水口水電站壩下水位治理工程上引航道水流條件研究

王慶龍，陳野鷹，扈曉雯，彭 凱

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074;2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310014)

0 引言

水口水電站建成后，由于清水下泄和無序采沙，致使壩下河床下切，河道水位逐年下降，當(dāng)電站下泄基荷流量(Q=308 m3/s)時(shí)，壩下水位僅為3.2 m，比設(shè)計(jì)值7.64 m低4.44 m，水位降低造成水口水電站通航建筑物下游門檻水深不足，通航條件惡劣，也嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行［1-3］。水口水電站壩下水位治理工程便是為解決水口水電站樞紐通航建筑物下游門檻水深及電站尾水吸出高度不足而設(shè)置的無閘壅水堰［4］。工程實(shí)施后可抬高枯水期水口電站至壩下水位治理工程河段的水位，滿足通航水深及電站尾水吸出高度要求［5］。

然而壅水堰是無閘溢流壩，壩高較低，當(dāng)水口樞紐下泄流量小時(shí)壩前能呈現(xiàn)水庫水流特征，隨來流量的增加，其水庫特征逐漸消失，溢流壩蛻變成潛壩，水流條件近似天然河道，造成該樞紐的通航水流條件難以滿足通航要求。為解決上述問題，筆者結(jié)合水口水電站壩下水位治理工程水工模型試驗(yàn)，對(duì)上引航道的布置及水流條件進(jìn)行了研究分析，提出水位治理工程優(yōu)化布置方案和改善通航水流條件的技術(shù)方法，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化布置的合理性與技術(shù)方法的正確性。

1 工程概況

閩江水口樞紐壩下水位治理工程位于其壩下游約9.1 km處，工程的主要任務(wù)是滿足通航要求。該工程樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、通航建筑物及護(hù)坡建筑物等組成。泄洪消能建筑物布置在主河床;通航建筑物為雙線船閘，布置在右岸;泄洪消能建筑物與左岸岸坡連接采用護(hù)坡建筑物相連接。樞紐建筑物全長約512 m，其中溢流壩段長約332 m，采用無閘門控制的自由溢流式，剖面型式為WES堰，堰頂高程6.97 m;船閘段長86 m，為整體塢式結(jié)構(gòu)，閘首頂高程為27.0 m;擋水壩段長55.5 m，壩頂高程為 27.0 m。

原設(shè)計(jì)方案的上游外導(dǎo)航墻左側(cè)長180 m，右側(cè)(岸側(cè))長120 m;導(dǎo)航墻至靠船墩170 m間距上無隔流墻;左側(cè)布置10個(gè)獨(dú)立靠船墩，右側(cè)布置15個(gè)獨(dú)立靠船墩，靠船墩尺寸為8 m×10 m，中心間距為 23 m(圖 1)［6］。

圖1 原設(shè)計(jì)方案布置Fig.1 Layout of original design

2 模型概況

根據(jù)工程的規(guī)模與試驗(yàn)的特點(diǎn)，確定模型比尺采用λL=100的正態(tài)模型，模型設(shè)計(jì)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型各項(xiàng)比尺要素為:流速比尺λν=10，流量比尺λQ=100 000，時(shí)間比尺λt=10，河床糙率比尺λn=10。通過驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)河道糙率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得模型達(dá)到了阻力相似的要求。

3 原方案上引航道通航水流條件

試驗(yàn)觀測(cè)了1 530～16 900 m3/s共6級(jí)流量下的上引航道的水流流速及流態(tài)情況，在小流量時(shí)水流條件較好，基本滿足安全通航的要求，但隨流量增大，水流條件變差，船舶通航安全難以保證。

