電站泄流對(duì)烏江渡碼頭河段航行影響改善研究

劉 臣，于可忱

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.天津市交通建筑設(shè)計(jì)院，天津 300381)

烏江是長(zhǎng)江上游右岸最大的支流，全長(zhǎng)1 037 km，總落差2 124 m。烏江渡下游興建構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水等梯級(jí)電站樞紐后，烏江干流已基本全線通航，成為國(guó)家高等級(jí)航道。然而，作為烏江渡水電站下游第一港烏江渡碼頭，由于烏江渡電站的非恒定泄流，特別是下泄水流由小快速增大的調(diào)度過(guò)程，在下游河道形成泄水波，當(dāng)泄水波波鋒到達(dá)時(shí)，碼頭河段水面比降、流速快速增加，影響了船舶的正常進(jìn)港靠泊，進(jìn)而影響了烏江航運(yùn)整體效益的發(fā)揮。

圖1 烏江渡河道平面示意圖Fig.1 Sketch of Wujiangdu reach

影響河道通航的水流條件為航道處的水深、流速、比降及其組合。樞紐下游航道受上游樞紐突然加大泄流調(diào)度影響問(wèn)題復(fù)雜，以往數(shù)值模擬多采用一維數(shù)學(xué)模型[1-3]計(jì)算河段斷面平均的水流條件，研究成果基本采用河道沿程平均最大附加流速、附加比降宏觀描述非恒定流傳遞對(duì)原始水流的影響。實(shí)際上河道水流因子在平面上為二維分布，在同一橫斷面上不同位置水深、流速(包括大小和方向)、比降并不一致，即只有航道處的水深、流速、比降及其組合才能確切反應(yīng)該河段通航水流條件；相對(duì)流量變化過(guò)程而言，電站泄流不是漸變的，而是快速產(chǎn)生的，具有突發(fā)性、快速性特點(diǎn)；對(duì)于固定河段，在河道槽蓄作用下，當(dāng)電站突發(fā)泄流到達(dá)后，水位變率、流速、比降基本表現(xiàn)為“前期快速增大、中期逐漸減小、后期逐漸穩(wěn)定”的變化規(guī)律。

本研究針對(duì)烏江渡電站泄流特點(diǎn)和電站泄流形成的泄水波傳遞規(guī)律，采用二維非恒定流數(shù)學(xué)模型[4]計(jì)算航道處水深、流速和比降，結(jié)合航行阻力理論，詳細(xì)分析烏江渡水電站泄流對(duì)烏江渡碼頭通航水流條件的影響過(guò)程，并提出了具體改善措施。模型對(duì)恒定流水位、流速和非恒定流水位傳遞變化進(jìn)行了驗(yàn)證[5]，驗(yàn)證成果符合相關(guān)規(guī)程[6]要求。

1 船舶上行能力

船舶上行能力由船舶自身動(dòng)力和航行阻力組成[7-8]，當(dāng)船舶自身動(dòng)力大于航行阻力時(shí)，船舶可正常上行和靠泊。

1.1 航行阻力

船舶上行阻力由船舶上行過(guò)程中受到的水流對(duì)船舶的阻力和由于水面存在比降而形成的與航向相反的自重分力組成，水流對(duì)船舶的阻力又包括水流對(duì)船舶的摩阻力和動(dòng)水壓阻力。

(1)自重阻力RJ

船舶在存在水面比降的水體中運(yùn)動(dòng)，自重在與航向相反的方向形成自重分力產(chǎn)生。

RJ=βWJ

(1)

式中：W為船隊(duì)排水量，kg；J為水面比降，取船隊(duì)長(zhǎng)度范圍內(nèi)平均值；β為比降修正系數(shù)。

(2)水流阻力Rf

機(jī)動(dòng)船水流阻力

RD=fSV1.83+ξ1δAmV1.7+4Fr

(2)

駁船水流阻力

RB=fSV1.83+ξ2δAmV1.7+0.03V

(3)

