彎曲河道大型攔河水閘工程重建設計中的過閘水流流態(tài)水力學問題研究

張周文

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

近年國內(nèi)對于攔河水閘的工程布置、泄流能力、消能防沖等方面進行了廣泛的研究。林顯兵等[1]對漠陽江雙捷攔河水閘閘址選擇、閘軸線進行比選分析后確定原址重建，攔河閘閘孔采用節(jié)制沖砂閘、泄洪閘對稱布置，對稱閘孔布置改善水流流態(tài)方面有一定的借鑒意義。鄧飛[2]對潮州供水樞紐西溪攔河水閘因河床下切嚴重運行后消能工出現(xiàn)沖刷損毀，對消能工改造方案提出了增設二級消力池，為低水頭、大單寬下泄流量的攔河水閘消能工加固改造提供了新思路、新方法，對本研究在消能工布置方面起到一定借鑒作用。馮達恩[3]重點研究了東江水利樞紐工程在左河汊和右河汊條件下攔河水閘的消能形式，最終結(jié)合水工模型將右河汊原設計面流消能修改為和左河汊一樣的底流消能，交汊河道條件下消能設置方面有一定的參考價值。顏曉梅[4]采用理論公式計算與水工模型試驗相結(jié)合的方式，最終確定高嶺攔河閘采用深水閘河床中間布置的閘孔方案，降低過閘流速改善下游消能方面有借鑒之處。對于彎曲河道近年開展的研究也不少。史瑩[5]采用集水動力模塊、泥沙輸運模塊、污染物運移模塊和水質(zhì)預測模塊為一體的環(huán)境流體動力學模型，利用計算機進行數(shù)值模擬，對京郊某彎曲河道3種河道形態(tài)在50年一遇洪水過程，分析了河道的水流特性，提出相應河道保護措施。曹磊等[6]以瀏陽河朝正垸急彎河段為例，采用MIKE21水動力平面二維水流-泥沙模型，對其上游直線段、彎段、下游直線段的水文變化、流速變化及沖淤情勢進行多工況模擬，指導本河段防洪規(guī)劃設計。余之光[7]在收集和整理以往工程實踐經(jīng)驗的基礎上，歸納和總結(jié)彎曲河道通航樞紐平面布置的一些規(guī)律，為彎曲河道通航樞紐的規(guī)劃和設計提供參考和借鑒。上述[5-7]針對彎曲河道的流速變化及沖淤平衡等方面的模型研究方法對本研究的研究方法、分析內(nèi)容等有借鑒作用。本文對彎曲河道主流偏流影響過閘流態(tài)易造成下游沖刷的問題，選取積美攔河閘壩工程作為研究對象，采用改變水閘閘孔形式、水閘軸線與河道中心線夾角的思路，開展了二維水動力數(shù)學模型模擬水閘過閘流態(tài)、下游沖刷等方面研究。

1 工程概況及存在的主要問題

積美攔河閘壩位于鑒江干流吳川境內(nèi)，為鑒江第五梯級攔河壩，是一宗以排洪、灌溉、供水為主，結(jié)合航運、水力發(fā)電及公路交通的大(2)型水利樞紐工程，從左至右主要建筑物有溢流壩、深水閘、水電站、船閘，溢流壩18孔，每孔凈寬5.75 m，總凈寬103.5 m，深水閘11孔，每孔凈寬12.0 m，總凈寬132 m，水電站裝機3臺共600 kW，船閘下閘首通航凈寬7.0 m，壩頂上建有汽-15、掛-80公路橋。由于積美攔河閘壩的交通橋作為連接梅(錄)樟(鋪)公路(X700)的重要橋梁，閘址處于彎曲河道段，加上左岸側(cè)溢流壩的壅水作用，不僅導致閘前水位壅高嚴重，還加劇河道主流偏向右岸，進一步加大深水閘的過閘流速，導致水閘下游偏右岸側(cè)遭受到水流長期的集中沖刷，下游消力池末端形成一個寬約200 m、長約250 m、最大深度23 m的大沖坑，管理單位采取沉船、拋石等綜合措施治理仍得不到根治，嚴重影響水閘的安全運行，經(jīng)安全鑒定評定為四類閘，計劃拆除重建，積美攔河閘壩現(xiàn)狀見圖1。

圖1 積美攔河閘壩現(xiàn)狀示意

為了滿足梅(錄)樟(鋪)公路(X700)交通要求，經(jīng)論證重建閘址為原址重建，如何順應彎曲河道主流偏流的問題，改變重建后過閘的流態(tài)、流速，使得重建后下游沖淤平衡，避免出現(xiàn)大沖坑影響水閘的安全運行，這是一個有待解決的技術問題。

