大渡河沫水航電樞紐工程河工模型試驗(yàn)研究

蔡智清，張緒進(jìn)，謝靈運(yùn)

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

0 引言

擬建的大渡河沫水航電樞紐工程位于四川省樂山市沙灣城區(qū)上游，是大渡河沙灣水電站尾水出口與安谷水電站回水末端之間的一個(gè)梯級(jí)電站。距上游沙灣水電站13 km，距沙灣水電站尾水渠出口約4 km，距下游安谷水電站約13.6 km。該電站以航運(yùn)、發(fā)電為主，兼顧少量企業(yè)供水［1-3］。《四川省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃(2001～2050)》擬定大渡河沙灣至樂山段35 km的航道為Ⅴ級(jí)?，F(xiàn)階段，沙灣水電站發(fā)電尾水至安谷水電站回水末端這一河段水位仍未銜接，約有6 km左右的天然河段，航道等級(jí)尚不能達(dá)到要求。在岷江下游四級(jí)開發(fā)方案(老木孔、東風(fēng)巖、龍溪口及犍為梯級(jí))逐步實(shí)施的前提下，建設(shè)大渡河沫水航電樞紐對(duì)于實(shí)現(xiàn)大渡河下段航道的連續(xù)渠化，確保岷江-大渡河下段航運(yùn)暢通有著十分重要的意義。

本文采用經(jīng)驗(yàn)證滿足相似性要求的整體河工模型進(jìn)行研究［4-8］，獲取工程前后的水流條件，并據(jù)此進(jìn)行研究及分析，對(duì)該航電樞紐設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步完善［9-13］。研究表明，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)后形成的方案基本滿足了大渡河下段航道的連續(xù)渠化需求，起到了改善通航條件的效果，當(dāng)然仍存在一些問題，該方案還需進(jìn)一步的試驗(yàn)加以完善。

1 工程概況

本樞紐工程主要建筑物從左岸至右岸依次布置有安裝間、電站廠房、泄洪沖沙閘(12孔)及右岸船閘，壩頂高程411.2 m，壩線全長414.20 m。由于工程區(qū)對(duì)沫江堰引水工程的影響，在工程樞紐影響范圍內(nèi)對(duì)沫江堰引水渠進(jìn)行改造，改造段由渠道和引水隧洞組成，總長約590 m，其中隧洞段總長約542 m，渠道段總長約48 m。

2 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L9 km，由沙灣水電站尾水渠出口以上400 m處始至沐東壩以下500 m處止，這樣保證了模型上下游調(diào)整過渡段夠長，同時(shí)保證了該試驗(yàn)河段的水流相似性，也充分利用了實(shí)測壩址下游斷面的水位流量關(guān)系，方便對(duì)尾水閘門水位的控制?；谠囼?yàn)場地大小、供水能力等相關(guān)因素的限制，整體河工模型試驗(yàn)的幾何比尺確定為λL=λh=100的正態(tài)模型，其他比尺見表1。通過對(duì)流向、流速分布、水位及水面線變化等方面的驗(yàn)證，結(jié)果表明模型的相似性與相關(guān)規(guī)范的要求相符。

3 工程前水流條件試驗(yàn)及分析

為了對(duì)天然情況下工程河段的水流條件有充分的認(rèn)識(shí)，通過模型對(duì)水庫上游水流量 Q=500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000、4 500、5 000、5 820、7 190、8 940、10 000、12 000 m3/s等水流條件進(jìn)行觀測，對(duì)各級(jí)流量下水位及水面線變化、河道流速分布及流態(tài)特征等水力要素進(jìn)行研究分析。結(jié)合工程河段水位、水面比降，流態(tài)及流速分布來看，受工程河段河勢及地形條件影響，枯水期水淺、局部比降大，中洪水期水流急，工程河段天然情況的通航條件較差。

