碾盤山水電樞紐通航條件優(yōu)化模型試驗研究

沈立群，陳 雷

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430070）

0 引 言

水利樞紐常設(shè)船閘以保證通航，引航道則是連接船閘與河道的紐帶，該區(qū)域水流條件的好壞直接關(guān)系到船舶的通航安全。由于受樞紐布置、通航建筑物等邊界條件影響，引航道口門及連接段水流條件復(fù)雜。口門上游水道斷面逐漸變窄，口門下游水道斷面逐漸放寬，水流彎曲變形，產(chǎn)生速度梯度，形成斜向水流，斜向水流對周邊水域的進(jìn)一步作用可能產(chǎn)生回流和旋渦。斜向水流的橫向流速和回流達(dá)到一定強度后，會造成航行船舶產(chǎn)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時船舶失控造成事故［1-4］。此外，引航道及口門處的泥沙淤積直接影響通航水深和流態(tài)，影響船舶通航安全。因此，研究引航道及口門連接段通航水流條件和泥沙減淤措施對保證船舶通行安全具有重要實際應(yīng)用價值。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對引航道及口門連接段通航水流條件進(jìn)行研究，并提出許多改善口門段通航水流條件的舉措。田輝［5］針對大源渡航電樞紐船閘建立物理模型試驗，研究船閘引航道口門區(qū)及連接段的水流條件，并根據(jù)試驗結(jié)果提出改善措施。吳雪茹［6］根據(jù)下福水利樞紐河工模型試驗分析樞紐工程運行期的閘門調(diào)度和導(dǎo)航墻長度對口門區(qū)通航水流的影響，提出改善通航水流條件的樞紐運行方式。李金合等［7］根據(jù)那吉航運樞紐通航水流試驗，分析了影響船閘布置和通航水流條件的因素，提出了改善上下游引航道口門區(qū)水流流態(tài)的措施。黃碧珊等［8］以嘉陵江新政電航樞紐為依托，進(jìn)行物理模型試驗，探討船閘引航道導(dǎo)航墻的結(jié)構(gòu)、布置對口門區(qū)水流條件的影響，提出改善引航道口門區(qū)通航水流條件的措施。

數(shù)學(xué)模型方面，曹毅［9］依托澧水青山航電樞紐，建立平均水深二維有限元數(shù)學(xué)模型，對口門區(qū)水流條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出回流區(qū)域長度與橫流強度呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步驗證整平河床、局部擴寬航槽能夠有效減小口門區(qū)橫向流速。王曉麗［10］針對小南海水利樞紐工程，建立數(shù)學(xué)模型對引航道口門區(qū)水流條件進(jìn)行數(shù)值模擬，提出加長上游隔流堤長度等改善引航道口門區(qū)水流條件措施。李興亮［11］以瀟湘水電樞紐為研究對象，建立數(shù)學(xué)概化模型，研究挑流墩和導(dǎo)航墻橫向距離大小與引航道口門區(qū)范圍內(nèi)斷面最大流速的關(guān)系，為采用挑流墩改善船閘樞紐通航水流條件的平面布置提供合理方案。

本文以漢江碾盤山水電樞紐通航水流條件為研究對象，建立樞紐工程區(qū)域物理模型，模擬觀測樞紐建成后通航水流條件及泥沙淤積情況，優(yōu)化設(shè)計方案，提出減淤措施，為工程設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

1 物理模型設(shè)計及驗證

1.1 物理模型設(shè)計

湖北碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流湖北省鐘祥市境內(nèi)，距鐘祥市區(qū)10 km，距丹江口水利樞紐壩址262.27 km。水庫等別為二等工程，大（2）型水庫。工程主體建筑物由泄水閘、河床式電站廠房、連接重力壩段、船閘及魚道等組成，壩軸線總長750.2 m，大壩壩頂高程53.22 m。樞紐布置圖如圖1所示。

根據(jù)碾盤山水利水電樞紐工程布置，采用整體正態(tài)水工模型、局部動床模型相結(jié)合的試驗研究方法?？紤]船閘引航道口門及連接段水流可能受到的最大影響范圍，模型范圍上起碾盤山水利樞紐壩址上游1.7 km，下至壩址下游2.6 km，總計4.3 km；橫向范圍為壩址上游2.5 km，壩址下游3 km。整體模型全貌如圖1所示。整體正態(tài)定床水工模型的設(shè)計相似條件滿足幾何相似、水流運動相似，局部動床模型還滿足泥沙運動相似，模型比尺見表1。

