向家壩升船機(jī)下游引航道口門區(qū)水力波動(dòng)特性原型觀測(cè)*

胡亞安，安建峰，趙建鈞，王 新

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

天然河道修建水利樞紐后，為滿足通航要求，需要設(shè)置船閘和升船機(jī)等通航建筑物。口門區(qū)位于船閘(升船機(jī))引航道與連接段之間，是過壩船舶進(jìn)出引航道的咽喉[1]。對(duì)于大型水利樞紐下游引航道，口門區(qū)處于引航道靜水水域與河道動(dòng)水的交界區(qū)。受電站日調(diào)節(jié)和樞紐泄洪的影響，通航建筑物下游引航道口門區(qū)水流流態(tài)復(fù)雜，水面波動(dòng)較大，對(duì)船舶安全航行影響較大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)T發(fā)海事[2]。

在我國(guó)多座大型通航樞紐中，通航建筑物引航道口門區(qū)波動(dòng)問題均較為突出。如葛洲壩大江一號(hào)船閘下游引航道口門區(qū)水流受二江泄洪和西壩凸嘴挑流影響，出現(xiàn)較強(qiáng)的涌浪和大范圍的橫向波浪。根據(jù)實(shí)船試航結(jié)果，船舶在該區(qū)域航行時(shí)存在明顯橫搖，垂蕩幅度達(dá)1 m，涌浪對(duì)船舶航行安全存在嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致船閘最大通航流量無法滿足設(shè)計(jì)要求[3]。我國(guó)湖南五強(qiáng)溪船閘在電站調(diào)峰和樞紐泄洪時(shí)，主流頂沖口門區(qū)形成明顯的涌浪和橫流，使得船閘最大通航流量?jī)H能達(dá)到3 920 m3/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)最大通航流量1萬m3/s，嚴(yán)重影響船閘通過能力和通航效率[4]。向家壩樞紐泄洪時(shí)，升船機(jī)下游引航道口門區(qū)水位波動(dòng)較大，橫向波浪作用顯著，船舶在口門區(qū)航行時(shí)，波流運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶橫搖、縱傾和垂蕩運(yùn)動(dòng)影響十分顯著，實(shí)船試航時(shí)工作人員及隨船生物均出現(xiàn)不同程度的暈船、嘔吐等現(xiàn)象。因此，開展大型通航樞紐引航道口門區(qū)水力波動(dòng)特性研究十分必要，對(duì)保障船舶安全航行、提升樞紐通航能力意義重大。

本文針對(duì)向家壩升船機(jī)下游引航道水力波動(dòng)問題，開展原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析樞紐不同泄洪流量和發(fā)電流量組合下升船機(jī)下游引航道口門區(qū)的水力波動(dòng)特性，研究樞紐發(fā)電、泄洪流量對(duì)口門區(qū)高頻短波特性的影響和二者之間的相關(guān)關(guān)系，為解決向家壩升船機(jī)下游口門區(qū)波動(dòng)制約船舶航行安全的問題、進(jìn)一步改善通航水流條件提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

向家壩水電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江上，是金沙江水電基地最后一級(jí)水電站，也是金沙江水電基地中唯一修建升船機(jī)的大壩。向家壩水電站通航建筑物形式采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等5部分組成，全長(zhǎng)約1 530 m。向家壩升船機(jī)按IV級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)代表船型為2×500噸級(jí)一頂二駁船隊(duì)，同時(shí)兼顧1 000噸級(jí)單船。向家壩升船機(jī)最大提升高度114.20 m，是目前建成提升高度最高的升船機(jī)[5]。

向家壩泄洪消能具有高水頭、大單寬流量、泄洪頻率高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。向家壩水電站泄洪建筑物包含12個(gè)表孔和10個(gè)中孔，表孔堰頂高程354.00 m，設(shè)計(jì)水頭26.00 m，每孔凈寬8.00 m，出口設(shè)平面20 m長(zhǎng)的收縮段，寬度由8 m收縮為6 m，后為水平相切跌坎，跌坎頂高程261.00 m、深16.00 m；中孔進(jìn)口底板高程305.00 m，出口等寬8 m，跌坎頂高程253.00 m、坎深8.00 m。向家壩水電站消能建筑物采用高低坎跌坎式底流消能，消力池中設(shè)有分區(qū)導(dǎo)墻，單池尺寸為228.00 m×108.00 m×52.00 m(長(zhǎng)×寬×深)，底板為平底，底板頂高程245.00 m。

