徑流式電站通航水流條件優(yōu)化措施研究

段宛玥，董俊君，陳立華

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧530004；2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，昆明650000）

0 前 言

我國水運(yùn)歷史悠久，水路具有運(yùn)輸成本低、運(yùn)量大，投資效益高，污染小等優(yōu)點(diǎn)。在通航河流上修建水利樞紐，需要保證或改善其通航能力。引航道的相對靜止的水流與主河道中運(yùn)動(dòng)的水流在口門區(qū)交匯，電站的泄水建筑物與導(dǎo)航分水建筑物等都對口門區(qū)水流產(chǎn)生影響。電站建成后下游水流自泄水閘向下流動(dòng)過程中在口門處河道放寬，且同一河流過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪?，正對泄水閘泄水孔區(qū)域流速往往較大，靠近岸邊區(qū)域流速往往較小，這使得水流彎曲變形，形成了斜向水流，斜向水流對周邊水域的進(jìn)一步作用產(chǎn)生了回流和漩渦。較大的斜向水流產(chǎn)生的橫流和回流，會(huì)造成航向船舶的橫向漂移和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)船舶失控造成事故［1-3］。因此，修建水利樞紐布置船閘引航道時(shí)應(yīng)關(guān)注下游口門區(qū)的水流條件，提前進(jìn)行論證，并提出改善下游口門區(qū)水流條件的措施。

工程措施主要分為：①設(shè)置防護(hù)設(shè)施。如楊宇等［3］依托城景水電站設(shè)置不同體型的透水墩。余凱等［4］通過建立水工整體定床模型，提出縮短隔流墻并增設(shè)透水段的措施。周勤等［5］以古頂水利樞紐二線船閘通航水力學(xué)試驗(yàn)為例，得出布置70 m外挑導(dǎo)航墻的措施。②提出改道疏挖措施。如李茜希等［6］以橄欖壩樞紐工程為例，通過改變運(yùn)行調(diào)度方式對口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行優(yōu)化。趙家強(qiáng)等［7］針對潮州供水樞紐東溪水閘段的不良流態(tài)，提出降低通航標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化航線、開挖與調(diào)整凸岸岸線等措施。陸峰［8］通過采用支流改道的方法，減小回流流速。③多種措施相結(jié)合。如：王建平［9］、劉曉平［10］在工程中均提出了將疏挖與防護(hù)相結(jié)合的措施。另一方面，基于圣維南方程的平面二維水動(dòng)力數(shù)值模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于模擬天然或工程后河道水流運(yùn)動(dòng)的模擬［11-14］。

因樞紐的位置、河勢、來水來沙情況不同，樞紐及通航建筑物布置方式不同，可以采取不同的措施或者多種措施組合改善通航水流條件，并從工程效果及工程量的角度優(yōu)化措施。本文以漢江某徑流式電站通航水流條件為研究對象，建立水電站二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬論證電站建成后通航水流條件，分析論證其優(yōu)化措施，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

1 平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

基于該徑流式水電站現(xiàn)壩址位置和工程布置，采用CCHE2D軟件建立二維水動(dòng)力模型對電站建成后的不同流量下下游口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行模擬分析，并擬采用河床疏挖的方法改善下游口門區(qū)通航水流條件。

1.1 基本方程

笛卡爾坐標(biāo)系下平面二維水流運(yùn)動(dòng)基本方程為：水流連續(xù)方程：

水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Z為水位，m；h為水深，m；u、v分別為x、y方向的流速，m/s；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；γt為紊動(dòng)黏性系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

為擬合不規(guī)則河道邊界，模型采用正交曲線網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。正交曲線坐標(biāo)系下水流基本方程如下：

式中：U、V分別為ξ、η方向流速分量，m/s；Z、h分別為水位和水深，m；n為糙率系數(shù)；f為柯氏力系數(shù)，f=2ωsinΦ；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，m/s，Φ為評價(jià)河段所處緯度；σξξ、σηη、σξη、σηξ為應(yīng)力項(xiàng)，Pa；Γξ、Γη表示正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)，Γξ=表示紊動(dòng)黏性系數(shù)vt=α u h，α=0.5～1，u*為摩阻流速，m/s。

