河床取料對樞紐通航水流條件的影響

李茜希，韓昌海，李艷富，楊 宇

(1.南京水利科學研究院 交通運輸部通航建筑物建設技術行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029;2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

水利水電工程砂石料場的類型分為巖石料場和天然砂石料場，而天然砂石料場又包括陸地料場、河灘料場和河床料場。砂石料場的選擇和布置在施工中發(fā)揮極為關鍵的作用，與工程的質量、投資及工期有直接關系［1］。瀾滄江橄欖壩樞紐附近河床天然礫石具有抗剪強度高，壓縮性強等特點，開采工藝要求不高，且運輸方便，是很好的筑壩材料，因此確定河床料場是橄欖壩樞紐最佳料場。河床取料場可導致河床地質、水文情況發(fā)生很大變化，取料場上游可能會出現(xiàn)跌水曲線，因此，通過模型分析取料場對通航條件影響具有重要意義。本文基于SMS軟件的數值模擬方法，對上下游河床有無采料場的水流流場進行模擬，并通過1∶50比尺的整體物理模型試驗對數學模型進行驗證，分析采料場對水流流場和樞紐通航水流條件的影響。

1 工程概況

橄欖壩梯級電站是瀾滄江中下游水電規(guī)劃兩庫八級中的第七級，壩址控制流域面積約15.18萬km2，多年平均流量1870m3/s。工程采用河床式開發(fā)，由攔河壩、泄水建筑物、電站廠房、船閘及過魚建筑物組成，最大壩高60.5m，壩頂高程▽558 m，壩頂總長458 m，樞紐建筑物按“一”字型布置，為Ⅱ等大(2)型工程。通航建筑物為單線單級船閘，船閘級別Ⅳ級，布置在右岸，上游引航道主導航墻長約250m，下游引航道主導航墻長約323m。設計最大通航流量8640m3/s，最小通航流量504 m3/s。樞紐上下游取料場沿河道左岸布置為不規(guī)則多邊形。上游采料場最大寬度97m，長500m，開挖面積70500m2，開挖深度15m，距上游引航道最短距離100m;下游采料場最大寬度150m，長870m，開挖面積106300m2，開挖深度15m，距下游引航道最短距離33m，如圖1所示。

圖1 橄欖壩樞紐及取料坑布置Fig.1 General layout of Ganlanba hydropower complex

2 基于SMS軟件的數值模擬方法

本次工程所在區(qū)域流場計算采用SMS中的RMA2模塊。RMA2為平面二維有限元水動力分析模型，該模塊是計算非恒定流、恒定流條件下水位和二維流速的通用模塊。RMA2模塊是以雷諾形式Navier-Stokes方程為基礎，以加權余量伽遼金有限元為基本求解方法［2］，計算出整個研究區(qū)域的水位，流量及二維流速。其基本控制方程采用沿水深積分的二維連續(xù)方程和動量，形式如下［3－4］:

連續(xù)方程:

x，y方向動量方程:

式中:h為水深;u，v分別為x，y方向流速;g為重力加速度;ρ為水的密度;E為渦黏系數;z為河床高程;n為曼寧系數;ζ為風應力系數;Vα為風速;ψ為風向;ω為地球自轉角速度;φ為緯度。

根據所研究問題確定模型為樞紐壩址上下游局部模型，上、下游模擬長度應包括壩址石料場開采范圍，不影響工作段流態(tài)和上、下游引航道口門區(qū)流態(tài)的范圍，最終確定上游模型范圍為從壩軸線以上1.0km，下游模型范圍為從壩軸線以下1.5km。上、下游計算網格如圖2所示。橄欖壩樞紐的入流和出流邊界為開邊界，陸地邊界為閉邊界，出口邊界條件由天然情況下壩址處水位流量關系確定。

圖2 模型計算網格Fig.2 Calculation grids of a tidal current model

3 模型驗證

水動力數學模型能否準確反映水流的各項特性，主要取決于該數學模型所得的水位和流速與實測數據是否吻合。水位驗證采用流量4870和8640m3/s兩個工況計算值與物理模型進行比較(表1);而流速驗證將流量8640m3/s上下游采料場均保留時，上游口門區(qū)、距上游口門150m、下游口門區(qū)、距下游口門150m共4個斷面的物理模型(1∶50實測數據)與數學模型(計算數據)相比較(圖3)。其結果表明:計算水位與實測值差別較小，最大誤差為0.06m;大部分計算水面流速與實測值能夠吻合，部分有一定差異，尤其是下游主流流速誤差稍大，這是因為下游入流斷面上給定的是流速均勻分布的邊界條件，與實際流速分布有一定差距［5］，但仍在合理范圍內。因此該數學模型適用于橄欖壩樞紐的水流流場數值模擬。

