寬淺河道水閘運行調(diào)度對口門區(qū)水流的影響

李茜希，韓昌海，汪　羅

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

通航建筑物的上游及下游引航道口門區(qū)是通航船舶(隊)出入引航道的必經(jīng)之地，在口門區(qū)處引航道內(nèi)基本靜止的水流和河道內(nèi)劇烈運動的水流相互交融進行能量交換，因此口門區(qū)的水流條件相當復雜[1]。其優(yōu)劣程度與來流條件、固體邊界條件休戚相關(guān)，從樞紐運行角度出發(fā)其主要影響因素包含河道形態(tài)、閘門泄水啟閉方式、船閘充水與泄水方式、電站日調(diào)節(jié)方式等[2]；從建筑物結(jié)構(gòu)角度出發(fā)其主要影響因素包含口門區(qū)所處位置、口門區(qū)結(jié)構(gòu)形式及尺寸、泄水閘布置方式等。

合理調(diào)配樞紐運行方式是改善引航道口門區(qū)通航水流條件的重要措施，但該項措施具有一定的適用條件。當泄水建筑物尺寸較小且口門區(qū)離壩軸線較遠即泄水建筑物長度與導流堤長度比值較小時，調(diào)度方式的改變不會引起口門區(qū)通航水流條件的明顯變化。另一方面當泄水建筑物尺寸很大且口門區(qū)離泄水建筑物較近即泄水建筑物長度與導流堤長度比值較大時，遠離船閘區(qū)域泄水建筑物調(diào)度方式的改變同樣不會引起口門區(qū)通航水流條件的變化。本文研究對象為泄水建筑物長度與導流堤長度比值適中的樞紐。根據(jù)船閘與電站的相對位置的不同，樞紐布置方式可分為同岸布置和異岸布置。同岸布置的樞紐船閘與電站相鄰，電站可以視為靠近船閘側(cè)“泄水閘”。同時，異岸布置時船閘緊鄰泄水閘，泄水閘調(diào)度方式改變對引航道口門區(qū)通航水流條件的影響更為顯著。由此可見研究異岸布置的樞紐更具有普遍實用價值。因此，本文的研究側(cè)重點在于船閘與電站異岸布置的樞紐。為得到具有普遍性的調(diào)度原則，模型的建立必定需要具有一定的代表性。橄欖壩樞紐位于寬淺河道中，采用河床式開發(fā)，由攔河壩、泄水建筑物、電站廠房、船閘等建筑物按“一”字型布置，其中泄水建筑物由9孔泄水閘組成，泄水建筑物寬度以及泄水閘數(shù)量適中，不同的樞紐調(diào)度方式對口門區(qū)通航水流條件有顯著影響。本文將以橄欖壩為基礎(chǔ)，忽略河道形態(tài)、地形等條件的影響建立矩形概化模型，分析不同調(diào)度方式下通航水流條件的變化規(guī)律。

概化模型左岸布置廠房由5臺發(fā)電機組構(gòu)成，右岸布置通航建筑物，中間布置9孔泄水閘，模型模擬總寬度400 m，其中泄水閘總寬度167 m，電站總寬度117 m，模型總長度2000 m。河道底高程統(tǒng)一布置為520 m。規(guī)范規(guī)定：導流堤長度應該由直線段、制動段、口門寬度在引航道內(nèi)的延伸段三部分組成，總長度應為6.5～7.5倍設(shè)計最大船長[3]。概化模型中導流堤堤長取392 m，為設(shè)計最大船長7倍。最低通航流量504 m3/s，電站滿發(fā)引用流量2615.5 m3/s，最高通航流量8640 m3/s。將9孔泄水閘沿左岸到右岸依次編號為1#～9#，同時根據(jù)9孔泄水閘與船閘位置關(guān)系將泄水閘劃分為三個區(qū)域，分別為廠房區(qū)(包含1#、2#、3#泄水孔)、中間區(qū)(包含4#、5#、6#泄水孔)以及船閘區(qū)(包含7#、8#、9#泄水孔)。模型平面布置圖見圖1。

