電站擴機工程對原船閘航行影響船模試驗研究

蔡 創(chuàng),楊 碩,蔡新永,侯向勇,龔梁爽

(1. 重慶交通大學 河海學院,重慶 400074; 2. 重慶西南水運工程科學研究所,重慶 400016)

0 引 言

在工程上,往往會通過電站擴機工程來滿足日益增加的水運量需求[1],因此需研究電站擴機工程布置對原有船閘通航的影響。筆者以湘江近尾洲樞紐船閘擴建工程為例,對工程前、后通航水流條件進行分析比對,以確定擴機工程方案布置對原有一線船閘上游航道通航水流條件的影響,并對優(yōu)化方案布置進行研究,最終確定較優(yōu)的布置方案。

1 工程概況

近尾洲樞紐位于湘江中游,樞紐通航建筑物目前為500噸級船閘,未能滿足三級航道的相關要求。擴機工程計劃擴建一臺21 MW機組,近尾洲樞紐電站擴機工程擬布置于一線船閘右側(cè),位于一、二線船閘之間。電站的布置會影響原有的通航水流條件[2]。為確保擴機工程的開展不會惡化原有船閘的通航水流條件[3],筆者通過船模試驗進行研究、分析,確定電站擴機工程的布置對原有船閘附近通航水流條件的影響,并對電站取水口進行研究,為今后類似工程設計提供技術(shù)支持。

2 模型試驗設計

2.1 船模設計與制作

表1 船模與實船參數(shù)

2.2 船模試驗工況分析

結(jié)合特征流量等參數(shù),湘江近尾洲樞紐一線船閘上游航道確定了5個工況,旨在更加準確地分析一線船閘在各級流量工況下的通航水流條件。各流量工況以及其運行方式見表2。國內(nèi)研究者已對船模航行過程中參數(shù)極限值做了限定標準:最大舵角Rmax≤25°、最小航速Vmin≥0.4 m/s。當相關參數(shù)不滿足要求時,則認為航道不安全[6]。這是因為船舶使用滿舵才能規(guī)避危險,說明船舶已處于發(fā)生事故的臨界狀態(tài)。對于航速,航速越低,船舶舵效就越差,只有在船模最小航速Vmin>0.4 m/s(實船的航速達到14.4 km/h)時,其舵效才能滿足規(guī)范。

3 擴機工程對原船閘水流條件影響

3.1 工程前一線船閘上游通航試驗

3.1.1 工程布置

一線船閘為已建船閘,航槽擬設計寬度為60 m,最小彎曲半徑為480 m。上游航槽靠右岸布置,一線船閘上游航道口門區(qū)寬為55 m,長為200 m。

3.1.2 工程前通航水流條件

為保證船舶安全順利通過船閘,航道內(nèi)的縱橫流應滿足規(guī)范要求且沒有復雜流態(tài)[7],否則會使船舶產(chǎn)生橫漂,影響通航[8]。工程前一線船閘上游航道特征流速見圖1。由圖1可知,引航道內(nèi)縱、橫、回流均滿足規(guī)范要求,可安全通航?？陂T區(qū)內(nèi),Q=6 653 m3/s時,縱流Vy、橫流Vx、回流Vr最大值分別為1.51、0.26、0.02 m/s,滿足規(guī)范要求;Q=7 672 m3/s時,橫流最大值為0.47 m/s,不滿足規(guī)范要求,通航條件較差;Q=11 834 m3/s時,橫、縱流均超標,不滿足規(guī)范要求,通航困難。上游口門區(qū)及連接段特征流速均隨流量增大而增大,總體通航條件較好。由此可見,工程前一線船閘上游航道最大通航流量為6 653 m3/s。