2 研究方法與結(jié)果

2.1 下游沖坑形成原因分析

為了弄清楚水閘下游沖坑形成的成因，以現(xiàn)狀水閘軸線上游1.2 km、下游0.6 km為邊界，采用現(xiàn)狀地形建立二維水動力數(shù)學模型，計算網(wǎng)格為域三角形單元，計算模型見圖2。

a)下游沖坑計算模型

2.1.1有關系數(shù)選取

a)糙率系數(shù)。糙率系數(shù)反映了水流和床面相互作用過程中，床面邊界粗糙程度，床面形態(tài)等因素對水流阻力的綜合影響，影響到水力要素的計算精度，一般通過模型的率定和驗證來確定，并參照一定的經(jīng)驗，本次計算取0.030。

b)動邊界處理。為保證模型計算的連續(xù)性，采用干濕判別確定計算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動邊界，干水深取0.005 m，洪水深取0.05 m，濕水深取0.1 m。

2.1.2邊界條件輸入

模型有上、下游2個邊界條件，上游邊界為50年一遇的流量Q=4 830 m3/s，下游邊界為水位5.66 m(4 830 m3/s對應的下游水位)。

由圖2可知，當上游洪水過境時，現(xiàn)狀攔河閘壩存在壅水現(xiàn)象，水閘左岸溢流壩泄洪時過閘流速為2.8～4.6 m/s、水閘軸線下游100 m閘后流速為2.4～3.6 m/s，流速由左岸第1孔向河床第18孔呈遞增趨勢；河床深水閘泄洪時第19—27孔過閘流速為4.8～9.5 m/s、閘后流速為3.7～6.8 m/s，流速由第19孔向第27孔呈遞增趨勢，最大流速出現(xiàn)在第24、25、26孔，此3孔正對著下游沖坑，第28—29孔過閘流速為3.7～4.9 m/s、閘后流速為2.8～3.7 m/s，流速由第28孔向第29孔呈遞減趨勢。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，洪水期間第24—26孔水閘下游40～200 m范圍出現(xiàn)大量的漩渦，結(jié)合上述模型分析結(jié)果，由于水閘所處河道彎曲不規(guī)則，加上左岸溢流壩的壅水影響，洪水過閘時主流偏向河道右岸深水閘，導致右岸深水閘上下游流速增大，過閘流態(tài)紊亂形成漩渦，造成下游沖刷，長時間的沖刷是形成沖坑的主要原因。

2.2 方案介紹

水閘設計洪水標準為50年一遇，設計洪峰流量4 830 m3/s，校核洪水標準為100年一遇，校核洪峰流量5 333 m3/s，重建工程布置方案從左至右分別為船閘、水閘、水輪泵站，為了改善重建后水閘過閘水流流態(tài)，經(jīng)過對現(xiàn)狀過閘水流形態(tài)的分析，結(jié)合水利計算及工程總體布置，綜合河底高程、原攔河壩底板高程以及水閘過流能力，擬定閘孔布置方案原則如下：減少或者取消左岸溢流壩，溢流壩對稱布置，降低深水閘底檻高程和加大深水閘寬度，改變水閘軸線與河道中心線夾角；根據(jù)上述原則初步擬定了5種設計方案見表1。方案一深水閘布置在河床中間、溢流壩在深水閘左右兩側(cè)對稱布置，水閘軸線與河道中心線夾角為90°；方案二在方案一的基礎上調(diào)整水閘軸線與河道中心線夾角為88°(逆時針旋轉(zhuǎn)2°)；方案三全部為深水閘布置在河床中間，水閘軸線與河道中心線夾角為90°；方案四深水閘同方案三，水閘軸線與河道中心線夾角為88°(逆時針旋轉(zhuǎn)2°)；方案五深水閘同方案三、水閘軸線與河道中心線夾角為85°(逆時針旋轉(zhuǎn)5°)。方案三至五水閘均為18孔，每孔凈寬12 m，水閘按每兩孔為一整體結(jié)構(gòu)分縫布設，中墩厚度為2 m，邊墩厚度為1.5 m，下游設置底流消力池長度為33.0 m，池深2.0 m，消力池末端設長60.0 m海漫。

表1 水閘設計方案

2.3 計算模型及邊界條件

采用二維水動力數(shù)學模型，模型邊界為水閘軸線上游1.2 km、下游0.6 km，計算網(wǎng)格為域三角形單元，為對比分析不同設計方案的上下游河道水位，在河道內(nèi)選取代表點，水位代表點位置見圖3，共10個水位代表點，其中t1—t5布置在水閘上游，t6—t10布置在水閘下游。糙率系數(shù)、動邊界處理和邊界條件輸入均和現(xiàn)狀下游沖坑計算模型相同。

