低水頭航電樞紐施工期河床變形數(shù)值模擬研究

蔣融 肖宇 柳琴元

摘要：文章采用二維水沙數(shù)學(xué)模型研究手段對依托工程施工期河段河床變形進行了研究，發(fā)現(xiàn)在樞紐施工期間，束窄段河床沖刷變形劇烈，沖刷泥沙在下游堆積，沖刷的泥沙主要在橫向圍堰下游回流區(qū)及壩軸線下1 000～1 800 m附近的河床淤積。得到如下結(jié)論：上游至橫向圍堰進口處泥沙主要在圍堰束窄段出現(xiàn)沖刷，沖刷泥沙主要在下游橫向圍堰出口以下淤積；泥沙沖淤量隨流量的增長而增長，隨過水?dāng)嗝娴脑鲩L而減小。

關(guān)鍵詞：河床變形分析；二維水沙模型；施工期；低水頭航電樞紐

中圖分類號：U617A602033

0引言河段河床變形分析對航道整治、水工建筑物建造等方面均有良好的指導(dǎo)作用。目前，河床變形分析大致有三種研究方式：理論分析、物理模型試驗、數(shù)值模擬計算等。采用理論分析的方法進行河段河床變形分析，需要消耗大量的時間、人力和物力，其中也存在各種限制和困難，僅憑該法所得的結(jié)論一般不夠深入［1-4］。采用物理模型試驗的方法進行河段河床變形分析，其物理模型難以與原型的各類要素完全相似，同時物理模型往往需要占用規(guī)模巨大的場地、耗費大量設(shè)備、材料和人力，費用昂貴。在國外，眾多學(xué)者［5］通過采用數(shù)值模擬計算的方式進行河床變形分析，取得了大量研究成果。在國內(nèi)，近年來使用數(shù)值模擬計算進行河床變形研究的試驗也越來越多，同時也取得了較多試驗研究成果。數(shù)值模擬計算的方法既能擺脫實地觀測和模型搭建有關(guān)技術(shù)和場地的限制，還能推進試驗進程，盡可能減少人力、物力、財力和時間，得到的運算結(jié)果也更加精確。

針對低水頭航電樞紐施工期河床變形的論文很少涉及數(shù)值模擬，本文依托土谷塘航電樞紐工程，采用數(shù)值模擬計算的方式對低水頭航電樞紐工程的施工期河床變形開展分析，并從中探索施工期河床變形的規(guī)律和相關(guān)施工措施。

1概況

1.1工程概況

土谷塘航電樞紐工程壩址位于湘江中下游下段，為湘江干流八個梯級樞紐之一，其上游為已建的近尾洲樞紐，下游為已建的大源渡航電樞紐。土谷塘航電樞紐主要建筑物自左至右依次為魚道、4臺22.5 MW的燈泡貫流式機組、1孔排污閘、17孔泄水閘、1座千噸級船閘。永久性主要水工建筑物設(shè)計洪水為50年一遇，校核洪水為500年一遇。船閘等級為Ⅲ級，設(shè)計最大通航流量為13 500 m3/s，最小通航流量為138 m3/s。閘室有效尺度為180 m×23 m×4 m（長×寬×門檻水深）。電站總裝機容量為90 mW，年均發(fā)電量為3.582×108 kW·h［6］。

1.2樞紐施工導(dǎo)流程序

土谷塘航電樞紐工程共分三期導(dǎo)流：

一期圍右岸船閘及部分泄水閘，先修筑前期低水圍堰，之后修筑一期和三期共用圍堰及一期全年橫向圍堰。

二期單獨圍電站廠房，第二個枯水期由中部束窄河床過流及通航，一期全年圍堰拆除前，需修筑船閘枯水期小圍堰，汛期由已建閘孔與束窄河床聯(lián)合過流，束窄河床通航。

三期圍剩余左側(cè)的泄水閘，三期采用過水圍堰，枯水期由已建泄水閘過流，汛期由已建閘孔與過水圍堰聯(lián)合泄流，已建船閘通航。

2平面二維水沙數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

2.1模型基本方程

平面二維水沙模型基本方程可表示成如下通用微分方程式，即：

2.2模型的建立與驗證

2.2.1模型的建立

模型的上邊界距離壩址3 km，下邊界距離壩址4.1 km，計算河段總長7.1 km。計算網(wǎng)格為擬合曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為479×91，沿水流方向的網(wǎng)格單元尺寸為10～24 m，網(wǎng)格平均長度為16 m；沿河寬方向網(wǎng)格單元尺寸為4～13 m，網(wǎng)格平均寬度為7 m。模型的初始地形為2006-03-01：2000河道地形圖，驗證及計算初始地形為2010-10-01：2000河道地形圖。