圖1 工程前一線船閘上游航道最大特征流速

3.1.3 工程前船模試驗主要結(jié)論

船舶在航行時的最大舵角和最大漂角與流量大小有密切聯(lián)系,這就意味著流量越大,船舶航行危險系數(shù)越高。

1)船舶上行,Q<8 200 m3/s時,船舶最大舵角、漂角分別為23.43°、21.37°,此時上行的船舶可以安全通航。當Q=8 200 m3/s(閘門集中開啟)時,最大舵角為23.43°,臨近安全限值,船舶操縱難度較大,需謹慎駕駛。當Q>8 200 m3/s時,口門區(qū)縱橫向流速已不滿足規(guī)范要求,船舶通航安全系數(shù)大幅降低。

2)船舶下行,Q<8 200 m3/s時,船舶最大舵角、漂角分別為23.46°、18.47°,在此流量范圍內(nèi),下行船舶可滿足1 000 t自航貨船的通航要求。在Q=8 200 m3/s 時,最大舵角已達23.46°,臨近安全限值,需謹慎駕駛。當Q=12 300 m3/s時,船舶最大舵角、漂角均達到29.83°,不能保證自航貨船的航行安全。

3.2 原設計方案一線船閘上游通航試驗

3.2.1 方案布置

近尾洲樞紐電站擴機工程擬布置于一線船閘右側(cè),中心線與一線船閘中心線距離為60.3 m,擴建一臺21 MW機組,夾于一線船閘與擴建船閘之間。

上游引水渠取水口位于一線船閘上游口門區(qū)約85 m處,軸線與航槽斜交,有明顯搶位現(xiàn)象。引水渠進口底寬為27 m,底高程為62 m。原方案布置見圖2。

圖2 原方案船閘布置

3.2.2 原設計方案水流條件

一線船閘上游口門區(qū)存在較強橫流與回流,一線船閘上游航道最大特征流速見圖3。引航道內(nèi)縱流、橫流、回流最大值分別為0.3、0.25、0.17 m/s。當Q=6 963 m3/s時,橫流為0.25 m/s,小幅超出限值;其它流量時,縱流、橫流、回流均未超標,基本滿足要求。口門區(qū)內(nèi)各級流量工況下橫流均超標;在Q=373 m3/s時,縱流為2.5 m/s;回流較小。連接段在Q≤7 672 m3/s時,最大縱流為1.81 m/s時,不超標;最大橫流為0.36 m/s時,超標甚微,無回流,通航條件較好。Q=11 834 m3/s時,最大縱流、橫流分別為 2.33、0.46 m/s,沒有回流,整體上超標不大,基本滿足通航條件。

圖3 原方案一線船閘上游航道最大特征流速

3.2.3 原設計方案船模試驗主要結(jié)論

工程前與原方案船模試驗結(jié)果對比見表3。

由圖1、圖3、表3可看出擴機工程對原一線船閘上游航道的影響如下:

1)與工程前相比,原方案引航道內(nèi)的縱流最大值由0.13 m/s增加至0.30 m/s;橫流最大值由0.05 m/s增加至0.25 m/s;回流最大值變化不大?？陂T區(qū)的縱流最大值與工程前相比變化不大。各流量下橫流最大值均有不同程度超標,其中在Q=373 m3/s時,橫流最大值達到1.40 m/s,明顯超標,通航困難;在Q=11 834 m3/s時,連接段的縱流最大值由工程前的2.46 m/s下降至2.33 m/s,滿足規(guī)范數(shù)值,橫流最大值由0.54 m/s下降為0.46 m/s,但仍未滿足規(guī)范要求,通航依舊困難。擴機工程原布置方案使得上游航道特征流速有所上升,對于船舶的通航存在不利影響。

2)相對于工程前,除最大流量工況Q=12 300 m3/s外,船舶最大舵角均有不同程度增加,在Q=373 m3/s時,上、下行的最大舵角分別達到了30.88°、31.40°,超出安全限值。通過對船模航行試驗成果以及航道水流條件的分析可知,一線船閘上游航道若按原方案布置,船舶難以通航。因此須對方案進行優(yōu)化。

4 方案優(yōu)化試驗

4.1 一線船閘優(yōu)化思路

一線船閘上游航道的優(yōu)化主要是針對擴機引水渠,其具體優(yōu)化布置見圖4。有以下3種可行的措施:

