電站擴(kuò)機(jī)工程對(duì)原船閘航行影響船模試驗(yàn)研究

蔡 創(chuàng),楊 碩,蔡新永,侯向勇,龔梁爽

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074; 2. 重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016)

0 引 言

在工程上,往往會(huì)通過(guò)電站擴(kuò)機(jī)工程來(lái)滿(mǎn)足日益增加的水運(yùn)量需求[1],因此需研究電站擴(kuò)機(jī)工程布置對(duì)原有船閘通航的影響。筆者以湘江近尾洲樞紐船閘擴(kuò)建工程為例,對(duì)工程前、后通航水流條件進(jìn)行分析比對(duì),以確定擴(kuò)機(jī)工程方案布置對(duì)原有一線(xiàn)船閘上游航道通航水流條件的影響,并對(duì)優(yōu)化方案布置進(jìn)行研究,最終確定較優(yōu)的布置方案。

1 工程概況

近尾洲樞紐位于湘江中游,樞紐通航建筑物目前為500噸級(jí)船閘,未能滿(mǎn)足三級(jí)航道的相關(guān)要求。擴(kuò)機(jī)工程計(jì)劃擴(kuò)建一臺(tái)21 MW機(jī)組,近尾洲樞紐電站擴(kuò)機(jī)工程擬布置于一線(xiàn)船閘右側(cè),位于一、二線(xiàn)船閘之間。電站的布置會(huì)影響原有的通航水流條件[2]。為確保擴(kuò)機(jī)工程的開(kāi)展不會(huì)惡化原有船閘的通航水流條件[3],筆者通過(guò)船模試驗(yàn)進(jìn)行研究、分析,確定電站擴(kuò)機(jī)工程的布置對(duì)原有船閘附近通航水流條件的影響,并對(duì)電站取水口進(jìn)行研究,為今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 船模設(shè)計(jì)與制作

表1 船模與實(shí)船參數(shù)

2.2 船模試驗(yàn)工況分析

結(jié)合特征流量等參數(shù),湘江近尾洲樞紐一線(xiàn)船閘上游航道確定了5個(gè)工況,旨在更加準(zhǔn)確地分析一線(xiàn)船閘在各級(jí)流量工況下的通航水流條件。各流量工況以及其運(yùn)行方式見(jiàn)表2。國(guó)內(nèi)研究者已對(duì)船模航行過(guò)程中參數(shù)極限值做了限定標(biāo)準(zhǔn):最大舵角Rmax≤25°、最小航速Vmin≥0.4 m/s。當(dāng)相關(guān)參數(shù)不滿(mǎn)足要求時(shí),則認(rèn)為航道不安全[6]。這是因?yàn)榇笆褂脻M(mǎn)舵才能規(guī)避危險(xiǎn),說(shuō)明船舶已處于發(fā)生事故的臨界狀態(tài)。對(duì)于航速,航速越低,船舶舵效就越差,只有在船模最小航速Vmin>0.4 m/s(實(shí)船的航速達(dá)到14.4 km/h)時(shí),其舵效才能滿(mǎn)足規(guī)范。

3 擴(kuò)機(jī)工程對(duì)原船閘水流條件影響

3.1 工程前一線(xiàn)船閘上游通航試驗(yàn)

3.1.1 工程布置

一線(xiàn)船閘為已建船閘,航槽擬設(shè)計(jì)寬度為60 m,最小彎曲半徑為480 m。上游航槽靠右岸布置,一線(xiàn)船閘上游航道口門(mén)區(qū)寬為55 m,長(zhǎng)為200 m。