式中：右側(cè)第一項(xiàng)為水流對(duì)船舶的摩阻力，右側(cè)第二項(xiàng)為水流對(duì)船舶的動(dòng)水壓阻力。f為摩阻系數(shù)；V為船相對(duì)于水的速度，V=ηVS+VB，其中VS為水流表面流速；VB為船舶對(duì)岸航速，η為流速修正系數(shù)；S為船舶浸水面積,m2；δ為船舶方形系數(shù)；Am為船舶浸水中橫剖面面積,m2；ξ1為機(jī)動(dòng)船剩余阻力系數(shù)，ξ2為駁船剩余阻力系數(shù)。

(3)航行阻力

(4)

式中：σ為駁船編隊(duì)系數(shù)；n為駁船數(shù)。

圖2 烏江渡碼頭船舶上行能力曲線Fig.2 Upstream capability curve in Wujiangdu Port

1.2 機(jī)動(dòng)船有效推力

船舶有效推力，是船舶在航行時(shí)抵御阻力的能力，采用下面公式計(jì)算

T0=75eHp/V

(5)

式中：T0為有效推力；Hp為主機(jī)總功率;e為有效推力系數(shù)，船舶設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)給出；V為船相對(duì)于水的速度。

1.3 船舶上行能力

上述分析表明，船舶阻力基本為流速V和比降J的參數(shù)，當(dāng)R(V，J)≤T0時(shí)，船舶可自航上行。對(duì)于固定T0，V、J可以有無(wú)數(shù)組組合，本文將無(wú)數(shù)組允許流速和允許比降點(diǎn)繪成的曲線稱為船舶上行能力曲線。烏江渡碼頭代表船型滿載上行能力曲線見(jiàn)圖2，若航道內(nèi)的表面流速和局部水面比降所構(gòu)成的繪點(diǎn)位于該曲線的左下方，則船舶可自航上行。

圖3 烏江渡碼頭平面布置Fig.3 Plane layout of Wujiangdu Port

2 泄流影響研究

烏江渡碼頭位于烏江渡和構(gòu)皮灘樞紐之間，為構(gòu)皮灘樞紐變動(dòng)回水區(qū)末端，上距烏江渡樞紐4 km。兩岸為高山丘陵，河段內(nèi)河床主要為基巖、礁石、大卵石，局部存在小卵石和粗沙，枯水河寬50～120 m，碼頭長(zhǎng)度為234.80 m、港池設(shè)計(jì)水深為2.00 m，航道尺度為1.6 m×30 m×330 m(航深×航寬×曲率半徑)，烏江渡碼頭平面布置見(jiàn)圖3。

2.1 恒定流航行條件

根據(jù)電站實(shí)際泄流資料和航道設(shè)計(jì)需求，研究計(jì)算了6級(jí)流量。由于港區(qū)港池和航道開(kāi)挖寬度大于下游航道開(kāi)挖寬度，使得港區(qū)流速、比降最大部位均出現(xiàn)在港池下部航道銜接段，各級(jí)流量港區(qū)最大流速與比降計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 港區(qū)各級(jí)流量下最大流速與比降Tab.1 Maximum velocity of flow and slope in Wujiangdu Port

(1)比降。流量由112 m3/s上升到924 m3/s時(shí)逐漸減小，其中，最低通航設(shè)計(jì)流量(112 m3/s)時(shí)為3.29‰，2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量(480 m3/s)時(shí)為1.11‰，流量在924 m3/s時(shí)為0.61‰；流量大于2 000 m3/s后較為穩(wěn)定，基本在1.00‰左右。

(2)流速。流量由112 m3/s上升到924 m3/s時(shí)逐漸減小，其中流量112 m3/s時(shí)為2.83 m/s，流量480 m3/s時(shí)為2.40 m/s，流量924 m3/s時(shí)為1.59 m/s；流量由924 m3/s上升到7 660 m3/s時(shí)具有逐漸增加趨勢(shì)，其中流量7 660 m3/s時(shí)增加為2.22 m/s。

圖4 烏江渡碼頭船舶上行能力與水流條件關(guān)系Fig.4 Relation of ship upstream capacity and flow condition in Wujiangdu Port