1.2 計(jì)算方法

為保證水流模型中水量和動(dòng)量有較好的守恒性，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散。方程離散采用了自動(dòng)迎風(fēng)格式。為了避免水位鋸齒波采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)。

1.3 計(jì)算概化

用的兩種方法。

水電站工程水工建筑物主要有擋水壩、船閘、電站廠房、泄水閘，計(jì)算中考慮擋水壩及船閘不過水，電站廠房泄水發(fā)電、泄水閘過水擔(dān)負(fù)泄洪的任務(wù)，在電站廠房、泄水閘所在位置相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，依據(jù)建筑物高度修改河底高程。局部加糙是指增加各水工建筑物附近的二維計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的局部糙率。局部阻力系數(shù)通過下式計(jì)算：

式中：A為過水面積；ζ為局部阻力系數(shù)。

在實(shí)際估算中，將局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為糙率：

式中：H為水工建筑物以外的河道水深。

概化后工程區(qū)域所在網(wǎng)格的局部綜合糙率系數(shù)為：

根據(jù)水電站布置及結(jié)構(gòu)型式、河道地形等對工程進(jìn)行合理概化才能使數(shù)學(xué)模型計(jì)算能反映擬建工程對河道水流運(yùn)動(dòng)的影響。局部地形修正和局部糙率修正是目前工程概化較為常

本文采用局部地形修正法，當(dāng)網(wǎng)格尺寸建筑物尺寸相當(dāng)時(shí)，直接將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程調(diào)整為建筑物高度對應(yīng)高程，當(dāng)網(wǎng)格尺寸大于建筑物尺寸時(shí)，調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程使其滿足，建筑物高程引起流量變動(dòng)值與該處網(wǎng)格高程引起流量變動(dòng)值相同即可。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程基本概況

應(yīng)用實(shí)例中的漢江某徑流式水電站為Ⅱ等大（2）型工程。工程主體建筑物由泄水閘、河床式電站廠房、連接重力壩段、船閘及魚道等組成，壩軸線總長2 202.4 m，大壩壩頂高程79.30 m。電站正常蓄水位為76.23 m，校核洪水位為77.70 m，設(shè)計(jì)洪水位為76.23 m，死水位為75.93 m，上游最高通航水位76.23 m，下游最低通航水位64.12 m，最大水頭差12.11 m。采用單線一級船閘，上、下游引航道為人工航道采用不對稱方式布置，過閘方式為直線進(jìn)閘、曲線出閘。樞紐附近航道、上下游引航道及船閘設(shè)計(jì)平面布置見圖1。上下游航道及船閘等級均為Ⅲ級。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）［15］，船閘引航道口門區(qū)水流表面最大流速限縱向流速2.0 m/s、橫向流速0.3 m/s、回流流速0.4 m/s。

參照《三峽船舶航行標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ305-2001）［16］及其他船舶航行標(biāo)準(zhǔn)，一般要求：設(shè)計(jì)船舶噸級為1 000 t，雙線通航，設(shè)計(jì)船隊(duì)為雙排雙列一頂四艘1 000 t級分節(jié)駁，船隊(duì)尺度167 m×21.6 m×2.0 m，航道水深不小于2.4 m（2.0 m 船舶吃水加0.4 m 富余水深）。

2.2 邊界條件

在平面二維水流模型中，通常河道開邊界、閉邊界及動(dòng)邊界條件具體如下：

開邊界：進(jìn)、出口水邊界，通常在計(jì)算中取上游一遠(yuǎn)離研究區(qū)域的斷面給定河道來流流量作為進(jìn)口，同樣在下游取一遠(yuǎn)離研究區(qū)域的斷面給定相應(yīng)水位作為出口。本次計(jì)算在模型驗(yàn)證階段結(jié)合資料，取壩上游約4 km 距上游口門區(qū)約3.5 km 作為進(jìn)口給定來流流量，取壩下游約6 km 距下游口門約5.2 km 作為出口給定相應(yīng)水位；在進(jìn)行營運(yùn)期通航水流條件計(jì)算中，上游段取距壩約4.0 km 作為進(jìn)口，泄水閘作為出口，下游段取泄水閘作為進(jìn)口，取距壩下游6.0 km作為出口。

