湘江土谷塘航電樞紐車江壩址通航水流條件分析

劉 臣，閆建英，李君濤，普曉剛

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

湘江土谷塘航電樞紐車江壩址通航水流條件分析

劉 臣，閆建英，李君濤，普曉剛

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

采用delft 3d技術，建立了湘江土谷塘車江壩址河段二維正交曲線水流數學模型。計算中，首先采用天然實測資料對模型進行率定，通過有關參數調整，使數值計算成果與天然實測資料達到精度要求。利用率定好的模型，模擬了湘江土谷塘航電樞紐車江壩址河段9種典型泄流方式的水流情況，分析了各泄流方式的河道流速分布特征，給出了引航道口門區和引航道內部縱向流速和橫流分布及大小等通航相關參數，結合《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001）要求，對樞紐通航水流條件進行了評定。

航電樞紐；電站；船閘；引航道；口門區

Biography：LIU Chen（1964-），male，professor.

湘江土谷塘航電樞紐工程位于湘江中游，是以航運為主，兼有發電、交通、灌溉、供水與養殖等綜合利用的工程。湘江土谷塘航電樞紐上有近尾洲樞紐、下有大源渡航電樞紐。土谷塘航電樞紐工可階段擬定了上、中、下3個壩址，其中上、中壩址相距約9 km,分別位于近180°的急彎的上、下游。車江壩址位于中壩址下游6.2 km。壩軸線上游順直段長4 km，壩軸線下游800 m為90°彎道，壩址處河寬約520 m，河道底高程在44.0～46.0 m，河道兩側防洪大堤堤頂高程約62.0 m。本文采用數學模型，對車江設計方案進行通航水流條件分析。

圖1 土谷塘航電樞紐壩址河段河勢Fig.1 Sketch of Tugutang Junction reach

1 規劃設計方案

土谷塘航電樞紐車江壩址平面設計方案建筑物布置從左至右依次為4臺機組電站、1孔排污閘、17孔泄水閘和一座III（2）級單線單級船閘。船閘最小通航流量443 m3/s，電站全負荷發電流量1 772 m3/s，最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s，樞紐設計洪水（50 a一遇）17 300 m3/s，校核洪水（500 a一遇）22 100 m3/s，設計正常蓄水位58.0 m，最低運行水位55.2 m。

2 數學模型的建立與驗證

研究采用正交曲線二維水流數學模型［1-5］，模型進口布于2006年水文測量的Q4測流斷面，河道全長11.1 km，其中樞紐上游8.1 km，樞紐下游3.0 km，涵蓋車江壩址和中壩址。模型水平為曲線（ξ，η）網格，H為水位，水流運動方程如下：

水流平面動量方程

式中：u和v分別為ξ和η方向水深平均流速分量；f為柯氏力；Fξ和Fη分別為ξ和η方向的應力梯度；Pξ和Pη分別為ξ和η方向的壓力梯度；Mξ和Mη分別為源（匯）在ξ和η方向的動量分量；Q為源（匯）項；Cξ和Cη分別為坐標轉換系數。

模型率定與驗證采用2006年實測沿程水位及斷面流速資料，進口給流量，出口由與流量對應的實測水位進行控制。模型率定后，水位最大偏差0.024 m，大部分偏差小于0.01 m；斷面流速分布趨勢與大小計算成果基本反映了實測資料規律（圖2）。模型可用于模擬工程與水流的相互作用。

圖2 Q5斷面模型與原型流速分布驗證Fig.2 Velocity verification along section Q5

3 設計方案通航水流特征分析

綜合樞紐建成后調度情況，對樞紐建成后控制水位、流量和調度方式，概化了9種泄流方式進行通航水流條件研究［6］。

表1 樞紐規劃方案樞紐泄流典型組合方式Tab.1 Typical discharge ways of the junction layout plan

3.1 樞紐單純發電泄流

電站單機組發電泄流量為443 m3/s，電站4機組（全負荷）發電泄流量為1 772 m3/s。

3.1.1 樞紐上游

樞紐上游水流平順，只有到樞紐附近，由于電站發電引流，水流向電站流動。（1）泄流443 m3/s時，河道流速基本在0.2 m/s；（2）泄流1 772 m3/s時，只有電站進水口小范圍內有大于0.5 m/s流速；引航道口門區最大流速0.34 m/s，最大橫流0.07 m/s，水流流向基本平行于航道走向；引航道內流速小于0.1 m/s，基本為靜水。

3.1.2 樞紐下游

水流流出電站后立即擴散，在電站右側、泄水閘下游和下引航道導堤圍成的三角形水域形成大的回流區，回流區開邊界為電站出水口與引航道導堤頭部的連線，大流速基本位于電站尾水段。（1）航道口門區，泄流443 m3/s時，水流平順，基本沿布置航道走向流動，流速值小于0.3 m/s；泄流1 772 m3/s、下游水位不受大源渡調度影響時，流速小于0.8 m/s，最大橫流小于0.3 m/s，下游受大源渡50.1 m蓄水位控制時，合成流速小于0.5 m/s，最大橫流小于0.2 m/s；（2）引航道口門內部流速小于0.1 m/s，基本為靜水。