當(dāng)流量較小時(shí)(Q=1 530 m3/s)，壩前水位與工程未實(shí)施相比壅高較多，上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn)、流速小，通航及停泊水流條件均較好。但由于靠船墩和調(diào)順段均無隔流建筑物，隨著上游來流量增大，越來越多的水流由引航道內(nèi)從停泊段和調(diào)順段流入河道，在引航道內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)的斜向流。在Q=2 550 m3/s時(shí)，調(diào)順段水流條件指標(biāo)已超出規(guī)范要求，隨流量的增大其水流條件進(jìn)一步變差。另外，航道內(nèi)有一部分水流透過靠船墩之間的空隙流出航道，流量較大時(shí)，在停泊段局部區(qū)域出現(xiàn)明顯漩渦水流，其范圍隨流量增大而增大，特別是左側(cè)停泊段，停泊條件很差。當(dāng)水口下泄流量Q≥7 000 m3/s時(shí)流速指標(biāo)也超出了規(guī)范要求。

由試驗(yàn)結(jié)果看出，原布置方案中存在的主要問題是調(diào)順段及停泊段的通航水流條件差。由于沒有隔流墻的阻擋，進(jìn)入航道的水流直接從調(diào)順段斜向流出，在調(diào)順段產(chǎn)生了較大的縱橫流和回流，造成調(diào)順段通航水流條件惡劣，即使在較小流量下，其最大縱橫向流速依然超出規(guī)范要求。另外相當(dāng)一部分水流從靠船墩的間隙中流出，在停泊段產(chǎn)生了較大的橫流，又由于靠船墩的擾流作用，使得左側(cè)靠船墩附近區(qū)域在稍大流量時(shí)，水流流態(tài)紊亂、停泊條件差。

4 優(yōu)化方案Ⅰ上引航道試驗(yàn)研究

4.1 優(yōu)化方案Ⅰ上引航道布置

原設(shè)計(jì)方案中上引航道通航的主要限制條件是調(diào)順段水流條件和停泊段的停泊條件，為此優(yōu)化方案Ⅰ在調(diào)順段增設(shè)隔流墻、在停泊段的靠船墩上懸掛隔流板，消除河道水流對(duì)引航道內(nèi)通航的影響。為了減小引航道口門區(qū)橫向流速，靠船墩間的隔流板底端距河底保留一定距離，形成透水孔洞，根據(jù)理論分析計(jì)算，布設(shè)了9個(gè)透水孔，為使引航道內(nèi)水流平穩(wěn)漸進(jìn)變化，沿水流方向透水孔高度逐漸降低(圖2)。

圖2 優(yōu)化方案Ⅰ上引航道布置Fig.2 Layout of upper approach channel in optimization schemeⅠ

4.2 優(yōu)化方案Ⅰ的上引航道通航水流條件

對(duì)通航建筑實(shí)施優(yōu)化后，河道的水流波動(dòng)與流速大小不再影響引航道內(nèi)的通航水流條件;隔流板底部設(shè)置透水孔后，既能減少通航建筑物對(duì)水流的頂托、降低口門區(qū)橫向流速［7］，同時(shí)流入引航道內(nèi)的水流由隔流板底部的透水孔流向河道，又能減少水流對(duì)表面流態(tài)的不利影響，可有效的改善引航道內(nèi)的停泊條件。

通過模型試驗(yàn)看出，對(duì)引航道建筑物設(shè)計(jì)實(shí)施優(yōu)化后，上引航道內(nèi)及口門區(qū)的流速、流態(tài)在相同流量下較原方案有了明顯改善。在流量較小時(shí)，上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn)，調(diào)順段基本為靜水。隨著流量的增大，調(diào)順段并未受較大影響，仍保持了較好的通航水流條件。各級(jí)典型流量下，調(diào)順段水流條件均滿足通航要求。停泊段獨(dú)立靠船墩之間采取增加隔流板的工程措施后，航道內(nèi)的水流透過靠船墩間的底孔流入河道，相比原方案，通過停泊段流出引航道的水流大幅降低，引航道內(nèi)的縱橫流速也隨之減小。同時(shí)大大消除了靠船墩附近的不良流態(tài)，改善引航道的停泊條件，有效地提升通航建筑物的最大通航流量。

表1 優(yōu)化方案Ⅰ與原方案的水流流速對(duì)比Table 1 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand the original program /(m·s－1)

