导的方案，就是河势规划。这种河势规划主要解决水流与泥沙的相互关系，以及水流泥沙与河床，特别是同各个水工建筑物这种特种河床的相互关系。对于葛洲坝这种大流量低坝工程来说，解决航道水流流态问题更与河势规划分不开。
我在1973年第一次提出河势规划问题以后，经过不断认识的发展过程，把问题的研究从局部发展为整体，讨论了河势规划与枢纽布置、水流流态、消能防冲、大江截流等等的相互关系，并最终解决了葛洲坝工程的全部重大技术问题。
河势规划在葛洲坝工程史上的作用如此突出，同该工程的特殊性有关。它与其他水利工程不同，其特点是：第一，它是三峡工程的反调节航运梯级，其库水位高程不能超过三峡电站尾水；第二，它先于三峡工程上马，这给它带来许多预想不到复杂技术问题。也就是说，我们只能在长江这样的大流量河流上修建这样一个低坝工程。由于这种大流量低坝工程与大库容高坝工程显著不同，它基本不脱离天然河流的特征，在解决水流泥沙与过水建筑物的关系方面，特别是航道水流流态和泄洪建筑物的关系方面，技术性要复杂得多。尤其是葛州坝工程座落在长江的一个十分奇特的河段上，更加明显增加了问题的难度。
葛洲坝这个河段，是从峡谷河段进入宽谷河段的过渡河段，既有岩石河段的特征，又有冲积平原河段的特点。从河段的平面形态看，南津关峡谷口河宽约300米，出峡谷到葛洲坝约3公里的距离，河宽即展为约2100米，这里河道中有两个小岛，将河流分为大江、二江、三江三个河汊，从葛州坝到镇川门约4公里距离，河宽又缩窄为800米左右。葛洲坝河段内有两个大弯，呈反S型，南津关弯道近乎直角转折。左右岸各有两个山嘴和两个凹沱，呈犬牙交错状。主流出峡后不顺凹岸而走，却沿凸岸下行，即向右转了90度急弯，流向葛洲坝右侧的大江主槽。
从水下地形看，南津关峡谷口内是一深槽，高程为海平面以下约40米，其最深点在玉井的下游为-46米。深槽由此开始急剧向上抬升，在500米的距离内上升到海拔约30米，总抬升高度达70余米，形成一个1：7的倒坡。南津关口外左岸清凉树岸坡脚下有14道石梁，沿流向呈锯齿状。整个河槽地形是左高右低，即三江河槽高于二江，二江高于大江，大江为葛洲坝的主泓深槽。
葛洲坝河段水位和流量变幅巨大，历史上曾经发生过110000立方米每秒的最大流量，宜昌水位达到59.44米，但最小流量仅2770立方米每秒，宜昌水位38.71米，水位变幅达20.73米。这里水流流态十分复杂，洪水期间出现泡水、漩涡、回流、环流、剪刀水、裤裆水等对航运非常不利。
长江年均有5亿多吨泥沙通过这一河段，其中有来自三峡区间各支流的940余万吨为0.1毫米至10几厘米直径的粗砂卵石。黄柏河由左岸汇入，洪水挟来大量卵石堆积在前坪以下及二、三江进口处。
在这样一个奇特的河段上兴建工程，不仅要研究岩石河段水流与河床的关系，也要研究冲积河段水流与河床的关系，更要研究过水建筑物作为特种河床与水流的关系。也就是必须作出葛洲坝工程的河势规划。
但是，在技术委员会成立之前，葛洲坝工程实际上没有研究过这些问题。当时只有一个设想性的枢纽布置方案。按照这个方案来修建葛洲坝工程，存在的问题很多。
葛洲坝工程原枢纽布置方案存在的问题如何解决？从河势规划方面来说，不同的学派提出了不同的办法。在研究大江布置方案时，有人认为分汊河道是河势稳定因素。我们认为，实现河势稳定的基本条件是河流处于单槽状态。单槽河段如何才能稳定，要通过模型试验进行研究。进行这种模型试验时必须有正确的指导思想，而指导思想是否正确，要由模型试验来检验。
根据上述原则修建的葛洲坝工程第一个模型，放水时显示出如下特征：
1.长江主泓在南津关的主流线较天然情况明显左移，主流出南津关后不再进入大江主槽，而直奔二江。
2.在主流进入二江泄水闸的同时，其两侧各有一股侧向分流进入电站。两股分流与主流所形成的两个三角形水域表现为回流状态，它必然成为落淤区。
3.原拟定的两条航道（三江和大江）位置均处于回流淤积范围。