圖3 泄流方式三樞紐近區流場Fig.3 Flow field of 3rd discharge way

3.2 泄水閘和電站聯合調度泄流

樞紐電站發電運行的最大流量為6 300 m3/s，流量大于6 300 m3/s后，電站停止發電。

3.2.1 樞紐上游樞紐上游水流平順，水流橫向分布僅近壩區隨泄流方式的不同而變化，對引航道區流速分布影響很小。（1）樞紐蓄水、4臺機組發電與1～10#泄水閘聯合泄流。引航道口門區最大流速小于1.19 m/s，最大橫流出現在導堤頭部上游25 m口門區左側，為0.40 m/s，其余區域橫流小于0.30 m/s。

（2）樞紐蓄水、4臺機組發電與8～17#泄水閘聯合泄流，最大合成流速小于1.20 m/s，最大橫流出現在導堤頭部上游25 m口門區左側，為0.40 m/s,其余橫流小于0.30 m/s。

兩種泄流方式，引航道內流速均小于0.1 m/s，基本為靜水。

圖4 泄流方式四樞紐近區流場Fig.4 Flow field of 4th discharge way

圖5 泄流方式五樞紐近區流場Fig.5 Flow field of 5th discharge way

3.2.2 樞紐下游

樞紐下游水流平順，引航道導堤頭部下游主流靠右岸，引航道口門區上部受引航道導堤掩護，為弱流區，處于水流主流邊緣。

（1）樞紐蓄水、4臺機組發電與1～10#泄水閘聯合泄流：1～10#泄水閘和電站下游流速分布較為均勻。呈向右擴散趨勢，在樞紐10#泄水閘與引航道導堤頭部的連線右側形成三角形流速基本小于0.5 m/s回流區；至引航道導堤頭部水流主流基本過渡到右側，主河道彎道窄口處、引航道導堤頭部左側和泄水閘下部河道中部存在2.0 m/s流速，其余區域主流流速基本介于1.5～2.0 m/s；引航道口門區最大合成流速小于1.80 m/s，壩址下游100 m河段后，橫流普遍大于0.3 m/s，最大0.63 m/s，船舶進出引航道略有難度。

（2）樞紐蓄水、4臺機組發電與8～17#泄水閘聯合泄流：在8～17#泄水閘和電站發電泄流作用下，電站與10#泄水閘之間的河道中部形成回流區，至樞紐下游300 m處兩股水流充分匯流；引航道導堤頭部左側有2.5 m/s流速區，主流區流速明顯大于1～10#泄水閘和電站發電泄流調度方式；引航道口門區最大合成流速1.80 m/s；壩址下游100 m河段后橫流普遍大于0.5 m/s，最大橫流為0.6 m/s，船舶進出引航道略有難度。

2種泄流方式引航道內流速均小于0.1 m/s，基本為靜水。

3.3 樞紐敞泄

泄水閘敞泄研究了6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s等流量，泄水閘敞泄時電站關閉。

3.3.1 樞紐上游

（1）河道水流沿岸平行流動，斷面流速基本為等值分布。泄流6 300 m3/s時，只有接近樞紐大壩附近有大于2.0 m/s流速；泄流8 700 m3/s時，河道流速小于2.5 m/s；泄流11 700 m3/s時，河道流速小于3.0 m/s，且大于2.5 m/s流速主要發生在引航道導堤頭部以下閘壩河段；泄流13 500 m3/s時，河道流速大于泄流11 700 m3/s時，但值亦小于3.0 m/s。

（2）引航道口門區。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于1.65 m/s，最大橫流出現在導堤上游25 m口門區左側，為0.41 m/s，其余取樣點橫流小于0.15 m/s；泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于1.78 m/s，最大橫流出現在導堤上游25 m口門區左側，為0.56 m/s，其余取樣點橫流小于0.3 m/s；泄流11 700 m3/s，最大合成流速小于2.1 m/s，最大縱向流速2.0 m/s，滿足2.0 m/s的設計要求。最大橫流出現在導堤上游25 m的口門區左側，為0.65 m/s，其余取樣點橫流小于0.30 m/s；泄流13 500 m3/s，最大合成流速小于2.2 m/s，最大縱向流速2.18 m/s，略大于2.0 m/s；最大橫流出現在導堤上游25 m的口門區左側，為0.68 m/s，其余取樣點橫流小于0.30 m/s。