向家壩水電站消能建筑物緊鄰水富市和大型企業(yè)云南天然氣化工廠，為減輕泄洪消能對(duì)環(huán)境的不利影響，目前向家壩水電站渲泄較小洪水時(shí)采用表孔泄洪。如圖1所示，表孔泄洪時(shí)消力池內(nèi)形成波狀水躍，并以短波形式傳向下游。如圖2所示，由于壩下河道較窄，波動(dòng)向下游傳播過程中未能充分衰減，加之地形影響，縱向高頻波動(dòng)在升船機(jī)下游引航道口門區(qū)附近轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向振蕩波，導(dǎo)致該區(qū)域波動(dòng)幅度較大，波流耦合作用下水流條件復(fù)雜，船舶在引航道口門區(qū)航行時(shí)航行姿態(tài)較差、操控難度大，船舶航行經(jīng)過口門區(qū)時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 向家壩水電站泄洪消力池

圖2 升船機(jī)引航道口門波動(dòng)

2 口門區(qū)水流條件及船舶系纜力原型觀測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在汛期泄洪時(shí)，分多次對(duì)向家壩升船機(jī)下游引航道波動(dòng)情況進(jìn)行原型觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 向家壩升船機(jī)下游引航道波動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖中1#測(cè)點(diǎn)位于下游引航道5#和6#靠船墩之間，在口門上游約360 m處；2#測(cè)點(diǎn)位于9#和10#靠船墩之間，在口門上游約210 m；3#測(cè)點(diǎn)位于引航道口門附近，在口門下游約30 m處；4#測(cè)點(diǎn)位于口門區(qū)中部，在口門下游約80 m，5#測(cè)點(diǎn)位于口門區(qū)末，距口門約160 m。

2.2 口門區(qū)流速分布及波動(dòng)特性

向家壩升船機(jī)下游引航道口門區(qū)水流縱向流速限值為2.0 m/s，橫向流速限值為0.3 m/s，回流流速限值為0.4 m/s[6]。原型觀測(cè)結(jié)果表明：電站機(jī)組發(fā)電流量不超過6 000 m3/s，樞紐泄洪流量低于2 500 m3/s時(shí)，升船機(jī)下游引航道口門區(qū)縱向流速1.85 m/s；最大橫向流速0.6 m/s，超標(biāo)區(qū)域位于口門區(qū)回流末端，規(guī)劃航線附近橫向流速約0.3 m/s左右，基本不影響船舶安全航行；口門區(qū)近岸最大回流流速1.2 m/s，但規(guī)劃航線附近回流流速低于0.4 m/s，通航水流條件基本滿足要求。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，表孔下泄水流在消力池能形成振蕩水躍，進(jìn)而以短周期振蕩波動(dòng)的形式隨流向下游河道傳播。受局部地形影響，波動(dòng)傳至口門區(qū)后，波向發(fā)生改變，以垂直于岸坡的橫向波動(dòng)為主。

各測(cè)點(diǎn)典型的水位波動(dòng)過程見圖4。由圖4可知，向家壩升船機(jī)下游引航道波動(dòng)呈現(xiàn)高頻隨機(jī)波特性，波動(dòng)周期和波高并不穩(wěn)定，與長(zhǎng)波波動(dòng)過程差異顯著。1#測(cè)點(diǎn)位于引航道內(nèi)部，輔助閘室附近，該區(qū)域波動(dòng)受下閘室及壩下固壁邊界反射，波高與口門處波高(3#測(cè)點(diǎn))基本相同；2#測(cè)點(diǎn)位于引航道中部，反射波影響較小，該處波動(dòng)幅值明顯小于引航道口門(3#測(cè)點(diǎn))和輔助閘室附近(1#測(cè)點(diǎn))；口門區(qū)中部波高大于口門波高，口門區(qū)末端波高最大。

圖4 向家壩升船機(jī)下游引航道不同測(cè)點(diǎn)水位波動(dòng)過程

3 水力波動(dòng)觀測(cè)成果分析

根據(jù)隨機(jī)波浪理論，波高是相鄰的波峰與波谷的高度差。對(duì)于復(fù)雜的隨機(jī)波過程，將波高按從大到小排序，前1/3個(gè)波高的平均值為有效波高，表征波動(dòng)的時(shí)均強(qiáng)弱。前1/10個(gè)波高的平均值為最大10%波高，表征最大波幅的時(shí)均特性。對(duì)于通航建筑物引航道內(nèi)的高頻隨機(jī)短波，有效波高是船舶航行安全的主要影響因素。

不同泄量條件下，向家壩升船機(jī)下游引航道口門區(qū)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效波高觀測(cè)結(jié)果見表1。