4 方案試驗(yàn)及分析

4.1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)及分析

設(shè)計(jì)方案布置情況:5孔沖沙閘與7孔泄洪閘之間保留施工縱向圍堰作為隔墻，隔墻長約87 m，頂高程約405.5 m。據(jù)模型試驗(yàn)觀測情況表明:設(shè)計(jì)方案中泄洪閘與沖沙閘之間隔墻較長，高程較高，導(dǎo)致閘壩敞泄時(shí)在隔墻頭部區(qū)域出現(xiàn)明顯的繞流流態(tài)，由于電站敞泄時(shí)近壩區(qū)域流速較大，使靠近隔墻附近的泄洪閘過流不暢，水流下泄不均導(dǎo)致閘壩泄流出現(xiàn)一系列的問題，包括靠近隔墻的泄洪閘泄流能力顯著降低，敞泄時(shí)壩前水位抬升;7孔泄洪閘過流不均引起下游消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)水域，消能效果不佳;隔墻兩側(cè)出現(xiàn)較大水頭差，且流態(tài)較差，易導(dǎo)致隔墻失穩(wěn)，進(jìn)而危及隔墻自身乃至整個(gè)大壩安全等。為此對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)表明:在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上縮短泄洪閘與沖沙閘間的隔墻，一定程度上改善了泄洪閘前閘后流態(tài)，但不能根本消除隔墻頭部的繞流流態(tài)。于是在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上拆除隔墻，同時(shí)對(duì)壩下游河段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚形成改進(jìn)方案。

4.2 改進(jìn)方案試驗(yàn)及分析

4.2.1 工程河段沿程水面線變化情況

(1)正常蓄水位運(yùn)行時(shí)。改進(jìn)方案后水庫蓄水時(shí)，庫區(qū)回水末端位于沙灣水電站尾水渠出口(2號(hào)水尺)附近，工程河段沿程水位及水面線變化情況見圖1。①受水庫壅水影響，水庫蓄水時(shí)庫區(qū)水位較天然情況均有不同程度的提高，流量越小時(shí)水位壅高幅度越大，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時(shí)，壩前壅水約6.04～2.74 m，受水庫壅水影響，庫區(qū)水面比降顯著降低，天然情況下存在的枯水急流淺險(xiǎn)灘大部分被消除。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，Q=500～4 500 m3/s庫區(qū)段水面比降約0.001 8%～0.041 4%，天然情況下大渡河一號(hào)橋附近的陡比降也有明顯的降低，且水面比降變化趨勢也較天然情況有所不同，水面比降隨著流量的增大逐漸增大，最大水面比降出現(xiàn)在Q=4 500 m3/s時(shí)，約0.217 1%。故水庫蓄水運(yùn)行時(shí)庫區(qū)航深加大，水面比降減緩，從航深和水面比降方面看基本可以滿足船舶通航的要求。②大壩下游河段。由于對(duì)近壩段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚，該段河道水位有所降低，最大降幅1.22 m，由于近壩水位降低使得壩下游水面比降較天然情況亦有所降低，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時(shí)，壩下游河道水面比降約0.000 9%～0.073 1%，且由于壩下游進(jìn)行了疏浚，水深較深，故壩下河段航深和水面比降等方面都能滿足船舶的通航需求。

表1 物理模型試驗(yàn)比尺

圖1 工程河段沿程水面線(改進(jìn)方案，正常蓄水位)

(2)全閘敞泄運(yùn)行時(shí)。依據(jù)沫水電站初步設(shè)定的水庫調(diào)度運(yùn)行方式，當(dāng)Q＞4 500 m3/s時(shí)，電站停機(jī)，閘門全部開啟泄洪。對(duì)Q=4 500～12 000 m3/s的庫區(qū)沿程水位及水面線變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在大流量時(shí)樞紐的泄流能力稍有不足，各級(jí)敞泄工況下壩前水位較天然情況時(shí)均有不同程度的抬高，且流量越大，水位抬高幅度越大。當(dāng)Q=4 500～12 000 m3/s時(shí)，壩前壅水約1.05～3.84 m，越往上游壅高幅度越小，回水尖滅點(diǎn)隨流量的變化也各有不同，即流量越大，回水尖滅點(diǎn)逐漸上移。①受庫尾河段開挖疏浚影響，當(dāng)Q≤7 190 m3/s時(shí)，庫尾沙灣尾水附近水流較天然情況反而有所降低，當(dāng)Q=8 940 m3/s時(shí)，沙灣尾水位與天然情況基本相同，隨著流量進(jìn)一步加大，沙灣尾水附近水位有所壅高，最大壅高值約0.22 m。受壩前壅水的影響，庫區(qū)水面比降與天然情況相比有所降低，總體比降均較小，但大渡河一號(hào)橋附近的局部比降較大，當(dāng)Q=4 500～7 190 m3/s時(shí)，該處比降分別為0.276 1%、0.283 3%和0.301 9%，由于工程河段規(guī)劃航道等級(jí)較低，上述流量時(shí)大渡河一號(hào)橋附近比降陡，通航較為困難。②大壩下游河段。由于對(duì)近壩段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚，該段河道水位有所降低，使得壩下游水面比降較天然情況有所降低，這與水庫蓄水時(shí)情況基本一致，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時(shí)，壩下游河道水面比降約0.065 2%～0.127 1%，且由于壩下游進(jìn)行了疏浚，水深較深。故當(dāng)Q≤7 190 m3/s時(shí)的各級(jí)通航流量下航深和水面比降均滿足船舶通航的要求。