3.1.2 工程前通航水流條件

為保證船舶安全順利通過(guò)船閘,航道內(nèi)的縱橫流應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求且沒(méi)有復(fù)雜流態(tài)[7],否則會(huì)使船舶產(chǎn)生橫漂,影響通航[8]。工程前一線(xiàn)船閘上游航道特征流速見(jiàn)圖1。由圖1可知,引航道內(nèi)縱、橫、回流均滿(mǎn)足規(guī)范要求,可安全通航。口門(mén)區(qū)內(nèi),Q=6 653 m3/s時(shí),縱流Vy、橫流Vx、回流Vr最大值分別為1.51、0.26、0.02 m/s,滿(mǎn)足規(guī)范要求;Q=7 672 m3/s時(shí),橫流最大值為0.47 m/s,不滿(mǎn)足規(guī)范要求,通航條件較差;Q=11 834 m3/s時(shí),橫、縱流均超標(biāo),不滿(mǎn)足規(guī)范要求,通航困難。上游口門(mén)區(qū)及連接段特征流速均隨流量增大而增大,總體通航條件較好。由此可見(jiàn),工程前一線(xiàn)船閘上游航道最大通航流量為6 653 m3/s。

圖1 工程前一線(xiàn)船閘上游航道最大特征流速

3.1.3 工程前船模試驗(yàn)主要結(jié)論

船舶在航行時(shí)的最大舵角和最大漂角與流量大小有密切聯(lián)系,這就意味著流量越大,船舶航行危險(xiǎn)系數(shù)越高。

1)船舶上行,Q<8 200 m3/s時(shí),船舶最大舵角、漂角分別為23.43°、21.37°,此時(shí)上行的船舶可以安全通航。當(dāng)Q=8 200 m3/s(閘門(mén)集中開(kāi)啟)時(shí),最大舵角為23.43°,臨近安全限值,船舶操縱難度較大,需謹(jǐn)慎駕駛。當(dāng)Q>8 200 m3/s時(shí),口門(mén)區(qū)縱橫向流速已不滿(mǎn)足規(guī)范要求,船舶通航安全系數(shù)大幅降低。

2)船舶下行,Q<8 200 m3/s時(shí),船舶最大舵角、漂角分別為23.46°、18.47°,在此流量范圍內(nèi),下行船舶可滿(mǎn)足1 000 t自航貨船的通航要求。在Q=8 200 m3/s 時(shí),最大舵角已達(dá)23.46°,臨近安全限值,需謹(jǐn)慎駕駛。當(dāng)Q=12 300 m3/s時(shí),船舶最大舵角、漂角均達(dá)到29.83°,不能保證自航貨船的航行安全。

3.2 原設(shè)計(jì)方案一線(xiàn)船閘上游通航試驗(yàn)

3.2.1 方案布置

近尾洲樞紐電站擴(kuò)機(jī)工程擬布置于一線(xiàn)船閘右側(cè),中心線(xiàn)與一線(xiàn)船閘中心線(xiàn)距離為60.3 m,擴(kuò)建一臺(tái)21 MW機(jī)組,夾于一線(xiàn)船閘與擴(kuò)建船閘之間。

上游引水渠取水口位于一線(xiàn)船閘上游口門(mén)區(qū)約85 m處,軸線(xiàn)與航槽斜交,有明顯搶位現(xiàn)象。引水渠進(jìn)口底寬為27 m,底高程為62 m。原方案布置見(jiàn)圖2。

圖2 原方案船閘布置

3.2.2 原設(shè)計(jì)方案水流條件

一線(xiàn)船閘上游口門(mén)區(qū)存在較強(qiáng)橫流與回流,一線(xiàn)船閘上游航道最大特征流速見(jiàn)圖3。引航道內(nèi)縱流、橫流、回流最大值分別為0.3、0.25、0.17 m/s。當(dāng)Q=6 963 m3/s時(shí),橫流為0.25 m/s,小幅超出限值;其它流量時(shí),縱流、橫流、回流均未超標(biāo),基本滿(mǎn)足要求。口門(mén)區(qū)內(nèi)各級(jí)流量工況下橫流均超標(biāo);在Q=373 m3/s時(shí),縱流為2.5 m/s;回流較小。連接段在Q≤7 672 m3/s時(shí),最大縱流為1.81 m/s時(shí),不超標(biāo);最大橫流為0.36 m/s時(shí),超標(biāo)甚微,無(wú)回流,通航條件較好。Q=11 834 m3/s時(shí),最大縱流、橫流分別為 2.33、0.46 m/s,沒(méi)有回流,整體上超標(biāo)不大,基本滿(mǎn)足通航條件。