圖1　模型平面布置圖

1　水動力數(shù)學模型建立

自然界的河流運動均是三維水流運動，在引航道及口門區(qū)水流條件研究中，水平向水深、流速等水力參數(shù)變化比垂直向變化要大得多，因此，天然河道水流垂直尺度相對于水平尺度可以忽略不計。故可將垂直向水深取平均水深，將三維水流運動基本方程沿程進行積分，便得沿水深平均的二維水動力運動基本方程。二維水動力模型可以較為真實的模擬水流在二維面上的流動情況，因此，可與傳統(tǒng)的物理模型試驗結(jié)果相互驗證、互為補充[4]。

對于模擬河段的實際地形和水流條件，選用沿水深平均的封閉淺水方程組描述二維水流運動，建立平面二維水動力數(shù)學模型，其控制方程為[5]：

水流連續(xù)方程：

(1)

X方向動量方程：

(2)

Y方向動量方程：

(3)

為了更好地適應模型范圍地形和計算精度要求，引航道口門區(qū)等重點區(qū)域采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元較密，尺度較小，其他區(qū)域采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最大網(wǎng)格步長35 m，在口門區(qū)附近進行了網(wǎng)格加密，局部最小步長10 m，計算范圍網(wǎng)格數(shù)為9758，節(jié)點數(shù)為20 066。模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　模型計算網(wǎng)格

2　樞紐運行調(diào)度對通航水流條件的影響分析

樞紐的運行調(diào)度方式可按照以下方式分類：①根據(jù)閘門開啟順序有同步開啟和逐步開啟；②根據(jù)組合形式有均勻開啟、間隔開啟、對稱開啟；③根據(jù)開度大小有局部開啟和全開[7]。

2.1　單寬泄流量的影響

引航道口門區(qū)的水流條件受到流量、泄水閘泄流寬度、地形條件以及口門區(qū)位置等多方面因素的制約。其中流量和泄水閘泄流寬度的影響可以采用泄流區(qū)單寬泄流量作為統(tǒng)一的衡量標準。單寬流量的變化直接影響下泄水流的流速、水流恢復至沿河道均勻分布所需的距離等條件。本節(jié)保持導流堤堤長以及河寬不變，采用9孔敞泄的泄流方式，模擬單寬泄流量變化時下游口門區(qū)通航水流條件的變化情況。模擬成果見表1，流速分布圖見圖3。

表1　口門區(qū)特征流速統(tǒng)計表

圖3　不同單寬泄流量下流速分布圖

圖4　流速與單寬流量關(guān)系圖

由圖4對比結(jié)果可知當河寬相同時，單寬流量越大則口門區(qū)最大回流流速、最大橫向流速以及最大縱向流速的值越大。出現(xiàn)這種規(guī)律與口門區(qū)回流形成的機理有關(guān)：引航道導流堤對水流具有阻擋作用，將水流分割為泄水閘下泄動水與引航道靜水兩部分。導流堤堤頭是兩部分水流的交匯處，由于流速差的存在產(chǎn)生了剪切力，通過剪切力的作用兩部分水流進行能量交換，進而使得引航道口門區(qū)內(nèi)靠近泄水閘一側(cè)的部分水體在動水的帶動下向下游流動，形成摩擦流。一方面摩擦流被帶向下游之后導流堤堤頭部分產(chǎn)生空隙，隨之靠近岸邊的水體以及部分引航道內(nèi)水體流入填充，形成重力補償流；另一方面，摩擦流向下游流動，水位升高，同時由于堤頭補償流的產(chǎn)生河岸側(cè)水體水位降低，使得摩擦流與河岸水體間產(chǎn)生正向壓力差，繼而讓部分摩擦流繼續(xù)流向河岸，形成另一支重力補償流。由此形成一個封閉的水流系統(tǒng)維持口門區(qū)回流得以持續(xù)恒定地運動。所以，當單寬流量越大，靠近船閘側(cè)水流攜帶的能量越大，在這類水體的帶動下產(chǎn)生的摩擦流、重力補償流獲得的能量越多，回流強度越大。