表1 水位驗證Tab.1 Verification results of water level

圖3 流量8640m3/s流速驗證Fig.3 Verification of velocity for discharge of 8640m3/s

4 取料場對通航水流條件影響分析

通航水流條件主要是指:水流的表面流速、流態(tài)。水流條件影響船舶運動形態(tài)，轉舵、剎車等操作的效果。若表面流速過大，上行船舶(隊)的推力將不能克服逆流阻力而上行;下行船舶(隊)的舵效也難以發(fā)揮，造成船舶操縱困難［6］。開采取料場可能會對通航水流條件產生重大影響。根據船閘設計通航要求，Ⅳ級航道上下游引航道口門區(qū)的流速應滿足:口門區(qū)水流條件控制指標:縱向流速≤2.0m/s，橫向流速≤0.3m/s，回流流速≤0.4 m/s［7］。橄欖壩梯級電站主要承擔反調節(jié)、通航、發(fā)電任務，設計最低通航流量為504 m3/s，最大通航流量為8640m3/s，當來流量超過8640m3/s時，泄水閘閘門敞開泄洪，基本恢復天然行洪，河道不再通航，因此數學模型選用504，2625.5，4870和8640m3/s 4個典型流量進行對比分析。

4.1 上游有無采料場對比分析

圖4對比了流量8640m3/s閘門敞泄情況下上游有無采料場的水流流態(tài)，由圖可知，上游取料場存在與否對主流流向、口門區(qū)回流范圍大小無大的影響。圖5對比了流量8640m3/s閘門敞泄情況下，上游有無采料場時口門附近斷面流速變化規(guī)律，由于取料場的存在使有效過水面積增大，斷面流速會有所降低，但變化幅度不大。

圖4 流量8640m3/s上游流態(tài)Fig.4 Flow fields of 8640m3/s

圖5 流量8640m3/s時上游有無采料場口門附近斷面流速變化Fig.5 Velocity variation of entrance area and nearby area

4.2 下游有無取料坑對比分析

本文對比分析了閘門敞泄時流量504和8640m3/s兩種工況有無取料場時口門附近水面比降，其結果表明:口門區(qū)及其及連接段附近水面比降不大，不同工況有無取料場變化均不明顯，取料場開挖前后口門區(qū)及連接段水面平順，對通航沒有不利影響。

口門區(qū)及連接段位于引航道靜水與河道動水的交界處，受引航道邊界的影響，河道在下口門區(qū)過水斷面拓寬，導致河道水流擴散，形成斜向水流［8］，斜向水流的橫向流速分量過大會使航行船舶(隊)產生橫漂和扭轉，威脅船舶(隊)安全進出引航道，從而造成礙航或斷航［9］，斜流長期沖擊淘蝕河岸，可能會影響河岸邊坡穩(wěn)定。圖6對比了流量504，2615，4870和8640m3/s共4個工況閘門敞泄情況下下游有無采料場的水流流態(tài)。結果表明，無采料場時口門區(qū)出口處斜流偏向右岸，4種流量工況下，最大斜流流速分別約0.6，1.4，2.3 和3.0m/s。

各級流量下有無采料場流速變化情況詳見表2。由于下游采料場都具有較大規(guī)模(最大寬度150m，長度870m，開挖面積106300m2，開挖深度15m)，明顯改變河道的地形條件，降低了部分河床高程，增大了水流有效過水面積，致使整個斷面流速稍有降低，各工況下游口門區(qū)回流范圍有所縮小，橫向流速略微減小。以上由采料場引發(fā)的水流條件變化有利于船舶航行。有采料場時拓寬了主河道水流過水斷面高程，使得水流主流偏向主河道方向，故采料場對水流表現(xiàn)出一定的吸附作用;無采料場各工況下口門區(qū)及其附近水流較為平順，僅在中、大流量(流量4870和8640m3/s)時存在較小范圍的回流，這主要是由下游引航道以及河道右岸邊界條件變化引起的;而有采料場時流量4870和8640m3/s兩個工況在距離口門區(qū)330m左右的河岸右側形成明顯回流，回流位置下移，回流范圍及強度均隨流量的增大而增大，減少了河道右岸的沖刷。這是由于采料場存在時，采料場進口斷面水流發(fā)生局部擴散，會產生水流分離現(xiàn)象。在水流分離面上出現(xiàn)摩擦力，在摩擦力作用下，分離面水體隨主流一起向下游運動，為了填補留下來的空隙，岸邊附近的水體必將流進來補充，由此將主流方向引向主河道而在岸邊附近形成一個封閉的水流系統(tǒng)即回流［10］，此時的回流主要控制因素為采料場的邊界條件。