圖3 原方案一線(xiàn)船閘上游航道最大特征流速

3.2.3 原設(shè)計(jì)方案船模試驗(yàn)主要結(jié)論

工程前與原方案船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

由圖1、圖3、表3可看出擴(kuò)機(jī)工程對(duì)原一線(xiàn)船閘上游航道的影響如下:

1)與工程前相比,原方案引航道內(nèi)的縱流最大值由0.13 m/s增加至0.30 m/s;橫流最大值由0.05 m/s增加至0.25 m/s;回流最大值變化不大。口門(mén)區(qū)的縱流最大值與工程前相比變化不大。各流量下橫流最大值均有不同程度超標(biāo),其中在Q=373 m3/s時(shí),橫流最大值達(dá)到1.40 m/s,明顯超標(biāo),通航困難;在Q=11 834 m3/s時(shí),連接段的縱流最大值由工程前的2.46 m/s下降至2.33 m/s,滿(mǎn)足規(guī)范數(shù)值,橫流最大值由0.54 m/s下降為0.46 m/s,但仍未滿(mǎn)足規(guī)范要求,通航依舊困難。擴(kuò)機(jī)工程原布置方案使得上游航道特征流速有所上升,對(duì)于船舶的通航存在不利影響。

2)相對(duì)于工程前,除最大流量工況Q=12 300 m3/s外,船舶最大舵角均有不同程度增加,在Q=373 m3/s時(shí),上、下行的最大舵角分別達(dá)到了30.88°、31.40°,超出安全限值。通過(guò)對(duì)船模航行試驗(yàn)成果以及航道水流條件的分析可知,一線(xiàn)船閘上游航道若按原方案布置,船舶難以通航。因此須對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 方案優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 一線(xiàn)船閘優(yōu)化思路

一線(xiàn)船閘上游航道的優(yōu)化主要是針對(duì)擴(kuò)機(jī)引水渠,其具體優(yōu)化布置見(jiàn)圖4。有以下3種可行的措施:

圖4 修改方案布置

1)減小擴(kuò)機(jī)引水渠與一線(xiàn)船閘航槽的夾角,繼而減小流速的橫向分量,以緩解橫流超標(biāo)的情況。

2)通過(guò)增加擴(kuò)機(jī)引水渠與船閘口門(mén)區(qū)間距的方式減弱與口門(mén)航槽的交叉。

3)擴(kuò)寬、增深引水渠,以減小擴(kuò)機(jī)引水流速。當(dāng)擴(kuò)機(jī)引水口采用渠寬為42 m、底部高程為58 m的矩形渠道時(shí),能形成寬L=155～160 m的引水前沿。

4.2 擴(kuò)機(jī)引水渠優(yōu)化試驗(yàn)

為使一線(xiàn)船閘上游航道口門(mén)區(qū)橫流滿(mǎn)足規(guī)范要求,可通過(guò)試驗(yàn)選取一種最優(yōu)的擴(kuò)機(jī)引水渠的布置方式。擴(kuò)機(jī)引水渠優(yōu)化試驗(yàn)根據(jù)渠底高程等設(shè)置了9個(gè)工況。具體工況布置見(jiàn)表4。

各工況最大橫流沿程變化見(jiàn)圖5。由圖5可知,在Q=373 m3/s時(shí)各工況橫流最大值為0.65～0.87 m/s,超標(biāo)明顯,其中工況9橫流最小,最大橫流為0.65 m/s;Q=1 393 m3/s時(shí)各工況橫流最大值均出現(xiàn)在相同位置,其值降為0.37～0.50 m/s,均有一定超標(biāo),其中工況9橫流最小,為0.37 m/s,略超規(guī)范。因此,雖然工況9在Q=373 m3/s時(shí)橫流超標(biāo)明顯,但在Q=1 393 m3/s時(shí)超標(biāo)不大,在擴(kuò)機(jī)不單獨(dú)發(fā)電的情況下,橫流基本滿(mǎn)足要求。