2.2　單獨開啟不同區(qū)域泄水閘的影響

導流堤堤長為7 L，L表示設(shè)計最大船舶(船隊)長度，流量為4870 m3/s不同開啟方式時流態(tài)圖見圖5。當9孔均勻開啟時，水流分布較為均勻；開啟123#閘孔時主流偏向河道左側(cè)，口門區(qū)形成一個大的回流區(qū)；開啟456#閘孔時水流分布較均勻，主流位于河道中心，主流流速較9孔全開時稍大；開啟789#閘孔時主流偏向河道右側(cè)，河道左側(cè)形成一個大的回流區(qū)，口門區(qū)回流范圍較小。

不同流量時口門區(qū)特征流速見表2～表4。口門區(qū)流速隨流量的增加而增加，且均滿足如下規(guī)律：開啟123#閘孔縱向流速最小，回流范圍最大。開啟789#閘孔回流范圍最小，但橫向流速、縱向流速、最大回流流速均最大。開啟456#閘孔各項特征流速略微大于9孔全開，因為此時下泄主流位于河道中間，水流分布較為均勻。參考Ⅳ級航道標準Q=3370 m3/s各項特征流速指標均能滿足要求，但總流量大于3370 m3/s時，或多或少會出現(xiàn)流速超標情況，由此說明當流量較小需要分區(qū)開啟泄水閘時宜開啟中間區(qū)泄水閘，當流量較大時不適宜單獨開啟某一區(qū)域泄水閘，需要采用其他調(diào)度方式。

圖5　總流量4 870 m3/s，不同區(qū)域泄水閘泄流時流速分布圖

流量/(m3·s-1)回流流速/(m·s-1)9孔全開123#456#789#33700.300.500.310.6648700.410.720.431.0772300.580.870.611.32

表3　 橫向流速匯總表

表4　縱向流速匯總表

2.3　同一區(qū)域不同調(diào)度方式的影響

口門區(qū)的水流條件不僅與開啟泄水閘的區(qū)域有關(guān)，也與每個區(qū)域開啟方式有關(guān)。本節(jié)重點研究每個區(qū)域開啟方式不同對通航水流條件的影響。

2.3.1船閘區(qū)不同泄流方式的影響

在流量Q=4870 m3/s，保證船閘區(qū)、中間區(qū)、廠房區(qū)三個區(qū)域總泄流量相同，中間區(qū)、廠房區(qū)水流由三個泄水閘平均下泄，而船閘區(qū)采用不同的泄流方式時分析口門區(qū)的水流流態(tài)。泄水閘運行方式見表5，三種工況下流態(tài)圖見圖6。各工況特征流速值見表6。

船閘區(qū)三孔全部開啟時，最大回流流速、最大橫向流速、最大縱向流速均最小，水流沿河道分布較為均勻，主流位于河道中心線上，隨著開孔數(shù)的減小，口門區(qū)流速逐漸增加且主流逐漸向右側(cè)河岸偏移，當單獨開啟8#閘孔時，主流直接在口門區(qū)約300 m處沖刷右岸，以Ⅳ級航道標準衡量此時口門區(qū)各項特征流速均超標，水流條件很差。因此，船閘區(qū)泄流量固定的情況下，船閘區(qū)泄水閘開啟越多口門區(qū)通航水流條件越佳。

表5　船閘區(qū)泄水閘運行方式表

表6　特征流速值

圖6　工況一～工況三流速分布圖

2.3.2中間區(qū)不同泄流方式的影響

在流量Q=4870 m3/s，保證三個區(qū)域總泄流量相同，船閘區(qū)、廠房區(qū)水流由三個泄水閘平均下泄，中間區(qū)采用不同的泄流方式。泄水閘運行方式見表7，三種工況下流態(tài)圖見圖7。各工況特征流速值見表8。

表7　中間區(qū)泄水閘運行方式表

表8　特征流速值

中間區(qū)不同調(diào)度方式下，水流分布較為均勻，主流位于河道中心線上，但對稱開啟兩孔或單獨開啟中間一孔泄水閘時口門區(qū)水流條件均較中間區(qū)三孔全開好，因此，中間區(qū)泄流量固定的情況下，中間區(qū)泄水閘部分開啟較全部開啟時口門區(qū)通航水流條件佳。

