風洞子閘壩調度方式對船閘下引航道口門區通航條件的影響

程 艷，吳禮國，徐 紅，李 維

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

樞紐在運行過程中，閘壩的調度運行方式是根據上游來流量及電站發電需求進行調節，一般運行方式為小流量時調度閘壩控制下泄流量，船閘通航，流量增大至分界流量后閘壩敞泄，船舶停航。閘壩的調度運行方式不同，樞紐上下游的水流條件會有所不同，而船閘引航道口門區水流特性是影響船舶航行安全和通航效率的重要因素[1]。

船閘通航主要集中在小流量情況下，此時樞紐通過開啟不同閘孔數及閘孔高度，控制下泄流量，維持壩前正常蓄水位，使電站正常發電。而泄水閘有多種開啟方式，包括集中、分散、均勻、區段、局部(均勻)或分段間隔等[2]。泄水閘不同的開啟方式，使河道水能量再分配，改變水流流速和流向，造成回流范圍和強度的差異，影響船閘引航道及口門區的水流和航行條件，尤其是下引航道。本文以數學模型為依托，研究風洞子航運樞紐工程泄水閘調度運行方式對船閘下引航道口門區的通航條件影響。

1 模型建立與驗證

1.1 模型基本原理

河道水流一般可視為不可壓縮牛頓流體，其水流運動規律可用Navier-Stokes方程組描述，對該方程進行時均化得到其Reynolds形式，包括質量守恒方程和動量守恒方程[3]。從Reynolds方程出發，考慮到工程所在河段水平尺度遠大于垂直尺度，水力參數在垂直方向的變化明顯小于水平方向的變化，可忽略垂向加速度，設定壓強服從靜水分布；不計垂直方向的流動時間和空間的微分，將方程沿水深積分，得到平面二維的河道水流運動控制方程[4]。

水流連續方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

(3)

式中：Zw為水面高度；Zb為床面高度；t為時間；H為水深；q1、q2為x、y方向的單寬流量；qm為單位面積的旁側入流流量(為正)或出流流量(為負)，式(1)假定水流密度在整個模擬區域內保持不變[5]；β為各向同性的動量修正系數；ρ為水流密度；pa為水面大氣壓力；Ω為科里奧利力參數；τbx、τby分別為x、y方向的河床剪切應力；τsx、τsy分別為x、y方向的表面風剪切應力；τxx、τxy、τyx、τyy為由紊流引起的剪切應力。

1.2 模型建立與驗證

本文選用風洞子航運樞紐工程壩軸線以下1.8 km范圍內的實測地形，采用三角形網格對計算區域進行離散，既可以較好地描述河道邊界和河道中建筑物邊界，又能達到較高精度，網格最大長度約20 m，模型中對船閘引航道、電站、閘壩區等部位進行網格加密，網格最小長度約2 m。研究區域網格劃分見圖1。

圖1 研究區網格劃分

為保證模型參數選取的合理性，在模型建立后對其進行驗證，驗證資料為實測流量1 150 m3/s時沿程瞬時水位，驗證結果見圖2。可以看出，模型水位與原型最大水位偏差為0.06 m，差值較小，建立的模型可做進一步研究。

圖2 模型與原型沿程水位

2 方案擬定

2.1 風洞子航運工程常規調度方式

渠江風洞子航運樞紐工程泄洪沖沙閘布置于主河槽，為開敞式寬頂平底閘。共布置20孔泄水沖沙閘，從左岸至右岸為1#～20#，單孔凈寬15 m，堰頂高程230.0 m，閘頂高程260.6 m。本樞紐為徑流式日調節運行，樞紐運行調度方案主要考慮電站本身的日調節作用和樞紐沖排泥沙的要求。樞紐擬定的調度運行方式為：當入庫流量小于發電引用流量843 m3/s時，水庫水位在242.6 m(死水位)～243.0 m(正常蓄水位)之間消落發電；當入庫流量大于843 m3/s且小于6 500 m3/s時，電站引用流量以外多余流量通過沖沙閘下泄，水庫水位維持正常蓄水位243.0 m發電；當入庫流量大于6 500 m3/s時，水庫閘門逐步開啟泄洪沖沙，電站停機，樞紐平面布置見圖3。

2.2 研究方案

圖3 風洞子航運樞紐工程平面布置(單位：m)

根據樞紐調度運行方式，選取流量小于6 500 m3/s、泄水閘控泄時的4級流量進行研究，此時電站滿發，電站下泄流量843 m3/s。為全面分析泄水閘開啟方式對船閘下游引航道口門區及連接段水流條件的影響，從閘壩開啟位置和閘壩開啟孔數兩方面進行研究，各方案及邊界條件見表1。

表1 風洞子航運樞紐工程閘壩調度方案

3 結果與分析

在船閘下引航道口門區及連接段布置17個斷面，共148個測點(圖4)，用以觀測各工況條件下測點范圍內的最大縱向、最大橫向及回流流速，探討泄水閘不同開啟方式對下引航道口門區及連接段的通航水流條件影響。根據《船閘總體設計規范》[6]規定，Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區的最大流速限值為：平行于航線的縱向流速vy≤2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速vx≤0.30 m/s，回流流速v0≤0.4 m/s。