圖4 修改方案布置

1)減小擴機引水渠與一線船閘航槽的夾角,繼而減小流速的橫向分量,以緩解橫流超標的情況。

2)通過增加擴機引水渠與船閘口門區(qū)間距的方式減弱與口門航槽的交叉。

3)擴寬、增深引水渠,以減小擴機引水流速。當擴機引水口采用渠寬為42 m、底部高程為58 m的矩形渠道時,能形成寬L=155～160 m的引水前沿。

4.2 擴機引水渠優(yōu)化試驗

為使一線船閘上游航道口門區(qū)橫流滿足規(guī)范要求,可通過試驗選取一種最優(yōu)的擴機引水渠的布置方式。擴機引水渠優(yōu)化試驗根據(jù)渠底高程等設置了9個工況。具體工況布置見表4。

各工況最大橫流沿程變化見圖5。由圖5可知,在Q=373 m3/s時各工況橫流最大值為0.65～0.87 m/s,超標明顯,其中工況9橫流最小,最大橫流為0.65 m/s;Q=1 393 m3/s時各工況橫流最大值均出現(xiàn)在相同位置,其值降為0.37～0.50 m/s,均有一定超標,其中工況9橫流最小,為0.37 m/s,略超規(guī)范。因此,雖然工況9在Q=373 m3/s時橫流超標明顯,但在Q=1 393 m3/s時超標不大,在擴機不單獨發(fā)電的情況下,橫流基本滿足要求。

圖5 各工況最大橫流沿程變化

4.3 取水口布置優(yōu)化方案

水工建筑物的取水口布置是決定其工作長期穩(wěn)定與否的重要因素[9],可通過改善取水口的布置方案,達到優(yōu)化航道通航水流條件的效果。

1)布設導流墩是解決船閘口門區(qū)橫、回流偏大問題的常用措施[10]。在航道內(nèi)設置導流墩可以減小斜向水流的夾角和橫向流速分量[11],導流墩對通航水流條件的影響取決于導流墩的布設角度、個數(shù)以及間距。導流墩數(shù)量增加、間距縮小后,相鄰導流墩間的局部透水量減少,從而降低橫向水流的影響程度。當導流墩的長度、數(shù)量相同,相對間距為1.0時,工程效果最佳;相對間距和導流墩個數(shù)相同時,導流墩長度越長,橫流越大[12]。

2)一般為了使水流平順均勻地進入發(fā)電機組,會在引航道布設導墻[13]。在近尾洲水利樞紐優(yōu)化方案中,采用了布設導墻的方法,即引水渠左邊墻為引航道設置隔水墻,上段高程根據(jù)自然地形變化,從58 m漸變到67 m;引水渠左邊墻堤頭上、下共約122 m的范圍內(nèi),每隔2 m設1 m寬溝槽,溝底高程60.85 m。具體導墻優(yōu)化布置見圖6。

4.4 優(yōu)化方案通航試驗

4.4.1 優(yōu)化方案通航水流條件

優(yōu)化方案一線船閘上游航道特征流速見圖7。在優(yōu)化方案中上游口門區(qū)縱、橫、回流最大值分別為2.09、0.91、0.16 m/s。除Q=373 m3/s以外,口門區(qū)、連接段內(nèi)縱流均隨流量增大而增大,在Q=11 834 m3/s時,縱流值達到頂峰,小范圍略超限值,對通航基本無影響;橫流在Q=373 m3/s和Q≥7 672 m3/s時超標明顯,其余工況基本滿足規(guī)范;各級流量下回流均滿足要求。

圖7 優(yōu)化方案一線船閘上游航道最大特征流速

連接段內(nèi)縱、橫流最大值分別為1.60、0.24 m/s,無回流。在Q=11 834 m3/s時,縱流達到最大值1.60 m/s,略超限值,且范圍較大;Q=7 672 m3/s時最大橫流為0.32 m/s,超標甚微;Q=11 834 m3/s時最大橫流為0.58 m/s,超標明顯,其余工況下均符合規(guī)范。