將表1中流速、比降資料繪入圖2得到在恒定流條件下船舶上行能力與水流條件關(guān)系(圖4)，由圖4可見(jiàn)，流量112 m3/s時(shí)比降為3.02‰、流速為2.83 m/s，繪點(diǎn)處于能力曲線右上方，其余流量繪點(diǎn)均位于能力曲線左下方。表明恒定流條件下，在最小通航流量時(shí)船舶自航上行困難。

2.2 非恒定泄流影響

烏江渡樞紐電站為3機(jī)組發(fā)電[9]，單機(jī)組滿發(fā)流量240 m3/s、雙機(jī)組滿發(fā)流量480 m3/s、三機(jī)組滿發(fā)流量720 m3/s。根據(jù)2008～2010年烏江渡樞紐典型泄流調(diào)度情況，選流量由112 m3/s(最低通航流量)突然增加到720 m3/s(3臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量)和由480 m3/s(2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量)突然增加到924 m3/s(中洪水流量)兩種典型非恒定流泄流過(guò)程，對(duì)通航水流條件影響進(jìn)行研究。

2.2.1 泄水量由112 m3/s突然增加到720 m3/s

流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s，相當(dāng)于在最低設(shè)計(jì)流量時(shí)，電站三臺(tái)機(jī)組突然同時(shí)滿發(fā)泄流，流量增加約610 m3/s，720 m3/s相當(dāng)于112 m3/s的6.5倍。

(1)水流條件。流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s時(shí)烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線見(jiàn)圖5。泄水波到后第5分鐘水位開(kāi)始快速抬高，第30分鐘后水位漲幅開(kāi)始減緩，具體變化特征如下。

圖5 流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線Fig.5 Curve of flow condition duration variation discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s in Wujiangdu Port

泄水波到來(lái)后30分鐘水位上升了2.84 m，其中第10分鐘水位上升最快，達(dá)到1.72 m/600 s，第20分鐘次之，但水位上升速率亦達(dá)到1.36 m/600 s。之后，水位上升速度逐漸減緩，其中第120分鐘時(shí)水位上升速率僅為0.07 m/600 s，120分鐘水位共抬高3.68 m。

碼頭下游航道銜接段最大流速和比降變化與水位變化對(duì)應(yīng)。泄水波到達(dá)前河段比降為3.43‰、航道最大流速為2.83 m/s；泄水波到達(dá)后比降、流速快速增加，其中第10分鐘比降達(dá)到最大，比降、流速分別為7.84‰、3.92 m/s，第20分鐘流速達(dá)到最大，比降、流速分別為5.73‰、4.12 m/s；第20分鐘后比降、流速逐漸減小，至120 min時(shí)比降、流速分別減小到1.21‰、2.60 m/s。

圖6 流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s烏江渡碼頭船舶上行能力與水流條件關(guān)系Fig.6 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s in Wujiangdu Port

(2)船舶上行能力。將泄水波波鋒到后河段不同時(shí)刻流速、比降對(duì)應(yīng)繪入圖2得到船舶上行能力與水流條件關(guān)系(圖6)。泄水波到達(dá)前(0:00)河段對(duì)應(yīng)比降、流速分別為3.29‰、2.83 m/s，點(diǎn)位基本位于船舶上行能力曲線外切點(diǎn)，泄水波到達(dá)后第5～60 min點(diǎn)位于能力曲線右上方，其中，第10分鐘對(duì)應(yīng)比降、流速分別為7.84‰、3.92 m/s，第20分鐘對(duì)應(yīng)比降、流速分別為5.73‰、4.12 m/s，繪點(diǎn)遠(yuǎn)偏離能力曲線，船舶上行困難；當(dāng)傳遞時(shí)間大于60 min后，繪點(diǎn)基本回到能力曲線左下方，船舶可正常自航上行。

2.2.2 泄水量由480 m3/s突然增加到924 m3/s

流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s，流量增加約440 m3/s，相當(dāng)于電站雙機(jī)組發(fā)電時(shí)遇到中洪水。