圖6 各流量下游有無取料場水流流態(tài)Fig.6 Downstream flow fields with and without material excavating field

表2 各級流量下流速對比Tab.2 Comparison of velocities of entrance area under different discharges

5 結語

本文基于流體計算軟件SMS，以橄欖壩樞紐為例，模擬其上下游河道有無采料場所引起的流態(tài)、流速分布變化，結果表明:

(1)有無采料場對上下游口門區(qū)通航水流條件有一定影響，但對上游影響較小，對下游影響較為明顯;其影響主要體現(xiàn)在口門區(qū)流速、流態(tài)變化，而水面比降變化不大。

(2)有無上游采料場對主流流向、口門區(qū)回流范圍大小沒有明顯影響，斷面流速有所降低。

(3)下游采料場對下游口門區(qū)流態(tài)有一定調整作用，具體表現(xiàn)在:使主流向左岸偏離;流量較大時在距離口門區(qū)330m左右的河岸右側形成回流;減小口門區(qū)回流范圍，平順口門區(qū)水流;口門區(qū)橫向流速略微減小，有利于船舶航行。

(4)橄欖壩樞紐河床取料對通航有利，從通航角度考慮此方案可行。

［1］文寧.水利水電工程中砂石料料場優(yōu)化選擇研究［D］.西安:西安理工大學，2003.(WEN Ning.On optimizing selection of the place for sand ＆ stone in project of hydraulics and electric power［D］.Xi’an:Xi’an University of Technology，2003.(in Chinese))

［2］陳春燕，湯子揚，張麗萍.SMS軟件RMA2模塊固邊界的處理研究［J］.水電能源科學，2008，26(5):68-70.(CHEN Chun-yan，TANG Zi-yang，ZHANG Li-pin.Research on internal boundary condition in RMA2module of SMS software［J］.Water Resources and Power，2008，26(5):68-70.(in Chinese))

［3］朱文瑾，羅峰，李瑞杰.日照港二維潮流數值模擬［J］.河海大學學報:自然科學版，2004(32):264-267.(ZHU Wenjin，LUO Feng，LI Rui-jie.Simulation of 2-D tidal current field for Rizhao harbor［J］.Journal of Hohai University(Natural Science)，2004(32):264-267.(in Chinese))

［4］汪德爟.計算水力學理論與應用［M］.南京:河海大學出版社，1989.(WANG De-guan.Computational hydraulics theory and application［M］.Nanjing:Hohai University Press，1989.(in Chinese))

［5］李冰凍，李克峰，李嘉，等.天然河段港口工程三維流場數值模擬［J］.水利水運工程學報，2006(2):24-28.(LI Bingdong，LI Ke-feng，LI Jia，et al.Numerical simulation of 3-D flow for harbor engineering in natural rivers［J］.Hydro-Science and Engineering，2006(2):24-28.(in Chinese))

［6］繆吉倫，張曉明，王召兵.橋梁建設對內河通航條件影響研究［J］.水運工程，2004(9):66-69.(MIAO Ji-lun，ZHANG Xiao-ming，WANG Zhao-bing.Influence of bridge construction on river’s navigation condition［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2004(9):66-69.(in Chinese))

［7］GB 50139—2004 內河通航標準［S］.(GB 50139—2004 Navigation standard of inland waterway［S］.(in Chinese))

［8］黃倫超，李偉，肖政.河岸形態(tài)對低水頭樞紐船閘口門區(qū)水流條件影響研究［J］.水運工程，2006(11):53-57.(HUANG Lun-chao，LI Wei，XIAO Zheng.Influence of different riverside shape on flow condition of low-head hydraulic lock’s outlet area［J］.Port＆ Waterway Engineering，2006(11):53-57.(in Chinese))

［9］陳輝，劉志雄，江耀祖.引航道通航水流條件數值模擬［J］.水利水運工程學報，2012(4):13-18.(CHEN Hui，LIU Zhixiong，JIANG Yao-zu.Numerial simulation of navigation conditions in a shiplock approach channel［J］.Hydro-Science and Engineering，2012(4):13-18.(in Chinese))

［10］朱紅.導流墩改善船閘引航道口門區(qū)水流條件的試驗研究［D］.長沙:長沙理工大學，2006.(ZHU Hong.Tests on improving flow conditions at the entrance of approaching channel by diversion pier［D］.Changsha:Changsha University of Science＆ Technology，2006.(in Chinese))