富春江船闸扩建改造工程影响分析

2012-08-14程开宇

浙江水利科技 2012年4期

杨娟,黄靖,程开宇

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭州 310014)

1 项目概况

1.1 河道概况

钱塘江是浙江省第一大河,北源新安江发源于安徽省休宁县西南皖、赣两省交界的怀玉山脉主峰六股尖东坡,南源兰江发源于安徽省休宁县南部的青芝埭尖北坡,南北两源兰江和新安江在建德市梅城汇合后称为富春江,下界在与浦阳江汇合的三江口处,三江口以下称为钱塘江,钱塘江于宁波市镇海区外游山和上海市南汇芦潮港连线断面汇入东海,干流全长668 km,流域面积55 558 km2。

1.2 工程概况

富春江船闸位于富春江水电站及其下游。富春江船闸原设计标准为100吨级单级双向运行船闸,设计最低通航流量为130 m3/s,船闸最大过闸能力为80万t/a。由于航道下切、船闸下游人字门内外侧水位平衡困难等原因,航运通航要求流量高达750 m3/s,船闸开闸运行时间长。目前船闸运行仅2次/d,年货运量受到限制,制约了钱塘江中上游地区的经济发展。因此,解决富春江航运“瓶颈” 问题,实施富春江船闸改造工程已迫在眉睫[1]。

根据《浙江省内河航运发展规划》,拟建富春江船闸按Ⅳ级标准建设,兼顾1 000吨级船舶的过闸要求。为此,提出了对富春江水电站船闸扩建改造的方案[2-3]。

船闸扩建改造工程方案为:保留原有船闸,在其下游重新建造1座Ⅳ级标准船闸,原有船闸作为上游引航渠道,新建船闸布置在右岸岸坡,上闸首与原有船闸下闸首紧密相连,新建船闸总长356 m,闸室为300 m×23 m×4.5 m(闸室长×宽×门槛水深);船闸下游导航墙总长375 m,其中直线段长160 m,顶高程15 m;在导航段下游布置长300 m的停泊靠船段。船闸扩建改造工程设计方案见图1[4]。现状枢纽下游河道有唐家洲江心岛,其左侧为主河道,右侧为通航河道,在汛期左右河道共同参与行洪。船闸工程扩建后,下游引航道延长与唐家洲江心岛相连,且为满足航道防洪要求,导航墙高度由原10.0 m增加至15.0 m。

图1 船闸扩建改造工程设计方案示意图

2 船闸扩建改造工程影响分析

船闸扩建改造后占用富春江电站下游河道过水面积,必然对电站下游河道水位、流速、流态等造成影响,从而对富春江电厂发电、大坝厂房安全、航道运行安全以及下游河道堤防防洪安全造成影响,因此有必要对船闸扩建改造工程影响进行分析。

2.1 计算模型

本文采用MIKE21C二维水动力数学模型具体分析船闸扩建改造后下游河道水位、流速、流态变化。MIKE21C是丹麦水力学研究所(DHI)研制的,经国内外诸多工程的实际应用,证明其精度高、守恒性好,使用方便,尤其适合内河水动力环境的研究。MIKE21C基于贴体坐标系的有限差分法,可以较好的模拟不规则边界。控制方程离散时,变量在网格上采用交错布置,水位定义在网格节点上,单宽流量定义在各自方向的相邻网格的中部,采用交替方向隐格式 (ADI)求解方程,方程矩阵采用双消除法 (Double Sweep)求解,该格式具有二阶精度。

2.2 计算条件与参数

二维模拟的范围为坝址下游—航道疏浚末端桐庐分水江口的河道,计算范围河道总长度约11 km,计算范围内包括4座桥梁 (杭新景高速公路富春江大桥、渡济大桥、富春江大桥以及富春江二桥),桥梁断面网格采用局部加密方法,直接模拟桥墩。计算采用的地形资料由1∶1 000地形图及1∶500地形图拼接而成。

赵三仓皇着脸回来，王婆没有理他走向后面柴堆那儿。柴草不似每年，那是烧空了！在一片平地上稀疏地生着马蛇菜。她开始掘地洞；听村狗狂咬，她有些心慌意乱，把镰刀头插进土去无力拔出。她好像要倒落一般：全身受着什么压迫要把肉体解散了一般。过了一刻难忍昏迷的时间，她跑去呼唤她的老同伴。可是当走到房门又急转回来，她想起别人的训告：