2.4 水位變化分析

各設計方案代表點水位統(tǒng)計見表2。由表2可知，5個方案下游水位差別不大，左右兩岸對稱布置6孔溢流壩的方案一、二水閘上游水位均高于全深水閘的方案三至五，而全深水閘水閘軸線與河道中心線夾角為90°的方案三水閘上游水位最低，其次是方案四、五，由此可見，從水閘上下游水位而言，全深水閘方案優(yōu)于溢流壩+深水閘方案，水閘軸線與河道中心線夾角90°優(yōu)于88°、85°。

圖3 水位代表點位置

表2 水閘各方案代表點水位統(tǒng)計 單位：m

2.5 流態(tài)分析

50年一遇設計洪峰流量4 830 m3/s下各設計方案的河道流場見圖4，代表點流速統(tǒng)計見表3，水閘軸線上游100 m河道上游流速，水閘軸線上游20 m閘前流速、過閘流速和水閘軸線下游100 m閘后流速分布統(tǒng)計見表4。

a)方案一

e)方案五

表3 各設計方案代表點流速統(tǒng)計 單位：m/s

表4 各設計方案流速分布統(tǒng)計 單位：m/s

由圖4可知，左右兩岸對稱布置6孔溢流壩的方案一、二其左右岸流速均減小，流速帶兩側(cè)向中心偏移，水閘閘下水流流向偏向于右岸，且過閘流速較大，最大過閘流速為7.5 m/s，下游流速帶較長，影響范圍較遠，防沖措施需加強；方案二是在方案一的基礎上水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°，水閘閘下水流流向和方案一差不多，下游流速有減小的趨勢；全深水閘的方案三、四、五流速分布均勻，水閘閘下水流流向依然存在偏向于右岸的趨勢，但較方案一、二已得到很大的改善，過閘流速最大為6.0 m/s；方案四在方案三的基礎上水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°，方案四上游左岸流速較方案三小，下游左岸流速較方案三大，最大流速為3.5 m/s；方案五在方案三的基礎上水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)5°，方案五上游左岸流速較方案三、四小，下游左岸流速較方案三、四大，最大流速為4.2 m/s；方案四、五水閘下游左岸會有一定程度的沖刷。

由表3、4可知，5個方案水閘上游流速、閘前流速和閘后流速相近，方案四水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°其過閘流速較小，其他4個方案過閘流速相差不大。

綜合上述，采用溢流壩+深水閘結(jié)合的方案一將溢流壩于深水閘兩邊對稱布置，兩岸的沖刷有所改善，中間深水閘的流態(tài)也相對比較均衡；方案二在方案一的基礎上水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°，泄洪時水閘上下游洪水流態(tài)更加均衡，泄洪效果好于方案一，全深水閘的方案三、四、五整體泄洪能力大大加強，上游水位下降比較明顯，上下游流態(tài)也更加均衡，但是，水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)5°的方案五由于水閘軸線與河道中心線夾角增大后，右岸流速反而增大，下游沖刷較嚴重。因此，推薦方案四，即全深水閘水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°。

2.6 沖淤分析

為了驗證重建后水閘上下游的沖淤情況，模擬單次50年一遇洪水過程下推薦方案水閘下游沖淤計算，沖淤計算床沙粒徑根據(jù)對河床泥沙孔分析河床泥沙級配取床沙平均中值粒徑0.4 mm，對應設計頻率為2%上游邊界為流量Q=4 830 m3/s，閘上水位為7.88 m，上游來沙量為0.36 kg/m3，河床沖淤模型計算結(jié)果見圖5。由圖5可知，在設計工況下，由于閘下護坦的作用，單次洪水對水閘下游的沖淤影響不大，推薦方案閘下最大沖淤厚度0.03 m，海漫末端河床流速為1.0～1.5 m/s，下游中粗砂層河床不會出現(xiàn)嚴重沖刷現(xiàn)象。

圖5 水閘上下游河床沖淤厚度細部(紅色為淤，藍色為沖)

3 結(jié)語

針對位于彎曲河道上的攔河水閘因主流偏流導致其下游沖刷嚴重形成大沖坑影響水閘安全運行的問題，以重建中的積美攔河閘壩工程為研究對象開展了研究。結(jié)論如下：①溢流壩不僅導致壅水現(xiàn)象，且單側(cè)布置還可能導致主流偏流，宜盡量避免單側(cè)布置，有條件采用對稱布置；②通過比選，流態(tài)、閘型、沖淤平衡全深水閘水閘軸線逆時針旋轉(zhuǎn)2°較優(yōu)的結(jié)果，有效解決過閘流速大、流態(tài)紊亂、主流偏流問題，重建后水閘下游河床不會出現(xiàn)嚴重的沖刷。