表1 模型比尺匯總表Tab.1 Summary table of model ratio

圖1 碾盤山樞紐布置圖Fig.1 The layout plan of the Nianpanshan station

1.2 測量方法

圖2 整體模型全貌Fig.2 The outview of the model

模型試驗中采用IFM4080K 型電磁流量計控制流量，流速采用長江科學(xué)院出產(chǎn)的CF9901 型電腦流速儀測量，試驗中多次重復(fù)測量取平均值。水位采用水位測針測量，測針最小刻度讀數(shù)為0.1 mm，上游沿程共安設(shè)了4個測針，分別安置于壩軸線上游0-1 500.00 m、0-1 000.00 m、0-500.00 m、0-150.00 m位置，下游河道沿程水位測針埋設(shè)于壩下0+250.00 m、0+500.00 m、0+1 000.00 m、0+1 500.00 m、0+2 000.00 m、0+2 400.00 m位置。

1.3 模型驗證

根據(jù)樞紐河段天然實測水位流量關(guān)系，模型率定結(jié)果見表2。由表可得，模型試驗水位誤差滿足相關(guān)要求。

表2 模型驗證Tab.2 Model validation

2 樞紐通航水流條件優(yōu)化試驗

2.1 優(yōu)化方案設(shè)計

原有設(shè)計航線方案為：①方案一航線：上游疏浚高程為35.30 m，下游疏浚高程為36.02 m；②方案二航線：上游不疏浚，下游疏浚高程為36.02 m（方案二航線下游設(shè)計與方案一相同），平面布置見圖3。

圖3 航線方案及斷面布置Fig.3 Ship route and section layout

2.1.1 上游航道設(shè)計方案優(yōu)化

根據(jù)前期水流試驗初步成果分析可知：在流量為12 000 及13 500 m3/s條件下，方案一航線連接段距壩前1.2 km附近，由于疏浚航道高程較低，航道左岸地形高程只有37.00 m 左右，而航道右岸為高程44.00 m 左右的高地，在大流量條件下，水流淹沒高地，形成流速值超過0.8 m/s的橫向水流，船只無法通過。

針對上述問題，提出優(yōu)化方案：①延長棄渣場臨水堤與民院堤相連，以改善上引航道口門區(qū)及連接段水流流態(tài)，；②調(diào)整不同流量級航線。在流量小于12 000 m3/s 的條件下，船只沿方案一航線（也稱疏浚航道）行駛；流量大于12 000 m3/s 條件下，船只沿方案二航線行駛，以避開橫向流速過大區(qū)域。

2.1.2 下游引航道設(shè)計方案優(yōu)化

根據(jù)前期水流試驗初步成果分析可知：在流量為1 200 m3/s條件下，下游引航道口門區(qū)附近，由于沿隔流堤方向下游存在一塊高程為40.00 m左右的灘地，而疏浚航道高程僅為36.02 m，在小流量條件下下游流速較小，由于地形變化大，形成一股流速值超過2.3 m/s的斜向水流，船只在該斷面附近無法通過。

針對上述問題，提出優(yōu)化方案：向右延長下游隔流堤，延長段為曲率半徑與下游設(shè)計疏浚航道前端曲率半徑（R=650 m）相同的一段圓弧，總長度約150 m。

2.2 試驗結(jié)果分析

在樞紐下泄不同特征流量條件下，觀測優(yōu)化設(shè)計方案航線引航道上下游及口門區(qū)連接段水流流態(tài)，分析其是否滿足船只通航要求。樞紐特征流量見表3。

表3 碾盤山水利樞紐特征流量Tab.3 Characteristic flow of Nianpanshan hydropower station

2.2.1 流 態(tài)