圖5 各工況最大橫流沿程變化

4.3 取水口布置優(yōu)化方案

水工建筑物的取水口布置是決定其工作長(zhǎng)期穩(wěn)定與否的重要因素[9],可通過(guò)改善取水口的布置方案,達(dá)到優(yōu)化航道通航水流條件的效果。

1)布設(shè)導(dǎo)流墩是解決船閘口門(mén)區(qū)橫、回流偏大問(wèn)題的常用措施[10]。在航道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩可以減小斜向水流的夾角和橫向流速分量[11],導(dǎo)流墩對(duì)通航水流條件的影響取決于導(dǎo)流墩的布設(shè)角度、個(gè)數(shù)以及間距。導(dǎo)流墩數(shù)量增加、間距縮小后,相鄰導(dǎo)流墩間的局部透水量減少,從而降低橫向水流的影響程度。當(dāng)導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度、數(shù)量相同,相對(duì)間距為1.0時(shí),工程效果最佳;相對(duì)間距和導(dǎo)流墩個(gè)數(shù)相同時(shí),導(dǎo)流墩長(zhǎng)度越長(zhǎng),橫流越大[12]。

2)一般為了使水流平順均勻地進(jìn)入發(fā)電機(jī)組,會(huì)在引航道布設(shè)導(dǎo)墻[13]。在近尾洲水利樞紐優(yōu)化方案中,采用了布設(shè)導(dǎo)墻的方法,即引水渠左邊墻為引航道設(shè)置隔水墻,上段高程根據(jù)自然地形變化,從58 m漸變到67 m;引水渠左邊墻堤頭上、下共約122 m的范圍內(nèi),每隔2 m設(shè)1 m寬溝槽,溝底高程60.85 m。具體導(dǎo)墻優(yōu)化布置見(jiàn)圖6。

4.4 優(yōu)化方案通航試驗(yàn)

4.4.1 優(yōu)化方案通航水流條件

優(yōu)化方案一線(xiàn)船閘上游航道特征流速見(jiàn)圖7。在優(yōu)化方案中上游口門(mén)區(qū)縱、橫、回流最大值分別為2.09、0.91、0.16 m/s。除Q=373 m3/s以外,口門(mén)區(qū)、連接段內(nèi)縱流均隨流量增大而增大,在Q=11 834 m3/s時(shí),縱流值達(dá)到頂峰,小范圍略超限值,對(duì)通航基本無(wú)影響;橫流在Q=373 m3/s和Q≥7 672 m3/s時(shí)超標(biāo)明顯,其余工況基本滿(mǎn)足規(guī)范;各級(jí)流量下回流均滿(mǎn)足要求。

圖7 優(yōu)化方案一線(xiàn)船閘上游航道最大特征流速

連接段內(nèi)縱、橫流最大值分別為1.60、0.24 m/s,無(wú)回流。在Q=11 834 m3/s時(shí),縱流達(dá)到最大值1.60 m/s,略超限值,且范圍較大;Q=7 672 m3/s時(shí)最大橫流為0.32 m/s,超標(biāo)甚微;Q=11 834 m3/s時(shí)最大橫流為0.58 m/s,超標(biāo)明顯,其余工況下均符合規(guī)范。

由此可見(jiàn),在新機(jī)不單獨(dú)發(fā)電的情況下,一線(xiàn)船閘上游口門(mén)區(qū)通航流量為6 963 m3/s,基本恢復(fù)到工程前的狀態(tài)。最不利工況仍為工況5。

4.4.2 優(yōu)化方案船模試驗(yàn)主要結(jié)論

優(yōu)化方案船模試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。在優(yōu)化方案中,船舶航行的最大漂角、最大舵角及平均航速均隨流量增大而增大。在Q=12 300 m3/s時(shí),上、下行最大舵角達(dá)到最大值,分別為29.74°和30.18°,明顯超標(biāo),船舶不能安全行駛;上、下行最大漂角亦達(dá)最大值,分別為33.64°和34.84°。船舶上行時(shí),各工況下的最小航速均符合標(biāo)準(zhǔn),在Q=8 200 m3/s時(shí),上行最大舵角達(dá)到24.54°,需謹(jǐn)慎駕駛;船舶下行時(shí),除Q=12 300 m3/s時(shí)外,最大舵角均滿(mǎn)足安全限值,可以安全通行。