(1)水流條件。圖7為流量由480 m3/s突然增到924 m3/s烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線。泄水波到后第5分鐘水位開(kāi)始快速上升，第30分鐘后水位漲幅開(kāi)始減緩，具體變化特征如下。

圖7 流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線Fig.7 Curve of flow condition duration variation discharge from 480 m3/s suddenly increased to 924 m3/s in Wujiangdu Port

泄水波到來(lái)前20分鐘水位上升最快，上升了1.03 m，其中水位上升速率第10分鐘最大為0.76 m/600 s，第5分鐘次之為0.70 m/600 s，之后水位上升速率逐漸減緩，120分鐘水位共抬高2.17 m。

碼頭下游航道銜接段最大流速和比降變化與水位變化對(duì)應(yīng)。泄水波到達(dá)前比降為1.11‰、航道最大流速為2.40 m/s；泄水波到達(dá)后比降、流速快速增加，其中第10分鐘比降、流速達(dá)到最大，分別為2.41‰、3.06 m/s；第20分鐘后比降、流速逐漸減小，120分鐘時(shí)比降、流速分別減小到0.50‰、2.11 m/s。

(2)船舶上行能力。將泄水波波鋒到后河段不同時(shí)刻流速、比降對(duì)應(yīng)繪入圖2得船舶進(jìn)港能力核查圖8。除泄水波到達(dá)后第10分鐘(比降2.41‰，流速3.06 m/s)點(diǎn)位于能力曲線弧線外“切點(diǎn)”，其余繪點(diǎn)均位于能力曲線左下方，如第30分鐘對(duì)應(yīng)比降、流速分別為1.31‰、2.70 m/s，泄水波傳遞對(duì)船舶自航上行影響有限。

圖8 流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s烏江渡碼頭船舶上行能力與水流條件關(guān)系Fig.8 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 480 m3/s suddenly increased to 924 m3/s in Wujiangdu Port

3 改善措施研究

3.1 改善措施

改善進(jìn)港水流條件主要從“調(diào)整航道布置形式”和“優(yōu)化樞紐泄流調(diào)度方式”兩方面進(jìn)行。

(1)調(diào)整港池下游銜接段航道布置形式。根據(jù)前文(2.1)，恒定流只有在112 m3/s時(shí)航行阻力才略大于船舶推力。圖9為流量112 m3/s時(shí)河段流場(chǎng)，河段出現(xiàn)大流速是由于“港池下游銜接段航道右側(cè)河床局部隆起、且為彎道凸岸，水流被地形導(dǎo)向航中線，形成局部大流速段”。經(jīng)多方案模擬計(jì)算研究，提出優(yōu)化措施為“對(duì)港池下游銜接段航道進(jìn)行理直、拓寬疏挖，達(dá)到平順河段流態(tài)、減小流速”效果。

圖9 港區(qū)下游航槽位置調(diào)整示意圖Fig.9 Sketch of channel adjustment in lower port area

(2)優(yōu)化烏江渡樞紐泄流調(diào)度方式。根據(jù)前文(2.2)，形成礙航泄流調(diào)度為流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s，優(yōu)化改為“初始(112 m3/s)→單機(jī)滿發(fā)(240 m3/s)→雙機(jī)滿發(fā)(490 m3/s)→三機(jī)滿發(fā)(720 m3/s)”三級(jí)調(diào)控，時(shí)間間隔為1 h，達(dá)到“減小泄水波波鋒比降及流速”的效果。

3.2 優(yōu)化效果

3.2.1 水流條件變化

調(diào)整優(yōu)化后烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線見(jiàn)圖10，水位、比降、流速由單峰變?yōu)槿?，比降、流速減小明顯。

圖10 優(yōu)化后流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s烏江渡碼頭水流條件歷時(shí)變化曲線Fig.10 Curve of flow condition duration variation discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s after optimization