我们认真分析了模型显示的种种现象，认为它所反映的正是葛洲坝这个河段的河势规律。特别是其中的两个问题对我们启发最大。
第一、主流线左移居中问题。
葛洲坝工程兴建以后，葛洲坝河段的主流线将较天情况发生明显左移，这是一种符合规律的现象。因为葛洲坝工程建成后所壅高的水位正好符合长江由左向右摆动过程中进入二江的条件，因此主流出现左移，回复到当年二江的河势。这一现象同时还告诉我们，葛洲坝工程建成以后，这里的水位将相当稳定，因此，主流的轨迹线也就不再有大的变化。我们只能根据这个主流线来制订因势利导的河势规划。
第二、回流淤积区问题。
模型在原枢纽布置航道和厂房的位置所显示出的回流淤积现象也是符合规律的。因这里的河面过宽，有相当富余的过流断面，出现淤积是必然的。对此我们无法改变它的规律，但可以利用它为我所用。依据模型试验研究成果，主动将回流淤积区填筑成堤，就是一种利用办法。我们将这种由人工填筑起来的土堤叫做"防淤堤"。将左右两道"防淤堤"之间的过洪道，设计成标准断面的主泓道，就可以避免模型试验所出现的那种淤积现象了。同时，由"防淤堤"所隔开的三江和大江航道，脱离了天然河道的干扰，成为一条人工航道，这就为实现"静水通航、动水冲沙"提供了必要条件。
通过以上分析，一个新的枢纽布置方案明朗起来，这就是后来所决策的"一体两翼"方案。所谓"一体"系指二江主泓这个主体。我们要把二江这条主流行泓道 设计成标准的过洪断面，并使 二江泄水闸的泄洪能力达到河势规划的要求，把长江的主流安排好。所谓"两翼"系指三江和大江两条人工航道。我们要使这两 条航道通过"静水通航、动水冲沙"的方式，达到航道通畅，避免任何淤积碍航的情形发生。
在河势规划中，还有一个重要措施就是加大南津关以下喇叭状河段的扩散角，也就是展宽河面的宽度。这解决了两个问题：第一，在已定的坝址线上，原有的航道长度不够，但当扩散角加大后，航道长度满足了设计要求。第二，建坝之后，水深加大，夹角扩大，水面扩展，这使泡漩明显减少，水流流态更符合航行要求。"一体两翼"方案，是非常顺乎河势的，可以说是一个十分理想的布置，但是，也存着一个严重问题，这就是葛洲坝的问题。
葛洲坝是长江中一个小岛，位于大江与二江之间。葛洲坝工程即因它而得名。在葛洲坝工程 规划工作初期，它被认为是理想的天然纵向围堰。但随着河势研究的深入，各种矛盾暴露以后，发现原来的认识并不正确。它不仅不能当作理想的纵向围堰来加以保留，还因它使得河势严重不顺，且影响二江水工建筑物布置而必须挖掉。这个问题最先是长办的副总工程师文伏波同志向我提出的。同时我也感到挖不挖除葛洲坝的问题实际上是葛洲坝工程河势规划的症结所在。因为，在主泓变化了的新情况下，葛洲坝的位置正好迎流顶冲，若不挖除，将使河势极其不顺，甚至危及泄洪闸的安全。
但是，当挖除葛洲坝的问题正式提出之后，却遭到意想不到的强烈反对。我们通过对泄洪问题的研究发现，若不挖除葛洲坝，则布置二江泄洪闸所需的宽度不够。若用在大江第二期工程内再布置几孔泄洪闸的办法弥补，则永久泄洪与第二期施工导流泄洪无法结合，施工导流泄洪的安全得不到保障。
通过对大江截流问题的研究发现，若不挖除葛洲坝，单靠原布置的19孔二江泄洪闸导流，截流水头将高达4.6米，龙口水流流速达7米每秒，不能保证截流成功。
通过对水轮发电机组的研究发现，原定单机容量17万千瓦机组只能作为试验机组，技术委员会决定改用12.5万千瓦机组。这样机组台数和厂房长度都要增加。若不挖除葛洲坝，就要减少装机，影响葛洲坝工程的经济指标。
总之，种种重大技术问题连系着河势规划，而河势规划的关键又在挖除葛洲坝。这是从1971年开始到1974年结束，经过将近四年的长期争论后所得到的一个共识。技术委员会在水到渠成瓜熟蒂落之时，最后作出了决策。但这还不是葛洲坝工程河势规划的最终决定 ，因为坝下游的河势规划方案还必须准许晚些时候提出。