表5 船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

與原方案相比,優(yōu)化方案的船模航行效果整體較優(yōu)。當(dāng)Q<8 200 m3/s時(shí),各流量工況下的平均航速均有所增加,上、下行最大舵角最大值分別從原方案的30.88°和31.40°減小至24.54°和24.90°,極大地改善了船舶通航的安全程度,有效減少事故的發(fā)生。但工程前上游航道船舶通行時(shí)的上、下行最大舵角最大值分別為23.43°和23.46°。由此可見(jiàn),優(yōu)化方案最大舵角略高于工程前。

5 結(jié) 論

1)由于樞紐電站擴(kuò)機(jī)工程擬布置于一、二線(xiàn)船閘之間,且引水渠軸線(xiàn)與航槽斜交,在平面上矛盾較為突出,故會(huì)對(duì)一線(xiàn)船閘上游航道通航水流條件造成影響。不過(guò)在布置方案進(jìn)行優(yōu)化(調(diào)整引水渠走向、移動(dòng)擴(kuò)機(jī)引水渠位置等)后,矛盾得到改善,通航水流條件也基本恢復(fù)到工程前的狀態(tài)。擴(kuò)機(jī)工程優(yōu)化方案基本消除了工程前一線(xiàn)船閘上游引航道中存在的回流狀態(tài)。

2)工程前一線(xiàn)船閘上游引航道內(nèi)縱、橫、回流最大值(各工況綜合考慮)分別為0.13、0.05、0.19 m/s,均滿(mǎn)足規(guī)范要求;原設(shè)計(jì)方案引航道內(nèi)縱、橫、回流最大值分別為0.30、0.25、 0.14 m/s,除Q=6 963 m3/s時(shí)橫流最大值小幅超標(biāo)外,其他流量下特征流速均滿(mǎn)足規(guī)范。縱、橫流最大值分別增加了0.17、0.20 m/s,回流最大值變化不大;在優(yōu)化方案中引航道縱、橫、回流基本被消除。

工程前口門(mén)區(qū)內(nèi)縱、橫、回流最大值(各工況綜合考慮)分別為2.48、0.67、0.09 m/s,縱、橫流超標(biāo);原設(shè)計(jì)方案口門(mén)區(qū)內(nèi)縱、橫、回流最大值分別為 2.49、1.40、0.27 m/s,各流量工況下特征流速均超標(biāo),航行安全不能保證。在優(yōu)化方案中,口門(mén)區(qū)內(nèi)縱、橫流最大值分別為2.26、 0.58 m/s,無(wú)回流,與工程前相比,縱、橫流最大值分別減小0.23、0.82 m/s。

最大通航流量從工程前的6 653 m3/s增加至優(yōu)化方案中的6 963 m3/s。由于航行難度隨流量增加而增加,故最不利工況為工況5(Q=12 300 m3/s)。

3)近尾洲一線(xiàn)船閘上游航道優(yōu)化方案與工程前相同:在Q<8 200 m3/s時(shí)可滿(mǎn)足1 000 t自航貨船通航要求,但在Q=8 200 m3/s時(shí),航行難度較大,應(yīng)謹(jǐn)慎駕駛。與原設(shè)計(jì)方案相比,優(yōu)化方案的船模航行效果整體較優(yōu)。當(dāng)Q<8 200 m3/s時(shí),上、下行最大舵角分別從原設(shè)計(jì)方案的30.88°和31.40°減小至了24.54°和24.90°,極大改善了船舶通航的安全程度,有效減少事故的發(fā)生。但工程前船舶在上游航道通行時(shí)的上、下行最大舵角分別為23.43°和23.46°,由此可見(jiàn),優(yōu)化方案最大舵角要略高于工程前。