2.2.2泥沙模型的驗證

由于缺少近尾洲樞紐下泄泥沙資料，進口懸沙含沙量采用文獻［7］中提出的懸移質(zhì)輸沙率與流量關(guān)系公式，即Qs=1.67×10-5Q2.11，且考慮到近年來上游近尾洲樞紐蓄水因素對其進行了折減，折減系數(shù)為0.8。床沙級配采用2010年10月實測鉆孔取樣資料。

圖1（a）給出了實測沖淤分布圖，圖1（b）給出了驗證時間內(nèi)計算沖淤分布圖。由于1#～2#斷面間的河段受人為挖沙影響很大，該段河床不參與驗證。由圖1可以看出：除1#和2#斷面之間的河段外，其余各斷面間的河段，其沖淤量誤差均維持在20%以內(nèi)。

3一期圍堰施工導(dǎo)流期間壩區(qū)河段河床變形分析

3.1一期圍堰施工導(dǎo)流期間各階段河床變形情況

一期低水圍堰導(dǎo)流期間，由于圍堰歷時短，且主要為枯水流量，壩區(qū)河床沖淤變化幅度不大，圍堰束窄段沖刷的泥沙主要在下游橫向圍堰出口段及其下游的水流擴散段淤積；泥沙主要在上游橫向圍堰進口段及縱向圍堰束窄段沖刷。具體情況如圖2（a）所示。

一期全年圍堰導(dǎo)流期間，經(jīng)過典型豐水年的水沙過程作用后，壩區(qū)河段沖淤幅度總體大于一期低水圍堰期，上游橫向圍堰以上計算河段累計沖刷量約為3萬m3，圍堰河段累計沖刷量約為12.6萬m3，橫向圍堰下游計算河段累計淤積量約為10萬m3。具體情況如圖2（b）所示。

3.2一期圍堰施工導(dǎo)流期間各階段河床變形情況分析

表1給出了一期圍堰施工導(dǎo)流期各階段河床變形情況。

通過對比沿程三個不同河段發(fā)現(xiàn)，上游3 000 m以內(nèi)至上游橫向圍堰進口處（以下簡稱“上游段”）沖淤量較少，且以沖刷為主，泥沙主要在圍堰束窄河段（以下簡稱“束窄段”）處出現(xiàn)沖刷，沖刷泥沙主要在下游橫向圍堰出口處至下游4 000 m以內(nèi)（以下簡稱“下游段”）淤積。

通過對比一期導(dǎo)流施工期不同階段發(fā)現(xiàn)，低水圍堰與全年圍堰過流面基本一致，低水圍堰略寬；低水圍堰為期4個月，全年圍堰為期10個月，低水圍堰過流期較短；從流量上看，低水圍堰導(dǎo)流期處于枯水期，全年圍堰導(dǎo)流期處于豐水期，而最終一期低水圍堰導(dǎo)流期泥沙沖淤量遠比一期全年圍堰導(dǎo)流期泥沙沖淤量少。由此可知，河段的泥沙沖淤量與圍堰導(dǎo)流期時間長度、水流流量有關(guān)。

4.1二期圍堰施工導(dǎo)流期間壩區(qū)河段河床變形情況

二期廠房圍堰枯水期由于歷時較短，沖刷幅度稍大段主要位于左側(cè)廠房圍堰與右側(cè)一期全年圍堰之間的束窄河段，沖刷的泥沙主要在左右兩側(cè)圍堰下游回流區(qū)及壩軸線下900～2 000 m河床淤積。具體情況如圖3（a）所示。

二期廠房圍堰豐水期壩區(qū)河段沖刷區(qū)仍主要位于縱向圍堰束窄段，沖刷的泥沙大都在圍堰下游及壩軸線下500～1 400 m附近河段內(nèi)淤積。具體情況如圖3（b）所示。