为具体研究船闸扩建改造后对电厂厂房、大坝防洪安全、两岸堤防安全等的影响,主要计算各个设计频率洪水流量下水文情势变化。二维数值模型上边界采用流量峰值,清渚港、分水江为支流入流,下边界采用桐庐水文站相应设计水位。上下边界设置见表1[5]。

表1 二维模型边界情况表

计算域采用正交曲线网格划分,网格步长×方向网格步长最小为2m,最大步长约为15 m,y方向步长最小为5 m,最大约为30 m。计算网格平面图见图2(由于网格太密,图中1个网格代表模拟中的4个网格)。

为保证模型计算的连续性,采用 “干湿判别”来确定计算区域由于水位涨落产生的动边界。当计算区域水深小于0.2 m时,记为“干”,不参予计算;当水深大于0.3 m时,记为 “湿”,重新参予计算。根据Smagorinsky公式确定涡黏系数,Cs取为0.25。

图2 计算网格示意图单位:m

图3 测流点位置示意图

2.3 验证计算

2008年7月11日上午,富春江电厂发电流量约500 m3/s。在富春江大坝下游1.3 km河道范围内分别测了25点水面流速。测流方法为流速仪法,测点位置见图3,验证结果见表2。

1997年7月9日和1955年6月22日是建国以来发生的两次特大洪水,其中1997年7月洪水,富春江出库流量为14 800 m3/s(介于10%～20%),桐庐站最高水位13.32 m,其间历史调查洪痕位于坝下1 332 m及坝下4 665 m,选其作为初步实测水面线进行验证,实测水位分别为15.09,14.24 m,计算水位为15.04,14.34 m,计算与实测吻合较好。另外,计算过程中,糙率系数再根据已有的坝下水位流量调整,不同流量级采用不同系数,保证坝下水位计算成果的代表性。率定结果见表3。计算值与实测值吻合良好,本模型满足精度要求,可以用于工况计算。

表2 流速验证结果表m/s

表3 二维模型验证表 (坝下水位) m

2.4 船闸扩建改造影响分析

2.4.1 坝下水位影响

现状工况下,河道左侧主河道和右侧航道之间的水位差不明显。船闸工程扩建改造后,左侧主河道和右侧航道之间的水位差明显。主要由于扩建后新建导航墙的挡水作用,进入右侧航道的水量减少,航道水位受下游控制,水位比左侧主河道要低。

坝下溢洪道侧和厂房侧各设计频率现状水位及水位壅高值见表4,分布图见图4(a)(以10 a一遇洪水为例)。与现状工况相比较,船闸工程扩建改造后,坝下水位壅高最大,最大值出现在10%洪水流量下,溢洪道侧、厂房侧壅高值平均值分别为0.67,0.58 m。至0.10%洪水,溢洪道侧水位壅高值为0.55 m。

可见,船闸扩建改造,占用下游近1/3河道,造成泄洪时坝下水位升高,特别是溢洪道侧水位壅高值会降低溢洪道泄流量,对大坝安全产生影响,同时,水位的壅高也将对电厂发电造成影响。

表4 坝下溢洪道侧和厂房侧各设计频率水位壅高值表 m

图4 10%洪水水位变化分布图

2.4.2 流速影响

现状流场分布图见图5(a)(以20%洪水为例)。现状工况下,遭遇20%洪水,主河道最大平均流速为2.91 m/s,发生在坝下1 332 m附近。右侧航道内流速最大平均流速为2.26 m/s,发生在坝下1 845m附近,流速超过2.0 m/s,对航行不利。且在遭遇50%、33%洪水时航道侧流速最大值分别为1.94,2.16 m/s。

图5 20%洪水流场分布图

船闸工程扩建改造后见图5(b),当遭遇50%、33%和20%洪水时右侧航道内水流流速较小,在坝下3 000 m范围内水流流速最大值分别为0.41,0.46,0.48 m/s均不超过1 m/s,有利于船舶航行。且船闸下闸首至下游800 m范围内,处于静水区。主河道内流速较大,最大流速分别为3.31,3.56,3.75 m/s,发生在坝下1 332 m附近。遭遇2%及以上洪水时,水流将漫过唐家洲,左右侧河道形成一个整体。