閉邊界：計(jì)算區(qū)域的河道岸邊界，模型中將設(shè)置為無法向流速。

動(dòng)邊界：因流量不同時(shí)而過水，時(shí)而不過水的區(qū)域，若被淹沒則不做改變，糙率取正常值，若不過水就將其糙率取一無窮大正數(shù)。

2.3 水流計(jì)算條件驗(yàn)證

選取3 個(gè)斷面CS1、CS2、CS3 進(jìn)行水位測量，見圖1。計(jì)算范圍從水電站壩上游4.0 km 到壩下游6.0 km 共10 km，沿水流方向網(wǎng)格尺寸為10～20 m，垂直水流方向網(wǎng)格尺寸為5～15 m。通過調(diào)整主河槽和灘地的糙率結(jié)果為：主槽的糙率取值為0.016～0.018，灘地的糙率取值為0.021～0.024。水位及流速計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好，計(jì)算水位值與實(shí)測水位值的誤差最大為0.02 m，流速及流量誤差在±5%以內(nèi)，見表1。說明數(shù)學(xué)模型建立正確，參數(shù)選取合理，可用于該水電站引航道口門區(qū)水流條件計(jì)算模擬研究。

表1 斷面計(jì)算水位與實(shí)測水位對比表Tab.2 Comparison table of calculated water level and measured water level of cross section

2.4 計(jì)算方案

因該水電站下游引航道口門區(qū)附近右側(cè)河床為原河道深泓，地形高程較低約61.0～62.5 m，左側(cè)地形高程相對較高約63.0～67.0 m，有灘地和江心洲分布，該水電站的泄水閘和電站廠房均位于引航道左側(cè)，由泄水閘和電站廠房下泄的水流因地形原因在下游引航到口門區(qū)附近可能會(huì)形成橫流、回流等不利于船舶通航的情況。以降低口門區(qū)水流流速，減小水流流向與航道中軸夾角為原則，擬定四種疏挖方案如圖2所示，計(jì)算各方案下水流運(yùn)動(dòng)情況，論證其是否滿足通航條件。疏挖范圍一是通過無疏挖方案預(yù)試驗(yàn)結(jié)合下游地形確定，疏挖范圍二則是在疏挖范圍一試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過水流條件的分析確定。其中，“疏挖方案一”為將“疏挖范圍一”疏挖至64.0 m 高程，如圖2（b）所示；“疏挖方案二”為將“疏挖范圍一”疏挖至63.5 m 高程，如圖2（b）所示；“疏挖方案三”為將“疏挖范圍二”疏挖至63.5 m高程，如圖2（c）所示；“疏挖方案四”為將“疏挖范圍二”疏挖至63.5 m，下游部分區(qū)域疏挖至62.0 m高程，如圖2（d）所示。

根據(jù)水電站泄水建筑物調(diào)度運(yùn)用原則，選取下泄流量為350 m3/s（最小通航流量）、1 570.4 m3/s（4 臺機(jī)組滿發(fā)流量）、6 200 m3/s（近期最大通航流量，6 孔控泄）、12 000 m3/s（遠(yuǎn)期最大通航流量，12 孔控泄），研究上下引航道口門區(qū)通航水流條件。

2.5 計(jì)算成果

2.5.1 通航水流條件分析

疏挖范圍位于下游引航道左側(cè)，未對樞紐上游產(chǎn)生影響，因此各疏挖方案上游情況一致。本文主要針對下游引航道及附近區(qū)域水流條件展開分析。由于河段并非完全順直，且船閘無論采用何種布置方式都會(huì)出現(xiàn)不利于航行的復(fù)雜流態(tài)“斜向流”，可將其分解為縱向流、橫向流和回流進(jìn)行研究，這樣也便于為通航水流條件提供參考限值。需對下游引航道口門區(qū)附近水流條件進(jìn)行計(jì)算流場分析，因此下文中選取如圖1所示下游口門區(qū)范圍內(nèi)水流條件進(jìn)行分析。