（1）上游航道及口門區(qū)流態(tài)。上述下泄流量情況下，壩前上游河段水面平穩(wěn)、水流流速小，流態(tài)順暢；引航道內(nèi)水流幾乎為靜水，橫向流速在0.15 m/s以下，引航道口門區(qū)及連接段疏浚航道內(nèi)水流橫向流速均在0.3 m/s以下，無氣泡、漩渦、剪刀水回流等不良流態(tài)，水面未超過隔流堤堤頂高程。如圖4所示。

（2）下游航道及口門區(qū)流態(tài)。閘室下游出流很均勻，水面平穩(wěn)、水流流速小，流態(tài)順暢。引航道內(nèi)水流幾乎為靜水，橫向流速在0.15 m/s以下，無氣泡、漩渦、剪刀水回流等不良流態(tài)；口門區(qū)附近在延長隔流堤的情況下，部分水流由于地形影響，繞過隔流堤末端，在疏浚航道內(nèi)形成小范圍存在橫向流速的區(qū)域，橫向流速值較小，下游連接段水流橫向流速亦小于0.3 m/s。如圖4所示。

圖4 上下游航道及口門區(qū)流態(tài)（Q=13 500 m3/s）Fig.4 Flow pattern of upstream and downstream channel and entrance area（Q=13 500 m3/s）

2.2.2 水面比降

當(dāng)下泄流量為500、2 700、5 000 m3/s時，上游航道為庫區(qū)航道，水面線幾乎水平，橫比降和縱比降極小；下游航道在隔流堤末端附近有小范圍橫向水流，橫比降極小，低于0.08‰。

當(dāng)下泄流量為1 200 m3/s 時，水流位于疏浚航道內(nèi)，水流較為平緩，縱比降最大值位于5 號斷面附近，為0.45‰，其余斷面縱比降均在0.15‰以下，上游疏浚航道與主航道連接處附近右岸橫向比降較大，為1.78‰左右；下游水面幾乎靜止，僅在隔流堤末端下游附近有小范圍橫向水流，橫比降較小，僅為0.20‰，其余斷面水面橫比降極小，下游航道水面縱比降約為0.01‰。

當(dāng)下泄流量為12 000、13 500 m3/s時，上游航道內(nèi)水面線幾乎水平，橫比降和縱比降較小，最大縱比降分別為0.21‰、0.50‰，最大橫比降值分別為0.34‰、0.66‰，出現(xiàn)在12 號斷面，分析原因可能是主流方向與設(shè)計優(yōu)化方案存在一定的夾角；由于泄流量大，下游水位較高，在下引航道口門區(qū)不會產(chǎn)生橫向水流，下游水面幾乎靜止，僅在隔流堤末端附近有小范圍回流，水面橫比降低于0.53‰，其余斷面水面橫比降極小。

2.2.3 表面流速分布

當(dāng)下泄流量為500、2 700、5 000 m3/s時，上游水流幾乎為靜水，各測點流速值均小于0.4 m/s，流量為5 000 m3/s 時疏浚航道內(nèi)流速與航道中心線夾角很小，橫向流速均小于0.3 m/s；閘室下游出流很均勻，下引航道、口門區(qū)及下游連接段水面平穩(wěn)、水流流速很小。引航道口門區(qū)斷面由于延長隔流堤的阻水作用，各測點流速值幾乎為零；下游疏浚航道內(nèi)流速值也很小，最大值低于0.82 m/s，且流向平行于疏浚航道。如圖5所示。

圖5 斷面表面流速分布（Q=500、1 200 m3/s）（流速單位：m/s）Fig.5 The surface velocity distribution of each section（Q=500、1 200 m3/s）

2.2.4 最小通航水深及航寬

由于上游疏浚航道底部高程為35.30 m，下游疏浚航道底部高程為36.02 m；在1 200 m3/s生態(tài)調(diào)度流量工況條件下，上游水位40.20 m，下游尾門處水位39.92 m，均能滿足通航要求（2.4 m水深［12］）。

當(dāng)下泄流量為500 m3/s（下游水位39.02 m）時，下游引航道口門區(qū)及疏浚航道內(nèi)水深及航寬特征如圖6?？梢钥闯觯合掠我降揽陂T區(qū)及疏浚航道內(nèi)的水深及航寬均滿足要求。

圖6 下游航道水深分布等值線圖（Q=500 m3/s）Fig.6 Contour map of water depth distribution in downstream channel（Q=500 m3/s）