下游工程，主要是解决下游大江航道的水流流态和电站尾水泥沙问题的工程。由于下游工程是整体工程的一部分，许多重大技术原则在确定上游工程时已经作了通盘考虑，相对来说较上游工程容易得多。但是下游工程也有它自身的特殊问题，这就是下游的五水汇合如何做到合理，以利于解决大江下游航道 的水流流态。
这里说的下游五水，系指二江泄洪闸下泄水流、大江电站尾水、二江电站尾水、大江航道下泄 水流和三江航道下泄水流。除三江外，大、二江下泄 的4股水流都 可能对大江下游通航水流条件产生影响。其中二江泄洪闸下泄的水流是长江的主流。这股水流处理得合理与否，对下游河势关系极大。因此，解决好二江的主泓问题，应当是坝下游河势规划的重点所在。这个问题的解决，我们认为需沿西坝脚下开凿一条符合泄洪要求的深槽，使坝下河段内的长江河槽，从原来的以大江为主槽变为以二江为主槽，即把河床由"V"字状改造为"W"状，以适应上游主流线左移居中的河势变化。
经过多年试验研究并结合原型观测，证明"W"型河槽规划思想是符合客观实际的。作为第一步治导措施，1984年冬即在二江泄水闸右侧下纵向围堰之后，建筑了一条230米长的导流堤，已经产生了显著效果。当年在二江冲成一个深坑，以后逐年向下延展，也就是说二江深槽逐渐在自然形成。由于二江主流发生左移，右岸笔架山河段的水流流速变缓，也就不再成为碍航河段。但是，笔架山至大江船闸约2 公里长的开阔水域，依然受二江水流扩散所产生的横向波浪（俗称"揉浪"）影响，使船队出现摇摆现象。当总流量在25000立方米每秒时，上行船队感到困难。同时这种波浪还影响大江船闸下人字门对中。
为了进一步改善下游河势，解决大江下游航道的波浪问题，使之全面达到设计通航标准，长办的工程设计人员同模型试验工作者密切合作，提出了一个江心堤方案。这一方案的基本点是根据水下地形，利用一支笔天然高埂做一人工堤，堤顶高程为52米，长900～1000米，在"W"型河槽两"V"字的相连处形成一道隔墙。这样，既可使大江电站左侧的8台机组尾水进入二江，只右侧6台机组的尾水顺大江而下；又可使大江与二江的水流各行其道，避免二江主泓横扫大江的情形发生，由左高右低河道地形引起的大江下游引航道口门波浪偏高问题可得解决。据模型显示，在35000立方米每秒流量以下，口门下段波高可以降到0.4米以下，达到天然情况25000立方米每秒流量安全通航的同样条件，即使45000立方米每秒流量，船只也能安全进出引航道，这就大大改善了这一水域的水流流态。
枢纽以下河段的河势问题，经过上述工程措施，再结合主体工程过水建筑物下泄水流的合理调度，即可完满解决。
以上所述虽是葛洲坝工程河势规划的概要，但其间却也蕴含着一般河势规划的若干普适原则。这里最为核心的一点是，枢纽或控导工程的目的与其布设所引起河流主流轴线的改变之间是否存在着难以解决的矛盾，即主观认识和客观实际能否基本一致的问题。
河流的主流轴线好比人的中枢神经，对人的活动起主宰作用。主流轴线的改变，必然引起河势变化，葛洲坝或施工河段上下游主流轴线事关重大，是整个工程布置的核心问题。河流泥沙运动和水流流态都是受主流轴线控制的；因此，在具体工程中，如航道泥沙淤积和通航水流、电站的进水和排沙、泄洪闸的流态和消能防洪等等，也同样受主流轴线控制，这一切都归结为河势规划的问题。
河流运动的主力以主流为代表，主流反映了河流最主要的特征。长江水流能量巨大，主流所向，势不可档。因此，治河工程就要与其所改变的主流相互协调，因地制宜，巧妙利用主流的力量达到人为目的，即以河治河。由此可见，河势规划的核心是主流的规划。在河流的丰枯季节，水流有大有小，主流的位置因流量大小而异。一种出现最多的流量级的主流位置即造床流量主流轴线是规划的重点。在自然状态下，人为工程难以改变长江主流，建坝抬高河道水位，主流位置因水位而异，亦即将水流的动能转换为势能；动能改变，主流位置改变。因此，建坝之后，挖掉葛洲坝乃顺势而为，而保留葛洲坝，则为逆势顶撞。