圖2 工程河段沿程水面線(改進(jìn)方案，敞泄)

4.2.2 工程河段沿程流速與流態(tài)變化情況

對(duì)改進(jìn)方案后，水庫蓄水發(fā)電和電站停機(jī)全閘敞泄的不同工況進(jìn)行樞紐上下游河段的流速與流態(tài)變化情況監(jiān)測分析。

4.2.2.1 庫區(qū)河道流速與流態(tài)分析

(1)正常蓄水位運(yùn)行時(shí)。依據(jù)設(shè)計(jì)擬定的水庫運(yùn)行方案:當(dāng)Q≤4 500 m3/s時(shí)，水庫按正常蓄水位405.00 m運(yùn)行，經(jīng)試驗(yàn)觀察與分析，結(jié)果表明:因?yàn)閴吻八惶Ц撸畮燠账?，致使水庫回水區(qū)范圍內(nèi)水流較為平緩，流速顯著小于天然情況。①當(dāng)Q≤1 000 m3/s時(shí)，由于來流量較小，庫區(qū)水位壅高幅度較大，整個(gè)庫區(qū)水面均十分平靜，水流平緩。②當(dāng)Q=1 500～2 500 m3/s時(shí)，整個(gè)庫區(qū)河道受水庫壅水影響效應(yīng)仍較明顯，庫區(qū)內(nèi)流速較天然情況降幅明顯，庫區(qū)內(nèi)流速分布較為均勻，基本無不良流態(tài)。③當(dāng)Q=3 000～4 500 m3/s時(shí)，水庫仍蓄水運(yùn)行，而泄洪沖沙閘開始參與泄流，隨著來流量的增大，庫區(qū)流速進(jìn)一步加大，庫區(qū)內(nèi)部分區(qū)段特別是庫尾及大渡河一號(hào)橋附近區(qū)域流速較急，近壩河段由于壅水影響，流速相對(duì)庫尾河段明顯要低，對(duì)比樞紐建成前后，庫區(qū)河段的流速均有不同程度的降低，越靠近壩前其流速所降低的幅度越大。

(2)全閘敞泄運(yùn)行時(shí)。按水庫調(diào)度運(yùn)行方式:當(dāng)Q＞4 500 m3/s時(shí)，泄洪沖沙閘門全部開啟泄洪，研究4 500 m3/s＜Q≤12 000 m3/s下庫區(qū)河道的水流條件。由前述水位變化分析可知，在全閘敞泄的各級(jí)流量情況下，庫區(qū)水位壅高的區(qū)域僅限于壩址附近，壩址以上其他河段沿程水位均略低于天然狀況下的水位，其流速分布與天然狀況下流速基本一致，流速變化主要限于近壩河段。受大渡河河槽狹窄，泄流通道有限的影響，水庫敞泄時(shí)，把上游河段流速均較急，流速隨著流量的增大逐漸增加。當(dāng)Q=5 820 m3/s時(shí)，整個(gè)庫區(qū)河段流速分布較均勻，流速約為3.0～4.5 m/s，其中庫區(qū)上段流速約為3.6～4.5 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.0～4.0 m/s。與天然情況不同的是，由于筑壩導(dǎo)致水位有所抬升，庫內(nèi)流速分布較天然情況均勻一些，庫區(qū)主流無明顯隨主流分布的趨勢。當(dāng)Q=7 190 m3/s時(shí)，庫區(qū)內(nèi)流速分布規(guī)律與Q=5 820 m3/s大致相同，庫區(qū)上段流速約為3.6～4.8 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.2～4.2 m/s;當(dāng)Q=10 000 m3/s時(shí)，庫區(qū)上段流速約為4.2～5.5 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.8～5.5 m/s;當(dāng)Q=12 000 m3/s時(shí)，庫區(qū)上段流速約為4.5～5.7 m/s，庫區(qū)下段流速約為4.3～5.5 m/s。