2.3.3廠房區(qū)不同泄流方式的影響

廠房區(qū)采用不同的泄流方式。泄水閘運行方式見表9，三種工況下流態(tài)圖見圖8。各工況特征流速值見表10。

圖7　工況四～工況六流速分布圖

流量Q/(m3·s-1)廠房區(qū)中間區(qū)船閘區(qū)7#8#9#4#5#6#1#2#3#工況七541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1工況八811.70811.7541.1541.1541.1541.1541.1541.1工況九01623.40541.1541.1541.1541.1541.1541.1

表10　特征流速值

圖8　工況七～工況九流速分布圖

廠房區(qū)三孔全部開啟時，最大回流流速、最大橫向流速、最大縱向流速均最大，隨著開孔數(shù)的減小，口門區(qū)流速逐漸減小且主流逐漸向左側(cè)河岸偏移，當單獨開啟8#閘孔時，主流直接沖刷左岸，此時，口門區(qū)水流條件最好。因此，廠房區(qū)泄流量固定的情況下，廠房區(qū)泄水閘開啟越少口門區(qū)通航水流條件越佳。

不同區(qū)域下泄的水流對口門區(qū)通航水流條件影響不同。根據(jù)泄流位置可分為船閘區(qū)水流、中間區(qū)水流、廠房區(qū)水流三部分。船閘區(qū)水流靠近口門區(qū)，是導致口門區(qū)摩擦流形成的主要因素，船閘區(qū)下泄水流流量或者流速越大則摩擦流通過剪切力獲得的能量越多，口門區(qū)形成的回流強度越大。中間區(qū)水流、廠房區(qū)水流距口門區(qū)相對較遠，可視為同一類水流，即遠離口門區(qū)水流。兩類水流相互頂托、相互影響，當水流流速、流向差異不大時水流不會發(fā)生相互混摻的現(xiàn)象，但當兩類水流存在明顯的流速、流向差異時不同區(qū)域下泄的水流會相互摻混。當遠離口門區(qū)水流流速較船閘區(qū)水流大時，由于流速梯度存在，導致船閘區(qū)水流受剪切力作用，部分水流向遠離口門區(qū)處擴散，流速差異越大則剪切力越大，擴散作用越明顯，船閘區(qū)水流攜帶能量相應減小，口門區(qū)處摩擦流能夠獲得能量隨之降低，回流強度也相應減小。因此，在保持每一區(qū)域泄流總量相同時，船閘區(qū)泄水閘開啟孔數(shù)宜多，使靠近口門區(qū)處水流平順，流速降低從而達到減小口門區(qū)回流強度的目的；中間區(qū)及廠房區(qū)泄水閘開啟孔數(shù)宜少。

3　結(jié)論及建議

實際工程中為保證船舶航行水深滿足要求，船閘設(shè)計規(guī)范規(guī)定：口門區(qū)宜位于深泓線一側(cè)。而本文立足于通航水深滿足要求情況下，以減小口門區(qū)各項特征流速為出發(fā)點，通過概化模型對樞紐運行調(diào)度對口門區(qū)影響進行分析，得出以下適用于船閘、廠房異岸布置的寬淺河道中樞紐的調(diào)度原則：

(1)泄流單寬流量越小越有利于通航水流條件。

(2)當流量較小需分區(qū)開啟泄水閘時，宜開啟中間區(qū)泄水閘。

(3)當流量較大時，宜采用不同區(qū)域聯(lián)合調(diào)度的運行方式。不同區(qū)域聯(lián)合調(diào)度時，應保證主流僅由遠離口門區(qū)泄水閘下泄，并且使靠近口門區(qū)側(cè)泄水閘泄流量最小，此時主流遠離口門區(qū)同時靠近口門區(qū)處仍有少量水流對主流起到一定的頂托作用從而改善口門區(qū)通航水流條件。

(4)不同區(qū)域不同泄流方式對口門區(qū)水流條件影響巨大。為改善通航水流條件，船閘區(qū)泄水閘開啟孔數(shù)宜多，中間區(qū)、廠房區(qū)泄水閘開啟孔數(shù)宜少。

實際應用中應結(jié)合工程具體條件優(yōu)化樞紐布置形式。