（3）引航道內基本為靜水，流速小于0.1 m/s。

圖6 泄流方式九樞紐近區Fig.6 Flow field of 9th discharge way

3.3.2 樞紐下游

樞紐下游水流平順，電站下部產生小的回流。泄水閘下部斷面流速基本為等值分布，至引航道導堤頭部附近，主流靠右岸。

（1）河道主流流速，泄流6 300 m3/s基本介于1.5～2.0 m/s；泄流8 700 m3/s基本介于2.0～2.5 m/s；泄流11 700～13 500 m3/s基本介于2.5～3.0 m/s。大流速主要發生在引航道導堤頭部的挑流區。

（2）引航道口門區上部為受引航道導堤掩護的弱流區，下部處于主流邊緣。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于2.0 m/s；航中線左側20 m、引航道導堤下游50～150 m橫流大于0.3 m/s，最大橫流0.58 m/s，過引航道導堤下游150 m后，橫流基本大于0.3 m/s。泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于2.3 m/s、最大縱向流速2.25 m/s，縱向流速大于2.0 m/s的區域出現在航道左側靠近河道主流區域，航中線右側小于2.0 m/s；引航道導堤下游100 m后橫流普遍大于0.5 m/s。泄流11 700 m3/s，航道左側靠近河道主流區縱向流速基本在2.4 m/s左右；引航道導堤下游100 m后橫流普遍大于0.5 m/s，最大為0.73 m/s。泄流13 500 m3/s，航道左側靠近河道主流區縱向流速基本大于2.5 m/s。引航道導堤下游100 m后橫流大于0.5 m/s，最大橫流0.82 m/s。

（3）引航道口門內部基本為靜水，流速小于0.1 m/s。

4 過流能力分析

對樞紐最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s、5 a一遇洪水11 700 m3/s、2 a一遇洪水8 700 m3/s和電站最大發電流量6 300 m3/s等敞泄情況進行了研究。樞紐建成后，樞紐上游水位有所抬高，6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s水位分別升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，滿足設計要求的0.3 m的要求。

5 結論

（1）各組合泄流方式，上下引航道內流速均小于0.1 m/s，滿足規范要求。

（2）樞紐上引航道上口門區，流量小于1 772 m3/s時，航道縱、橫向流速均遠小于規范限制值，通航條件優良；流量介于6 300～8 700 m3/s時，航道縱向流速小于規范限制的2.0 m/s，橫流只有在導堤上游25 m口門區左側，略大于0.3 m/s，其余區域均小于0.3 m/s，水流條件良好；流量11 700 m3/s時,最大合成流速2.1 m/s，最大縱向流速2.0 m/s，為規范限制臨界值，導堤上游25 m的口門區左側的最大橫流為0.65 m/s，水流對船舶正常進出引航道有一定影響；流量13 500 m3/s時，最大縱向流速2.18 m/s，大于2.0 m/s；導堤上游25 m的口門區左側的最大橫流為0.68 m/s，航道的縱、橫向流速均不滿足規范要求。

（3）樞紐下引航道口門區處于彎道轉彎河段頂部，流量小于1 770 m3/s時，航道縱、橫向流速均遠小于規范限制尺度，通航條件優良；流量為6 300 m3/s時，航道縱向流速滿足小于2.0 m/s的要求，橫流大于0.3 m/s，水流對船舶正常進出引航道有一定影響；流量大于8 700 m3/s后，航道縱、橫向流速均不滿足規范要求。

（4）研究對電站最大發電流量6 300 m3/s進行了1～10#泄水閘控制泄流和8～17#泄水閘控制泄流兩種工況研究，研究表明，下引航道口門區通航水流條件，采用1～10#泄水閘泄流和電站發電聯合調度略好。

（5）樞紐建成后，樞紐上游水位有所抬高，6 300 m3/s,8 700 m3/s,11 700 m3/s,13 500 m3/s水位分別升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，滿足設計要求的0.3 m的要求。

［1］WL Delft Hydraulics.Delft3D-Flow User manual［R］.Netherland：WL Delft Hydraulics，2005.

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［6］JTJ305-2001，船閘總體設計規范［S］.

Study on Chejiang dam site navigational current conditions of Tugutang Navigation-power Junction on Xiangjiang river

LIU Chen，YAN Jian-ying，LI Jun-tao，PU Xiao-gang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Using the technology of delft 3d software，the orthogonal curve two-dimensional current mathematical model for the reach close to Chejiang dam site of Tugutang on Xiangjiang river was established.First the model was verified with the natural current materials，and the calculated result of model was consistent with the natural data by adjusting some parameters.Then 9 typical discharge ways of the junction were simulated on the basis of the model，and the flow velocity distribution characteristics were analyzed.The related distribution parameters for longitudinal and cross flow in approach channel and the entrance area were given.Finally，the navigation current conditions were evaluated according toCode for Master Design of Shiplocks（JTJ305-2001）.

navigation-power junction；power station；ship lock；approach channel；entrance area

TV 61；TV131.61

A

1005-8443（2011）06-0418-05

2011-02-11；

2011-03-16

劉臣（1964-），男，天津市人，研究員，從事港口和航道設計與研究。