綜上，在樞紐不同特征流量下，優(yōu)化設(shè)計方案能夠滿足航道上下游口門區(qū)連接段水流條件及Ⅲ級航道通航要求［13］。

3 引航道口門及連接段減淤措施試驗研究

3.1 試驗條件及方法

考慮南水北調(diào)及漢江梯級電站的運行，水沙資料采用1974-1983年為代表系列年，預(yù)測模型引航道及口門連接段10年內(nèi)泥沙淤積情況。

3.2 試驗結(jié)果分析

上游引航道口門區(qū)及疏浚航道泥沙淤積見圖7（a）。試驗成果表明：上游來沙大部分淤積在右岸灘地，極少部分淤積在引航道口門區(qū)附近，最大淤積厚度不足0.4 m，結(jié)合水流試驗中關(guān)于上游最小通航水深的研究成果可知，上游引航道可以保證樞紐運行10年內(nèi)正常通航。

下游引航道口門區(qū)及疏浚航道泥沙淤積見圖7（b）。試驗結(jié)果表明：下引航道最低通航流量500 m3/s，對應(yīng)水位為39.02 m，疏浚航道底部高程為36.02 m，在引航道口門區(qū)即距隔流堤延長段400 m 范圍內(nèi)泥沙淤積量較少，僅在左岸疏浚航道邊界存在0.8 m 左右的泥沙淤積體，此區(qū)域可以保證10年能正常通航；下引航道口門區(qū)范圍外，泥沙呈帶狀淤積在疏浚航道左岸，淤積厚度沿程增加，最大淤積厚度位于距下游隔流堤堤頂800 m附近，位于疏浚航道范圍外；下游疏浚航道內(nèi)僅在靠近左岸邊界存在0.8 m以上的泥沙淤積體，范圍較小，不影響樞紐通航。

圖7 樞紐運行10年后上、下游引航道口門區(qū)及連接段泥沙淤積等厚線圖Fig.7 Contour map of sedimentation in upstream and downstream after the station has been in operation for 10 years

綜上，樞紐運行10年內(nèi)可以保證航道正常通航。

3.3 減淤措施及建議

雖然下游疏浚航道內(nèi)泥沙淤積并不影響通航，但在下游航道口門區(qū)范圍外航道左岸泥沙淤積較為嚴(yán)重，建議采用機械清淤的方式，清淤成本低且效果良好。同時，建議在下游航道清淤時打開船閘灌泄水閥門沖沙，采用沖沙與清淤并舉，在沖沙期間完成主要清淤工作量。

4 結(jié) 論

本文建立了碾盤山水利水電樞紐工程整體正態(tài)水工模型和局部動床模型，開展通航水流試驗研究，對比論證優(yōu)化方案通航水流條件，可以得出以下結(jié)論與建議：

（1）上游引航道優(yōu)化設(shè)計方案通過延長棄渣場臨水堤與聯(lián)合民院堤相連，在流量小于12 000 m3/s 時，采用方案一航線；在流量大于12 000 m3/s 時，采用方案二航線。上游引航道及口門連接段通航水流條件良好。

（2）下游引航道優(yōu)化設(shè)計方案通過延長隔流堤150 m，并采用方案一航線，有利于改善口門區(qū)通航水流條件，下游引航道及口門連接段通航水流條件良好。

（3）樞紐正常運行10年內(nèi)，泥沙淤積不會影響樞紐通航條件，可保證船舶正常通航；建議對泥沙淤積較為嚴(yán)重的下游航道口門區(qū)范圍外航道左岸開展機械清淤，同時打開船閘灌泄水閥門沖沙。

（4）針對類似低水頭水利樞紐，考慮其對水流改變不大，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中引航的水流條件要求：船閘引航道口門區(qū)水流表面最大流速限縱向流速2.0 m/s、橫向流速0.3 m/s、回流流速0.4 m/s。首先在樞紐布置時應(yīng)合理布置船閘位置，船閘盡量布置在水流漸變有一定水深區(qū)域；按規(guī)范要求規(guī)劃樞紐附近航道及航跡線；定期監(jiān)測引航道口門區(qū)域河床沖淤情況。