表1可知：前4組觀測(cè)工況出庫流量(6 130～7 167 m3/s)略小于后4組出庫流量(6 753～8 250 m3/s)，但是下游水位(273.2 m左右)略大于后4組工況(271.61～272.48 m)。電站發(fā)電流量4 700 m3/s時(shí)，表孔泄洪流量1 430 m3/s條件下引航道內(nèi)有效波高約0.35 m，口門處有效波高約0.39 m，口門區(qū)中部波高約0.5 m，口門區(qū)末端有效波高約0.6 m；表孔泄洪流量增至2 500 m3/s時(shí)，引航道及口門區(qū)內(nèi)波高顯著增大，引航道內(nèi)有效波高約0.55 m，口門處有效波高約0.77 m，口門區(qū)中部波高約0.82 m，口門區(qū)末端有效波高約0.91 m。由表1還可知，電站發(fā)電流量增至5 750 m3/s時(shí)，各測(cè)點(diǎn)有效波高較發(fā)電流量4 700 m3/s時(shí)有所減小，但幅度不大。另外，原型觀測(cè)過程中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)樞紐不泄洪時(shí)，口門區(qū)水面平穩(wěn)，無明顯振蕩波動(dòng)，水體微幅擾動(dòng)不超過0.1 m；樞紐采用中孔泄洪時(shí)，引航道及口門區(qū)內(nèi)的波動(dòng)亦有所減弱。說明樞紐表孔泄洪流量是影響引航道及口門區(qū)波動(dòng)特性的主要因素，電站泄流及中孔泄洪對(duì)波動(dòng)有抑制作用。

表1 不同工況下引航道及口門區(qū)最大波高

4 波高與表孔泄量的響應(yīng)關(guān)系

引航道沿程各測(cè)點(diǎn)有效波高和表孔泄洪流量相關(guān)關(guān)系見圖5。由圖5可知，向家壩升船機(jī)引航道及口門區(qū)有效波高與樞紐表孔泄洪流量呈線性相關(guān)關(guān)系?？陂T處有效波高對(duì)表孔泄洪流量更為敏感，擬合曲線斜率最大；其余各測(cè)點(diǎn)有效波高隨表孔泄量的變化率基本一致。

圖5 引航道沿程各測(cè)點(diǎn)有效波高和表孔泄洪流量相關(guān)關(guān)系

根據(jù)上述相關(guān)關(guān)系，可得電站滿發(fā)時(shí)引航道口門和口門區(qū)末端(最大波高處)有效波高的估算公式。其中引航道口門區(qū)末端有效波高為：

ht=0.000 18·Qs+0.41

(1)

引航道口門處有效波高為：

he=0.000 20·Qs+0.15

(2)

式中：ht為向家壩升船機(jī)下游引航道口門區(qū)末端有效波高，亦為口門區(qū)最大有效波高(m)；he為引航道口門處有效波高(m)；Qs為表孔泄量(m3/s)。

向家壩升船機(jī)最大設(shè)計(jì)通航流量為12 000 m3/s。根據(jù)上述估算公式，在最大設(shè)計(jì)通航流量下，電站發(fā)電流量為6 000 m3/s(滿發(fā))時(shí)，若表孔泄洪流量為6 000 m3/s，則引航道口門處有效波高為1.35 m，口門區(qū)末端有效波高為1.49 m。

實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電站發(fā)電流量5 750 m3/s、表孔泄洪流量2 500 m3/s，亦即引航道內(nèi)有效波高0.5 m、引航道口門有效波高0.65 m、口門區(qū)末端有效波高0.84 m時(shí)，1 000噸級(jí)的船舶在下游靠船墩處停泊時(shí)實(shí)測(cè)最大系纜力111.64 kN，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)測(cè)船舶上行過程中口門區(qū)最大漂角25°，最大橫傾幅值7°，最大縱傾幅值1.3°，最大舵角35°；下行過程中口門區(qū)最大漂角40°，最大橫傾幅值6.8°，最大縱傾幅值1.2°，最大舵角35°，雖可順利進(jìn)出引航道口門區(qū)，但是航行姿態(tài)較差，操控難度較高[7-8]。因此，現(xiàn)狀條件下，當(dāng)向家壩水電站表孔泄洪流量超過2 500 m3/s時(shí)，口門區(qū)通航水流條件將更為復(fù)雜，波動(dòng)更為劇烈，船舶航行安全難以保障。

5 結(jié)語

1)向家壩升船機(jī)下游引航道口門區(qū)通航水流條件基本滿足規(guī)范要求，但是波動(dòng)問題較為突出。

2)表孔泄洪是向家壩升船機(jī)下游引航道及口門區(qū)高頻大幅水力波動(dòng)的主要影響因素，二者呈線性相關(guān)關(guān)系，而電站泄流及中孔泄洪對(duì)引航道口門區(qū)波動(dòng)有抑制作用。

3)在電站滿發(fā)、表孔泄洪流量為2 500 m3/s時(shí)，升船機(jī)下游引航道口門區(qū)最大有效波高近1.0 m，船舶進(jìn)出引航道時(shí)航行姿態(tài)較差，操控難度較高。

4)設(shè)計(jì)最大通航流量下，引航道口門區(qū)最大波高估計(jì)可達(dá)1.5 m，局部水流條件更為復(fù)雜，口門區(qū)大幅高頻短波對(duì)船舶航行安全影響更大，有必要開展進(jìn)一步深入研究，以改善口門區(qū)通航水流條件。