3.1 閘門開啟位置對船閘下游水流條件的影響

圖4 研究區測點布置

流量3 000 m3/s、閘門開啟不同位置時下游河道的流速流態分布見圖5。可以看出，閘門集中開啟位置不同，下引航道口門區及連接段的流速流態有所不同。當集中開啟左岸1#～4#閘門時，下游流場如圖5a)所示，下泄水流集中在左岸，水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下，右側有大范圍的回流。水流在導航堤頭開始向右偏轉，口門區及連接段大部分處于回流區，流速較小，河道斷面流速分布不均勻，主流偏右岸。當集中開啟中間9#～12#閘門時，下游流場如圖5b)所示，下泄水流集中在中部，兩側各形成一個小范圍的回流區，口門區有小范圍的回流，流速較小。當集中開啟右岸17#～20#閘門時，下游流場如圖5c)所示，開啟閘孔遠離電站，下泄水流集中在右岸，在河道中間形成一個小范圍的回流，兩股水流在導航堤處匯合后順流而下，主流仍在右岸，口門區及連接段大部分處于回流區，流速較小。

圖5 Q=3 000 m3/s時風洞子航運樞紐下游流速流態分布

開啟不同位置閘門時船閘下引航道口門區及連接段測點流速對比見圖6。各級流量下集中開啟左岸閘孔的最大流速與開啟中間閘孔相差不大，開啟右岸閘孔的較小，最大流速值都沒有超過規范限值，見圖6a)；集中開啟左岸閘孔的橫向最大流速小于集中開啟右岸閘孔，開啟中間閘孔的最大，其中當流量等于6 000 m3/s，開啟中間和右岸8孔閘門時，橫向最大流速超過規范規定的限值，最大值為0.328 m/s，見圖6b)；各級流量下的回流流速相差不大，開啟左岸和中間閘孔時基本一致，開啟右岸時稍大，但都在規范限值以內，見圖6c)。

圖6 不同閘門開啟位置測點流速對比

綜合分析，當流量小于6 500 m3/s，風洞子閘壩集中開啟左岸閘門時，橫向流速整體較小，沒有超過規范限值，下引航道口門區及連接段的流速流態更有利于船舶安全航行。

3.2 閘門開啟數量對船閘下游水流條件的影響

流量4 500 m3/s、左岸閘門開啟不同數量時下游河道的流速流態分布見圖7。可以看出，下游流速流態基本都滿足船舶安全航行的要求。但閘門開啟數量不同，下游河道及口門區的回流范圍有所不同，流速流態也有所差別。下泄水流集中在左岸，水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下。泄水閘下游右側河槽是回流區，主流在導流墩處穿入航道，從船閘口門區以下逐漸向右過渡，口門區及連接段的航道左側處于回流區，連接段最大回流流速為0.293 m/s。

圖7 Q=4 500 m3/s風洞子航運樞紐下游流速流態分布

開啟左岸不同數量閘門時船閘下引航道口門區及連接段測點流速對比見圖8。可以看出，各級流量下開啟閘門數量越多，測點范圍內的最大流速和橫向最大流速越大，回流流速越小。當流量為6 000 m3/s，開啟8孔閘門時最大流速為1.329 m/s，橫向最大流速為0.298 m/s，接近規范限值；開啟9孔閘門時最大流速為1.391 m/s，橫向最大流速為0.316 m/s，超過規范限值要求。造成這種現象的主要原因為水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下，開啟閘門越多泄水閘單寬流量越小，閘孔下游水位越平穩，與電站出水水流的相互抵沖作用越弱，此時電站出流對船閘引航道口門區及引航道的水流條件影響越明顯，從而造成開啟閘門越多，測點范圍內水流流速和橫向流速較大。

圖8 不同閘門開啟數量測點流速對比

綜合分析，當流量小于6 500 m3/s，風洞子閘壩在滿足閘孔過流條件時，開啟閘門孔數越少，下游引航道口門區及連接段的最大流速和橫向流速越小，沒有超過規范限值，水流條件更有利于船舶安全航行。

4 結論

1)風洞子航運樞紐工程閘門調度運行方式不同，下游引航道口門區及連接段的水流條件不同。相同流量級下，集中開啟左側閘門時，下游引航道口門區及連接段的水流條件最優。相比于集中開啟中間閘孔和右側閘孔，橫向流速更小，更有利于船舶安全航行。

2)相同流量級下，在滿足閘孔過流條件時，開啟左側閘門孔數目越少，下游引航道口門區及連接段的最大流速和橫向流速越小，水流條件更有利于船舶安全航行。

3)在樞紐設計過程中，可通過建立數學模型，不斷試驗閘孔調度方式對下游引航道口門區及連接的水流條件影響，為初步擬定閘壩調度運行方式、保證船舶順利安全通航提供依據。