由此可見,在新機不單獨發(fā)電的情況下,一線船閘上游口門區(qū)通航流量為6 963 m3/s,基本恢復到工程前的狀態(tài)。最不利工況仍為工況5。

4.4.2 優(yōu)化方案船模試驗主要結(jié)論

優(yōu)化方案船模試驗結(jié)果見表5。在優(yōu)化方案中,船舶航行的最大漂角、最大舵角及平均航速均隨流量增大而增大。在Q=12 300 m3/s時,上、下行最大舵角達到最大值,分別為29.74°和30.18°,明顯超標,船舶不能安全行駛;上、下行最大漂角亦達最大值,分別為33.64°和34.84°。船舶上行時,各工況下的最小航速均符合標準,在Q=8 200 m3/s時,上行最大舵角達到24.54°,需謹慎駕駛;船舶下行時,除Q=12 300 m3/s時外,最大舵角均滿足安全限值,可以安全通行。

表5 船模試驗結(jié)果對比

與原方案相比,優(yōu)化方案的船模航行效果整體較優(yōu)。當Q<8 200 m3/s時,各流量工況下的平均航速均有所增加,上、下行最大舵角最大值分別從原方案的30.88°和31.40°減小至24.54°和24.90°,極大地改善了船舶通航的安全程度,有效減少事故的發(fā)生。但工程前上游航道船舶通行時的上、下行最大舵角最大值分別為23.43°和23.46°。由此可見,優(yōu)化方案最大舵角略高于工程前。

5 結(jié) 論

1)由于樞紐電站擴機工程擬布置于一、二線船閘之間,且引水渠軸線與航槽斜交,在平面上矛盾較為突出,故會對一線船閘上游航道通航水流條件造成影響。不過在布置方案進行優(yōu)化(調(diào)整引水渠走向、移動擴機引水渠位置等)后,矛盾得到改善,通航水流條件也基本恢復到工程前的狀態(tài)。擴機工程優(yōu)化方案基本消除了工程前一線船閘上游引航道中存在的回流狀態(tài)。

2)工程前一線船閘上游引航道內(nèi)縱、橫、回流最大值(各工況綜合考慮)分別為0.13、0.05、0.19 m/s,均滿足規(guī)范要求;原設計方案引航道內(nèi)縱、橫、回流最大值分別為0.30、0.25、 0.14 m/s,除Q=6 963 m3/s時橫流最大值小幅超標外,其他流量下特征流速均滿足規(guī)范?？v、橫流最大值分別增加了0.17、0.20 m/s,回流最大值變化不大;在優(yōu)化方案中引航道縱、橫、回流基本被消除。

工程前口門區(qū)內(nèi)縱、橫、回流最大值(各工況綜合考慮)分別為2.48、0.67、0.09 m/s,縱、橫流超標;原設計方案口門區(qū)內(nèi)縱、橫、回流最大值分別為 2.49、1.40、0.27 m/s,各流量工況下特征流速均超標,航行安全不能保證。在優(yōu)化方案中,口門區(qū)內(nèi)縱、橫流最大值分別為2.26、 0.58 m/s,無回流,與工程前相比,縱、橫流最大值分別減小0.23、0.82 m/s。

最大通航流量從工程前的6 653 m3/s增加至優(yōu)化方案中的6 963 m3/s。由于航行難度隨流量增加而增加,故最不利工況為工況5(Q=12 300 m3/s)。

3)近尾洲一線船閘上游航道優(yōu)化方案與工程前相同:在Q<8 200 m3/s時可滿足1 000 t自航貨船通航要求,但在Q=8 200 m3/s時,航行難度較大,應謹慎駕駛。與原設計方案相比,優(yōu)化方案的船模航行效果整體較優(yōu)。當Q<8 200 m3/s時,上、下行最大舵角分別從原設計方案的30.88°和31.40°減小至了24.54°和24.90°,極大改善了船舶通航的安全程度,有效減少事故的發(fā)生。但工程前船舶在上游航道通行時的上、下行最大舵角分別為23.43°和23.46°,由此可見,優(yōu)化方案最大舵角要略高于工程前。