船闸扩建改造后,流速变化见图6(a)。从大坝至坝下400 m范围内流速略有所减小,主要是因为坝下游扩建工程造成坝下水位壅高,此处流速略有降低。自坝下400 m至坝下4 500 m范围内,表现为左侧主河道流速增加,右侧航道内流速减小,随着洪水流量的增加,河道内流速增加和减小的幅度也在增加。遭遇50%、33%、20%洪水,主河道流速增加最大分别为0.79,0.82,0.84 m/s,发生在坝下1 332 m附近;航道侧流速减小平均值分别为1.65,1.97,1.90 m/s,发生在坝下1 332 m航道断面附近。工程后坝下3 000m以下河道流速变化不大,可以说工程的扩建对其影响不大。

2.4.3 分流比影响

从表5中可以看出船闸工程扩建改造后,右侧航道内分流明显减少,当遭遇50%洪水时,工程实施后右侧航道分流较现状降低21%。随着流量的增加工程后右侧河道分流比略有增加。当遭遇50 a一遇及以上洪水时,水流均漫过沙洲,不再分析分流比问题。

图6 20%洪水流速变化分布图

表5 工程前后左侧河道和右侧航道分流比变化表%

综上分析,船闸工程扩建改造后,占用下游部分行洪断面,同时由于下游导航墙的阻挡作用,使得河道右汊分流比减小,左侧主河道分流量增加;坝下及其以下河道水位升高;左侧主河道流速增加,对富春江大坝、厂房安全、发电尾水位以及下游河道防洪安全造成影响。需要采取一定的措施,降低影响。

2.4.4 改造措施影响分析

现状枢纽下游河道有唐家洲江心岛,其左侧为主河道,右侧为通航河道,汛期时均参与行洪。通过对船闸扩建后工程影响分析,河道原有行洪断面减少为造成河道水文情势变化的主要原因,因此考虑在船闸扩建改造的基础上增加左侧主河道的切滩疏浚,以增加行洪断面;同时考虑环境影响,适当减少切滩疏浚量,在新建导航墙与沙洲交界处预留行洪渠道,增加右侧航道分流量,行洪渠道宽45 m,底高程5 m;另外,为满足大洪水(20%以上流量)泄洪要求,坝下650 m处设置泄洪闸,20%以上流量洪水泄洪闸开闸放水,洪水分流进入右侧航道。

改造措施实施后,河道水位壅高值见表4,水位壅高值分布见图4。从表4中可以看出,50.00%、33.33%和20.00%洪水为保证通航,闸门不开启,主河道疏浚和行洪渠道措施有效的降低了坝下水位。超过20%洪水泄洪闸开启,10%洪水坝下水位下降明显,相比于船闸扩建工程工况,平均壅高值降低0.46 m。可见泄洪闸的开启能有效降低坝下水位壅高。

改造措施后,当遭遇50%、33%和20%洪水时右侧航道内水流流速较小,见图5(b)。坝下3 000 m范围内水流流速最大平均值分别为0.53,0.55,0.69 m/s,船闸下闸首至下游800 m范围内基本处于静水区,有利于船舶行使[8]。导航墙出口处,有一定的横流,至航道中心横向流速小于0.3m/s[8],可以保证航行安全。采取了主河道切滩疏浚,设置闸门及预留行洪渠道措施,增加了河道过洪断面,相比船闸扩建工况左侧主河道流速减小,降低主河道冲刷强度。

改造措施下,靠预留的行洪渠道进入右侧航道的洪水流量有所增加但增加量有限,当遭遇洪水时,河道过洪断面仍小于现状工况。当遭遇50%、33%和20%洪水时右侧航道分流比分别为7%、10%、10%,小于现状工况,但相比船闸扩建工况有所增加;当遭遇10%以上洪水时,泄洪闸闸门开启,右侧航道分流增加至18%,有利地增加了右侧航道的行洪能力。

采取措施后,预留泄洪道和设置泄洪闸,可以增加右侧航道的分流,对行洪安全有利,并且左侧主河道切滩疏浚,增加了河道行洪断面面积,降低了坝下左侧主河道流速,有效降低了坝下水位。