向家壩升船機下游引航道口門區水力波動特性原型觀測*

胡亞安，安建峰，趙建鈞，王 新

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210098)

天然河道修建水利樞紐后，為滿足通航要求，需要設置船閘和升船機等通航建筑物。口門區位于船閘(升船機)引航道與連接段之間，是過壩船舶進出引航道的咽喉[1]。對于大型水利樞紐下游引航道，口門區處于引航道靜水水域與河道動水的交界區。受電站日調節和樞紐泄洪的影響，通航建筑物下游引航道口門區水流流態復雜，水面波動較大，對船舶安全航行影響較大，嚴重時甚至會誘發海事[2]。

在我國多座大型通航樞紐中，通航建筑物引航道口門區波動問題均較為突出。如葛洲壩大江一號船閘下游引航道口門區水流受二江泄洪和西壩凸嘴挑流影響，出現較強的涌浪和大范圍的橫向波浪。根據實船試航結果，船舶在該區域航行時存在明顯橫搖，垂蕩幅度達1 m，涌浪對船舶航行安全存在嚴重威脅，導致船閘最大通航流量無法滿足設計要求[3]。我國湖南五強溪船閘在電站調峰和樞紐泄洪時，主流頂沖口門區形成明顯的涌浪和橫流，使得船閘最大通航流量僅能達到3 920 m3/s，遠低于設計最大通航流量1萬m3/s，嚴重影響船閘通過能力和通航效率[4]。向家壩樞紐泄洪時，升船機下游引航道口門區水位波動較大，橫向波浪作用顯著，船舶在口門區航行時，波流運動對船舶橫搖、縱傾和垂蕩運動影響十分顯著，實船試航時工作人員及隨船生物均出現不同程度的暈船、嘔吐等現象。因此，開展大型通航樞紐引航道口門區水力波動特性研究十分必要，對保障船舶安全航行、提升樞紐通航能力意義重大。

本文針對向家壩升船機下游引航道水力波動問題，開展原型觀測和模型試驗，重點分析樞紐不同泄洪流量和發電流量組合下升船機下游引航道口門區的水力波動特性，研究樞紐發電、泄洪流量對口門區高頻短波特性的影響和二者之間的相關關系，為解決向家壩升船機下游口門區波動制約船舶航行安全的問題、進一步改善通航水流條件提供技術支撐。

1 工程概況

向家壩水電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江上，是金沙江水電基地最后一級水電站，也是金沙江水電基地中唯一修建升船機的大壩。向家壩水電站通航建筑物形式采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級垂直升船機，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等5部分組成，全長約1 530 m。向家壩升船機按IV級航道標準設計，設計代表船型為2×500噸級一頂二駁船隊，同時兼顧1 000噸級單船。向家壩升船機最大提升高度114.20 m，是目前建成提升高度最高的升船機[5]。

向家壩泄洪消能具有高水頭、大單寬流量、泄洪頻率高、運行時間長的特點。向家壩水電站泄洪建筑物包含12個表孔和10個中孔，表孔堰頂高程354.00 m，設計水頭26.00 m，每孔凈寬8.00 m，出口設平面20 m長的收縮段，寬度由8 m收縮為6 m，后為水平相切跌坎，跌坎頂高程261.00 m、深16.00 m；中孔進口底板高程305.00 m，出口等寬8 m，跌坎頂高程253.00 m、坎深8.00 m。向家壩水電站消能建筑物采用高低坎跌坎式底流消能，消力池中設有分區導墻，單池尺寸為228.00 m×108.00 m×52.00 m(長×寬×深)，底板為平底，底板頂高程245.00 m。

向家壩水電站消能建筑物緊鄰水富市和大型企業云南天然氣化工廠，為減輕泄洪消能對環境的不利影響，目前向家壩水電站渲泄較小洪水時采用表孔泄洪。如圖1所示，表孔泄洪時消力池內形成波狀水躍，并以短波形式傳向下游。如圖2所示，由于壩下河道較窄，波動向下游傳播過程中未能充分衰減，加之地形影響，縱向高頻波動在升船機下游引航道口門區附近轉變為橫向振蕩波，導致該區域波動幅度較大，波流耦合作用下水流條件復雜，船舶在引航道口門區航行時航行姿態較差、操控難度大，船舶航行經過口門區時存在安全風險。

圖1 向家壩水電站泄洪消力池

圖2 升船機引航道口門波動

2 口門區水流條件及船舶系纜力原型觀測

2.1 測點布置

在汛期泄洪時，分多次對向家壩升船機下游引航道波動情況進行原型觀測，測點布置見圖3。

圖3 向家壩升船機下游引航道波動測點布置

圖中1#測點位于下游引航道5#和6#靠船墩之間，在口門上游約360 m處；2#測點位于9#和10#靠船墩之間，在口門上游約210 m；3#測點位于引航道口門附近，在口門下游約30 m處；4#測點位于口門區中部，在口門下游約80 m，5#測點位于口門區末，距口門約160 m。

2.2 口門區流速分布及波動特性

向家壩升船機下游引航道口門區水流縱向流速限值為2.0 m/s，橫向流速限值為0.3 m/s，回流流速限值為0.4 m/s[6]。原型觀測結果表明：電站機組發電流量不超過6 000 m3/s，樞紐泄洪流量低于2 500 m3/s時，升船機下游引航道口門區縱向流速1.85 m/s；最大橫向流速0.6 m/s，超標區域位于口門區回流末端，規劃航線附近橫向流速約0.3 m/s左右，基本不影響船舶安全航行；口門區近岸最大回流流速1.2 m/s，但規劃航線附近回流流速低于0.4 m/s，通航水流條件基本滿足要求。