河流大小因水量而异，一定水量河流需要相应过流断面，断面不相适应，过小则冲，崩岸不止，护不胜护；过大则淤，形成分汊洲滩，主流轴线难稳。因此，具有标准断面的单一河床是最利于控导的理想河床形态。所以，河势规划的首要任务是安排恰当的主流位置、过流断面与河床形态。
河流各种营力因素不均匀、不对称、不平衡是普遍的、永恒的，而均匀、对称和平衡则是相对的、暂时的；因此，弯道是永恒的，直道是暂时的；运动着的河流，受制于主流与河床相互关系的每一微小变化，其形态随时程不断变化，一弯变、弯弯变和三十年河东河西是河流横向纵向变化的一般规律。因此，在河流中不仅有主流，还有副流、回流、缓流、急流。主流居中，河道稳定，纵向横向变幅保持在较小范围内；主流偏于一岸，河势将生大变；副流随主流迁移，但始终在侧；河道过宽，在岸边出现缓流，缓流区泥沙落淤；河道更宽，在岸边出现回流，该区水流迂回，回流通过副流与主流相接，回流过大会压缩主流宽度，对通航、泄水、输沙极为不利，应力求避免出现这种流态；河道过窄、坡降过大等则易出现急流。
因此，工程河势规划要充分利用天然的河势特点，不能强其所难；应把主要泄水通道布设在主流区，把过水较少的电站布置在副流区，把通航水道布置在缓流区，并用工程措施破除回流或占领其剩余断面，利用水深的调整稳定急流。也就是说，河势规划要区别对待上述几流：即要保证主流位置和宽度的稳定，不使其左右摇摆。要把副流和回流隔开，勿使回流干扰主流，要适当保持缓流以资利用，要用工程措施破除回流、调节急流。
从工程的角度来看河势规划，可以概括为以下几个特点，即顺畅、适中、利导、调整。
所谓顺就是工程河段与河流上下左右的连接要平顺，所谓流线型和河势的顺畅有共同之处。长江是一条大河，其转弯的半径、中心角和转弧的长度都有一定的关系，都有一定的尺度要求，在做工程河势规划时，要把所有建筑物上下游衔接曲线都布置得尽可能顺畅。
适是讲什么样的工程要求什么样的水流条件，反之也一样，即相互适应；包括自然状态，也可加以人工改造，但这种改造是有限度的，如在长江就不可能把主流改造成适应通航的缓流区。适得其所是合理的河势规划的结果，适可而止是人为改造的限度。所谓中就是规划的主流位置要居中，但不一定完全正中，主流居中河流就不会左冲右折，其两侧水流才能适得其所。如在规划中，主流偏到一边去，在河槽中会出现不平衡，就会发生左冲右折，其结果把其他建筑物和水流都搅乱了，破坏了，全部不得安宁。在工程中，泄洪建筑物是主流所在，应居中布设，则两侧航道、电站、水流就能相安无事。
因势利导是河势规划的基本法则，河势就是以主流为中心的水流分布状态，就是河流的两相流速场。如何从河势的现状及变化态势，判断河势的发展方向，预见到河势将要发生的变化，这是利导的依据。利导是从河势的发展方向出发，作出工程规划，使工程与今后的河势相适应，而不能逆势而动。利导是顺畅和适中的具体体现，其目的是为了达到顺畅和适中，实现了利导的工程布局必然要符合河流的总态势，即顺畅，顺则利，这是合理的河势规划的必然结果。
利导也包括人工对河流可能变化的能动性改造，即对河势演变助一臂之力，这当然要符合顺适的原则，在该用力的地方和适合加力的地方助之，而且要加得顺，所谓四两拨千斤，借力打力，以更有利于达到河势规划之目的。利导工程的布置，表现在人工诱导线上，或堆筑、或护砌、或开挖，总之有助于水流更顺畅。
调整说得是：河势规划和河流打交道，而河流受水文条件和两岸状况的影响而变化，即所谓的河流演变，这是有规律的动态变化，因此要不断总结演变规律，从而加以利用为工程目的服务。
人类对河流运动的认识还有不全面的地方，总会出现意想不到的问题。因此，依据河势变化规律作出的河势规划，虽然在总体上符合顺适的要求，在布局上符合利导的原则，但在局部上还会出现一些新的问题，这就要作调整。调整是动态的，在规划及其实施的过程中，要经常注意河势的发展变化，进行规划的微调，经过相当时间，调整变得成熟，能适应各种不同的情况，就成为合理的规划。想不经过调整，一锤定音，一下子确定和完成一项完善的河势规划是不现实的。