4.2.2.2 下游河道流速與流態(tài)分析

(1)正常蓄水位運(yùn)行時(shí)。當(dāng)Q≤2 500 m3/s時(shí)，上游水流量均用于發(fā)電，泄洪沖砂閘關(guān)閉，通過對(duì)實(shí)測資料的研究與分析可知，當(dāng)流量較小時(shí)，壩下游河段水面比降、流速平緩，伴隨著流量的變大，自電站尾水渠下泄的水流流速較為集中，流速亦隨之逐漸變大，與電站異岸布置的船閘口門區(qū)內(nèi)基本為回流所覆蓋。當(dāng)3 000≤Q≤4 500 m3/s時(shí)，電站滿發(fā)，富余出來的流量經(jīng)泄洪沖砂閘下泄，實(shí)測資料表明，隨著下泄流量的增大，壩下游河段流速也增大，主流區(qū)的分布與天然情況大致相同，仍基本隨深泓布置，彎道掃彎水明顯，下游引航道口門區(qū)全部為回流所覆蓋，且回流強(qiáng)度較大。

(2)全閘敞泄運(yùn)行時(shí)。當(dāng)Q＞4 500 m3/s時(shí)，全閘敞泄，電站停機(jī)，對(duì)Q=4 500～12 000 m3/s等6級(jí)流量進(jìn)行了實(shí)測，獲取了下游河道內(nèi)的流速分布并分析，可知當(dāng)上游水流量增大時(shí)流速亦隨之增大。敞泄時(shí)，樞紐上下游的水位差較小，壩下消力池內(nèi)及下游水深較大，出池水流比較為平緩，流速分布較為均勻。下游河道流速與天然情況流速，二者的流速分布情況基本上一致。當(dāng) Q=5 820、7 190、8 940、10 000、1 200 m3/s時(shí)，隨著下泄流量的增大，壩下游河段流速顯著增大，主流區(qū)的分布與天然情況大致相同，基本隨深泓布置。上述5級(jí)流量下，消力池出口下游CS45斷面最大流速分別為3.49、4.21、4.82、5.10、4.95 m/s，CS50斷面最大流速分別為3.60、5.06、5.73、6.36、6.94 m/s，而后主流隨河道轉(zhuǎn)彎向右偏轉(zhuǎn)，至沫若廣場附近(CS54斷面)最大流速分別為4.49、4.73、5.51、5.96、6.66 m/s，彩虹橋附近最大流速分別為4.42、4.54、5.71、6.49、6.80 m/s，主流緊靠右岸，CS65斷面最大流速分別為3.72、4.21、5.27、6.17、6.63 m/s。

5 結(jié)語

天然情況下，沫水航電樞紐工程河段受大渡河河勢及水勢條件的影響，水陡流急，枯水期急流灘險(xiǎn)礙航，中洪水期則水流較急不宜通航，總體通航條件較差。在沫水航電樞紐改進(jìn)方案實(shí)施后，工程河段水流條件得到了一定程度的改善，船舶可安全進(jìn)出上游引航道的最高通航流量基本可以達(dá)到Q=4 500 m3/s(電站發(fā)電，水庫蓄水)。壩下游河段，由于受到河床地形條件及樞紐調(diào)度運(yùn)行方式的影響，該方案下船閘下引航道除Q＜1 000 m3/s的小流量時(shí)能滿足船舶安全通航要求，其余流量級(jí)均不滿足規(guī)范要求。

綜合上述試驗(yàn)基本情況對(duì)改進(jìn)方案存在的問題總結(jié)如下:

(1)實(shí)測各級(jí)敞泄工況下泄流能力略顯不足，需要采取一定的措施適當(dāng)增加樞紐泄流能力，并復(fù)核庫區(qū)沙灣城區(qū)防洪堤高程。

(2)應(yīng)該再進(jìn)行更深程度的優(yōu)化與調(diào)整，進(jìn)一步改善下引航道口門區(qū)的通航條件。

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