由表1可以看出，優(yōu)化方案Ⅰ調(diào)順段水流條件能滿足通航要求，引航道內(nèi)的停泊段停泊條件亦得到改善，但水口電站下泄流量Q ＞10 000 m3/s后，僅內(nèi)側(cè)(岸側(cè))引航道的停泊條件滿足要求，而且口門區(qū)水流條件也較差。若要保證通航建筑物在最大通航流量Q=16 900 m3/s時(shí)滿足安全通航要求，需采取進(jìn)一步的工程優(yōu)化措施來改善停泊段及口門區(qū)的水流條件。

5 優(yōu)化方案Ⅱ上引航道試驗(yàn)研究

5.1 優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道布置

為改善引航道內(nèi)的水流條件，優(yōu)化方案Ⅱ?qū)⒏袅鲯彀鍙目看涨岸讼蛏嫌窝娱L215 m、透水孔設(shè)置位置亦上移同樣的距離，透水孔的大小與變化規(guī)律同優(yōu)化方案Ⅰ，為降低大流量下口門區(qū)橫向流速的大小，延長段隔流掛板的頂高程降低3 m，由17.00 m降至14.00 m，船閘上引航道其余布置同優(yōu)化方案Ⅰ(圖3)。

5.2 優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道水流條件

模型試驗(yàn)顯示，引航道隔流掛板向上游延伸后，引航道內(nèi)的靜水范圍亦向上游推移約200 m，引航道內(nèi)水流流態(tài)更加平穩(wěn)，在來流量Q≤16 900 m3/s時(shí)，引航道內(nèi)的全部靠船泊位的水流條件均滿足規(guī)范要求。由于隔流建筑物延伸段高程由17.00 m降低至14.00 m，當(dāng)來流量Q ＞ 10 000 m3/s后，部分來流量開始由隔流建筑物頂部溢出流入河道，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對(duì)水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態(tài)。同時(shí)進(jìn)入引航道內(nèi)的水流全部由延伸段隔流掛板的底部透水孔和板頂缺口溢出，停泊段內(nèi)除受上游段水流運(yùn)動(dòng)慣性影響存在回流外，水面基本靜止，水流條件滿足正常停泊要求，具體數(shù)據(jù)見表2。

圖3 優(yōu)化方案Ⅱ上引航道布置Fig.3 Layout of upper approach channel in optimization schemeⅡ

表2 優(yōu)化方案Ⅱ與優(yōu)化方案Ⅰ的流速對(duì)比Table 2 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand Ⅱ /(m·s－1)

6 結(jié)論

1)無閘溢流壩上游引航道水流條件較差，來流量對(duì)安全通航影響明顯，若采用獨(dú)立靠船墩結(jié)構(gòu)，停泊條件難于滿足規(guī)范要求;同時(shí)，在調(diào)順段外側(cè)(河道側(cè))需要設(shè)置隔流建筑物將引航道與河流隔開，否則調(diào)順段的水流紊亂、流態(tài)差、縱橫流速大，當(dāng)上游來流量Q＞7 000 m3/s后其水流條件不符合安全通航要求。

2)通過調(diào)順段增設(shè)隔流墻和靠船墩上掛隔流板，可使引航道調(diào)順段與河道主流之間隔開，減少水流進(jìn)入引航道，降低其縱橫流速，改善停泊條件，有利于船舶安全停泊。設(shè)置于隔流掛板底部的透水孔，能夠弱化通航建筑物對(duì)來流的阻礙作用，減小口門區(qū)橫流流速，增強(qiáng)船舶進(jìn)出閘的安全性，優(yōu)化方案Ⅰ實(shí)施后可抬高最大通航流量至Q=10 000 m3/s。筆者在靠船墩上掛隔流板的方法，不僅能有效地改善引航道的通航條件，而且造價(jià)低廉，施工簡單高效，在同類工程具有廣泛的應(yīng)用前景。

3)延長上游引航道隔流板(墻)是改善無閘溢流壩上游引航道停泊水流條件的有效方法，通過延長隔流板，可使停泊段遠(yuǎn)離口門區(qū)，受來流慣性作用的水流也很難到達(dá)此處，明顯地改善了停泊水流條件。降低口門區(qū)段隔流板高度的方法，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對(duì)水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態(tài)，通過優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案后，壩下水位治理工程上游引航道的安全通航流量可提高至Q=16 900 m3/s，滿足了該河段的通航要求。

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