(1)泄水波對(duì)水位影響?！俺跏?112 m3/s)→單機(jī)滿發(fā)(240 m3/s)”為第一波，泄水波到后第60 min水位上升了1.0 m，其中水位上升以10～15 min間最快，水位上升速率為0.40 m/600 s，之后60 min時(shí)水位基本穩(wěn)定；“單機(jī)滿發(fā)(240 m3/s)→雙機(jī)滿發(fā)(490 m3/s)”為第二波，泄水波到后第60 min水位上升了1.4 m，其中水位上升以5～10 min間最快，水位上升速率為0.56 m/600 s；“雙機(jī)滿發(fā)(490 m3/s)→三機(jī)滿發(fā)(720 m3/s)”為第三波，泄水波到后第60 min水位上升了1.3 m，其中水位上升以5～10 min間最快，水位上升速率為0.50 m/600 s，之后水位上升速率逐漸降落。水位最大上升速率由單峰的1.72 m/600 s，減小到三峰的0.56 m/600 s。

(2)泄水波對(duì)比降流速影響。泄水波第一波到達(dá)后河段最大比降為2.01‰，對(duì)應(yīng)航道最大流速為2.52 m/s；泄水波第二波到達(dá)后河段最大比降為2.31‰，對(duì)應(yīng)航道最大流速為2.98 m/s；泄水波第三波到達(dá)后河段最大比降為1.81‰，對(duì)應(yīng)航道最大流速為2.82 m/s。河段最大比降與流速由單峰的7.84‰、4.12 m/s，下落到三峰的2.31‰、2.98 m/s。

3.2.2 船舶上行能力變化

優(yōu)化后流量由112 m3/s突然增到720 m3/s時(shí)船舶進(jìn)港能力核查圖見(jiàn)圖11，實(shí)施優(yōu)化措施前，泄水波到達(dá)后第5～60分鐘比降和流速點(diǎn)全部位于能力曲線右上方，采取改善措施后比降和流速繪點(diǎn)已全部處于船舶上行能力曲線左下方，泄水波傳遞已不會(huì)影響船舶自航上行。

圖11 優(yōu)化后流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s烏江渡碼頭船舶上行能力與水流條件關(guān)系Fig.11 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s after optimization

4 結(jié)論

烏江渡碼頭恒定流只有在最低通航流量時(shí)水流阻力才略大于船舶推力，大流量船舶可正常進(jìn)港靠泊；電站泄流引起的泄水波傳遞及其對(duì)航行影響具有下述特征。

(1)電站突發(fā)泄流產(chǎn)生的泄水波到達(dá)后，水位變率、流速、比降歷時(shí)變化基本表現(xiàn)為“前期快速增大、中期逐漸減小、后期逐漸穩(wěn)定”的規(guī)律；

(2)泄水波到后3～30分鐘間水位上升較快，其中5～20分鐘間水位上升最快，30分鐘后水位上升速度逐漸減緩，120分鐘后水面比降趨于穩(wěn)定；

(3)對(duì)于電站雙機(jī)組發(fā)電時(shí)遇到中洪水泄流(大于雙機(jī)組發(fā)電流量)情況，由于起始時(shí)航行水流條件優(yōu)良，泄水波雖然波鋒到達(dá)時(shí)刻流速、比降快速增大，但行船基本可自航上行；

(4)電站泄流由最低通航流量突然增加到三機(jī)組滿發(fā)流量時(shí)，起始時(shí)通航水流條件較差，由于流量變幅大，泄水波波鋒到達(dá)時(shí)刻通航水流條件嚴(yán)重惡化，水流條件已不適合行船自航上行；

(5)采取“對(duì)港池下游銜接段航道進(jìn)行理直、拓寬疏挖整治方法”和“樞紐泄流由單波模式改為延時(shí)多波調(diào)度優(yōu)化模式”的措施，可有效減小泄水波波鋒到達(dá)后比降、流速的增加速度和水位瞬時(shí)上升速率。水位最大上升速率由單峰的1.72 m/600 s下落到0.56 m/600 s；河段最大比降與流速由單峰的7.84‰和4.12 m/s，下落到2.31‰和2.98 m/s。泄水波傳遞過(guò)程中，比降、流速繪點(diǎn)已全部處于船舶上行能力曲線左下方，水流條件已滿足通航要求。

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