根據(jù)本文口門區(qū)定義選取五個(gè)斷面分析不同方案的水流情況，并比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。以疏挖方案減小橫向流速效果最佳的350 m3/s 流量為例，在原設(shè)計(jì)方案、疏挖方案一、二、三、四時(shí)下游口門區(qū)流態(tài)速分布見圖3。

從圖3可知，下泄流量為350 m3/s 時(shí)，原方案圖3（a）在X3～X4 斷面間水流流向與航跡線夾角較大，基本表現(xiàn)為橫流，主流靠近口門區(qū)；疏挖方案一圖3（b）、疏挖方案二圖3（c）在X3～X4 斷面的橫流區(qū)域上移，主流較原方案略遠(yuǎn)離口門區(qū)，在左、右航跡線區(qū)域內(nèi)流速變小，但水流流向與航跡線夾角仍較大，表現(xiàn)為流速較小的橫流；疏挖方案三圖3（d）、疏挖方案四圖3（e）在X3～X4 斷面的橫流區(qū)域上移，主流較原方案進(jìn)一步遠(yuǎn)離口門區(qū)在左、右航跡線區(qū)域內(nèi)流速變小，且水流流向與航跡線夾角變小，X1～X5 區(qū)域內(nèi)均表現(xiàn)出，流向與航跡基本一致的流態(tài)。

當(dāng)下泄流量為350～12 000 m3/s 各流量級時(shí)，在航跡線內(nèi)各方案口門區(qū)各斷面最大縱向、橫向、回流流速如表2所示。

表2 各流量級各方案下流速對比 m/sFig.3 Comparison of flow velocities in different flow stages and schemes

縱觀以上數(shù)據(jù)知，疏挖方案一、二對改善口門區(qū)通航水流條件具有積極作用，在小流量條件下，即350 m3/s、1 570.4 m3/s時(shí)，能降低橫向流速，在大流量條件下能使主流遠(yuǎn)離口門區(qū)，降低縱向流速，但并不能達(dá)到通航要求；疏挖方案三、四對改善口門區(qū)通航水流條件具有積極作用，在小流量條件下，即350、1 570.4 m3/s 時(shí)，能降低橫向流速，在大流量條件下能使主流遠(yuǎn)離口門區(qū)，降低縱向流速，能達(dá)到通航要求。

2.5.2 最小通航水深及航寬

由以上分析可知疏挖方案一、二水流流速未達(dá)到要求，因此不考慮其最小通航水深問題。當(dāng)下泄流量為350 m3/s（下游水位64.6 m）時(shí)，疏挖方案三：在原疏挖范圍外下游200～400 m段航道水深小于2.4 m，需對該部分進(jìn)行疏挖方能通航，如圖4（a）所示；疏挖方案四：下游引航道口門區(qū)及疏挖航道內(nèi)的水深及航寬均滿足要求，如圖4（b）所示。

3 結(jié) 論

本文建立了某徑流式電站工程河段平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對比論證原設(shè)計(jì)方案及各疏挖方案情況下通航水流條件，提出推薦的工程措施。主要成果如下：

（1）下游口門區(qū)左、右地形高程差是造成橫向流速過大的主要原因。

（2）由于疏挖改變河道的地形條件，降低了下游引航道及口門區(qū)左側(cè)部分河床高程，自泄水閘下泄的水流能相對平順向下游流動(dòng)，而不是在口門區(qū)流向右側(cè)形成斜流。

（3）疏挖方案四，與疏挖方案三疏挖范圍基本一致，但為解決最小通航流量下水深問題，對水深不足區(qū)域進(jìn)行了疏挖，最終計(jì)算結(jié)果表明，疏挖方案四能有效的改善下游口門區(qū)通航條件的方案。