現場觀測結果表明，表孔下泄水流在消力池能形成振蕩水躍，進而以短周期振蕩波動的形式隨流向下游河道傳播。受局部地形影響，波動傳至口門區后，波向發生改變，以垂直于岸坡的橫向波動為主。

各測點典型的水位波動過程見圖4。由圖4可知，向家壩升船機下游引航道波動呈現高頻隨機波特性，波動周期和波高并不穩定，與長波波動過程差異顯著。1#測點位于引航道內部，輔助閘室附近，該區域波動受下閘室及壩下固壁邊界反射，波高與口門處波高(3#測點)基本相同；2#測點位于引航道中部，反射波影響較小，該處波動幅值明顯小于引航道口門(3#測點)和輔助閘室附近(1#測點)；口門區中部波高大于口門波高，口門區末端波高最大。

圖4 向家壩升船機下游引航道不同測點水位波動過程

3 水力波動觀測成果分析

根據隨機波浪理論，波高是相鄰的波峰與波谷的高度差。對于復雜的隨機波過程，將波高按從大到小排序，前1/3個波高的平均值為有效波高，表征波動的時均強弱。前1/10個波高的平均值為最大10%波高，表征最大波幅的時均特性。對于通航建筑物引航道內的高頻隨機短波，有效波高是船舶航行安全的主要影響因素。

不同泄量條件下，向家壩升船機下游引航道口門區各個測點的有效波高觀測結果見表1。

表1可知：前4組觀測工況出庫流量(6 130～7 167 m3/s)略小于后4組出庫流量(6 753～8 250 m3/s)，但是下游水位(273.2 m左右)略大于后4組工況(271.61～272.48 m)。電站發電流量4 700 m3/s時，表孔泄洪流量1 430 m3/s條件下引航道內有效波高約0.35 m，口門處有效波高約0.39 m，口門區中部波高約0.5 m，口門區末端有效波高約0.6 m；表孔泄洪流量增至2 500 m3/s時，引航道及口門區內波高顯著增大，引航道內有效波高約0.55 m，口門處有效波高約0.77 m，口門區中部波高約0.82 m，口門區末端有效波高約0.91 m。由表1還可知，電站發電流量增至5 750 m3/s時，各測點有效波高較發電流量4 700 m3/s時有所減小，但幅度不大。另外，原型觀測過程中還發現當樞紐不泄洪時，口門區水面平穩，無明顯振蕩波動，水體微幅擾動不超過0.1 m；樞紐采用中孔泄洪時，引航道及口門區內的波動亦有所減弱。說明樞紐表孔泄洪流量是影響引航道及口門區波動特性的主要因素，電站泄流及中孔泄洪對波動有抑制作用。

表1 不同工況下引航道及口門區最大波高

4 波高與表孔泄量的響應關系

引航道沿程各測點有效波高和表孔泄洪流量相關關系見圖5。由圖5可知，向家壩升船機引航道及口門區有效波高與樞紐表孔泄洪流量呈線性相關關系。口門處有效波高對表孔泄洪流量更為敏感，擬合曲線斜率最大；其余各測點有效波高隨表孔泄量的變化率基本一致。

圖5 引航道沿程各測點有效波高和表孔泄洪流量相關關系

根據上述相關關系，可得電站滿發時引航道口門和口門區末端(最大波高處)有效波高的估算公式。其中引航道口門區末端有效波高為：

ht=0.000 18·Qs+0.41

(1)

引航道口門處有效波高為：

he=0.000 20·Qs+0.15

(2)

式中：ht為向家壩升船機下游引航道口門區末端有效波高，亦為口門區最大有效波高(m)；he為引航道口門處有效波高(m)；Qs為表孔泄量(m3/s)。

向家壩升船機最大設計通航流量為12 000 m3/s。根據上述估算公式，在最大設計通航流量下，電站發電流量為6 000 m3/s(滿發)時，若表孔泄洪流量為6 000 m3/s，則引航道口門處有效波高為1.35 m，口門區末端有效波高為1.49 m。

實船試驗結果表明，當電站發電流量5 750 m3/s、表孔泄洪流量2 500 m3/s，亦即引航道內有效波高0.5 m、引航道口門有效波高0.65 m、口門區末端有效波高0.84 m時，1 000噸級的船舶在下游靠船墩處停泊時實測最大系纜力111.64 kN，存在一定的安全風險。實測船舶上行過程中口門區最大漂角25°，最大橫傾幅值7°，最大縱傾幅值1.3°，最大舵角35°；下行過程中口門區最大漂角40°，最大橫傾幅值6.8°，最大縱傾幅值1.2°，最大舵角35°，雖可順利進出引航道口門區，但是航行姿態較差，操控難度較高[7-8]。因此，現狀條件下，當向家壩水電站表孔泄洪流量超過2 500 m3/s時，口門區通航水流條件將更為復雜，波動更為劇烈，船舶航行安全難以保障。

5 結語

1)向家壩升船機下游引航道口門區通航水流條件基本滿足規范要求，但是波動問題較為突出。

2)表孔泄洪是向家壩升船機下游引航道及口門區高頻大幅水力波動的主要影響因素，二者呈線性相關關系，而電站泄流及中孔泄洪對引航道口門區波動有抑制作用。

3)在電站滿發、表孔泄洪流量為2 500 m3/s時，升船機下游引航道口門區最大有效波高近1.0 m，船舶進出引航道時航行姿態較差，操控難度較高。

4)設計最大通航流量下，引航道口門區最大波高估計可達1.5 m，局部水流條件更為復雜，口門區大幅高頻短波對船舶航行安全影響更大，有必要開展進一步深入研究，以改善口門區通航水流條件。