4.2二期圍堰施工導(dǎo)流期間各階段河床變形情況分析

表2給出了二期圍堰施工導(dǎo)流期各階段河床變形情況。

通過對比沿程三個不同河段發(fā)現(xiàn)，上游段沖淤量較少，泥沙主要在束窄段出現(xiàn)沖刷，沖刷泥沙主要在下游段淤積。

通過對比一期導(dǎo)流施工期不同階段發(fā)現(xiàn)，枯水期圍堰比汛期圍堰過流面小很多；枯水期圍堰過流期較短；從流量上看，枯水期圍堰導(dǎo)流期河段流量偏低，汛期圍堰導(dǎo)流期河段流量偏高，最終二期枯水圍堰導(dǎo)流期圍堰束窄河段泥沙沖淤量與二期汛期圍堰基本一致，下游段二期汛期圍堰導(dǎo)流期的泥沙淤積量更少。

5.1三期圍堰施工導(dǎo)流期間壩區(qū)河段河床變形情況

三期圍堰期間遭遇豐水年的水沙工程作用后，壩區(qū)河段將產(chǎn)生較大的調(diào)整，壩區(qū)河段沖刷深度較大段位于已建7孔泄水閘所處的束窄河段，主要范圍為壩上500 m至壩下1 000 m附近，沖刷的泥沙主要在橫向圍堰下游回流區(qū)及壩軸線下1 000～1 800 m附近河床淤積。具體情況如圖4所示。

5.2各期圍堰施工導(dǎo)流期間河床變形情況分析

后頁表3給出了一期、二期及三期等各期圍堰施工導(dǎo)流期各階段河床變形情況。

通過對比不同時期沿程三個不同河段發(fā)現(xiàn)，上游段沖淤量均為最少，泥沙主要都在束窄段處出現(xiàn)沖刷，沖刷泥沙主要在下游段淤積。

通過對比一期全年圍堰與二期廠房汛期圍堰施工導(dǎo)流期發(fā)現(xiàn)，歷時接近，過水?dāng)嗝婷娣e基本相似，但一期

全年圍堰為豐水期，二期廠房汛期圍堰為中水期，泥沙沖淤量一期全年圍堰大于二期廠房汛期圍堰。由此可知，泥沙沖淤量隨流量的增長而增長。

通過對比各期導(dǎo)流施工期不同階段，一期時間基本相同；從流量上看，三期圍堰導(dǎo)流時流量偏少，二期圍堰導(dǎo)流時流量偏多；從平均過水?dāng)嗝婷娣e上看，三期圍堰最小，一期圍堰最大；而最終三期圍堰泥沙沖淤量最大，二期圍堰泥沙沖淤量最小，且泥沙沖淤量隨流量的增長而增長。由此可知，泥沙沖淤量隨過水?dāng)嗝娴脑鲩L而減小，且影響大于流量。

6結(jié)語

（1）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際情況綜合分析：上游段沖淤量一般較少，泥沙主要都在束窄段出現(xiàn)沖刷，沖刷泥沙主要都在下游段逐漸淤積。

（2）泥沙沖淤量隨流量的增長而增長；泥沙沖淤量隨過水?dāng)嗝娴脑鲩L而減小，且其影響大于流量。

（3）通過土谷塘航電樞紐圍堰施工導(dǎo)流，可以得到圍堰施工導(dǎo)流工程的相關(guān)啟示，作為今后類似工程的建設(shè)經(jīng)驗：施工前，應(yīng)通過水文觀測數(shù)據(jù)，盡量充分利用枯水期進行圍堰施工，若無法在枯水期完成圍堰施工，則要考慮在圍堰之前先建一道低水圍堰。圍堰建設(shè)分期施工應(yīng)充分利用枯水期流量較小的特點，選擇合適的時機進行左右岸同時施工，并在豐水期確保在建泄水閘可正常投入使用，以便增大過水面積。施工前先進行宏觀規(guī)劃，避免重復(fù)施工，如分期圍堰時，要考慮到縱向圍堰可以重復(fù)利用的問題，節(jié)約施工成本，推進施工進度。

參考文獻

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［6］國家發(fā)展和改革委員會.國家發(fā)展改革委關(guān)于湖南湘江土谷塘航電樞紐工程項目建議書的批復(fù)［Z］.2010-10-23.

［7］樂培九，郝品正.國家“七五”科技攻關(guān)項目——湘江航運開發(fā)技術(shù)研究［Z］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，1989.

作者簡介：蔣融（1991—），助理工程師，主要從事水運工程的管理研究工作。