大渡河沫水航电枢纽工程河工模型试验研究

2017-03-20蔡智清张绪进谢灵运

水力发电 2017年12期

蔡智清，张绪进，谢灵运

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074;2.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

0 引言

拟建的大渡河沫水航电枢纽工程位于四川省乐山市沙湾城区上游，是大渡河沙湾水电站尾水出口与安谷水电站回水末端之间的一个梯级电站。距上游沙湾水电站13 km，距沙湾水电站尾水渠出口约4 km，距下游安谷水电站约13.6 km。该电站以航运、发电为主，兼顾少量企业供水［1-3］。《四川省内河航运发展规划(2001～2050)》拟定大渡河沙湾至乐山段35 km的航道为Ⅴ级。现阶段，沙湾水电站发电尾水至安谷水电站回水末端这一河段水位仍未衔接，约有6 km左右的天然河段，航道等级尚不能达到要求。在岷江下游四级开发方案(老木孔、东风岩、龙溪口及犍为梯级)逐步实施的前提下，建设大渡河沫水航电枢纽对于实现大渡河下段航道的连续渠化，确保岷江-大渡河下段航运畅通有着十分重要的意义。

本文采用经验证满足相似性要求的整体河工模型进行研究［4-8］，获取工程前后的水流条件，并据此进行研究及分析，对该航电枢纽设计方案的合理性进行验证并进一步完善［9-13］。研究表明，在原设计方案的基础上改进后形成的方案基本满足了大渡河下段航道的连续渠化需求，起到了改善通航条件的效果，当然仍存在一些问题，该方案还需进一步的试验加以完善。

1 工程概况

本枢纽工程主要建筑物从左岸至右岸依次布置有安装间、电站厂房、泄洪冲沙闸(12孔)及右岸船闸，坝顶高程411.2 m，坝线全长414.20 m。由于工程区对沫江堰引水工程的影响，在工程枢纽影响范围内对沫江堰引水渠进行改造，改造段由渠道和引水隧洞组成，总长约590 m，其中隧洞段总长约542 m，渠道段总长约48 m。

2 模型设计

本试验模型长9 km，由沙湾水电站尾水渠出口以上400 m处始至沐东坝以下500 m处止，这样保证了模型上下游调整过渡段够长，同时保证了该试验河段的水流相似性，也充分利用了实测坝址下游断面的水位流量关系，方便对尾水闸门水位的控制。基于试验场地大小、供水能力等相关因素的限制，整体河工模型试验的几何比尺确定为λL=λh=100的正态模型，其他比尺见表1。通过对流向、流速分布、水位及水面线变化等方面的验证，结果表明模型的相似性与相关规范的要求相符。

3 工程前水流条件试验及分析

为了对天然情况下工程河段的水流条件有充分的认识，通过模型对水库上游水流量 Q=500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000、4 500、5 000、5 820、7 190、8 940、10 000、12 000 m3/s等水流条件进行观测，对各级流量下水位及水面线变化、河道流速分布及流态特征等水力要素进行研究分析。结合工程河段水位、水面比降，流态及流速分布来看，受工程河段河势及地形条件影响，枯水期水浅、局部比降大，中洪水期水流急，工程河段天然情况的通航条件较差。

4 方案试验及分析

4.1 设计方案试验及分析

设计方案布置情况:5孔冲沙闸与7孔泄洪闸之间保留施工纵向围堰作为隔墙，隔墙长约87 m，顶高程约405.5 m。据模型试验观测情况表明:设计方案中泄洪闸与冲沙闸之间隔墙较长，高程较高，导致闸坝敞泄时在隔墙头部区域出现明显的绕流流态，由于电站敞泄时近坝区域流速较大，使靠近隔墙附近的泄洪闸过流不畅，水流下泄不均导致闸坝泄流出现一系列的问题，包括靠近隔墙的泄洪闸泄流能力显著降低，敞泄时坝前水位抬升;7孔泄洪闸过流不均引起下游消力池内形成远驱水域，消能效果不佳;隔墙两侧出现较大水头差，且流态较差，易导致隔墙失稳，进而危及隔墙自身乃至整个大坝安全等。为此对设计方案进行优化试验，试验表明:在设计方案基础上缩短泄洪闸与冲沙闸间的隔墙，一定程度上改善了泄洪闸前闸后流态，但不能根本消除隔墙头部的绕流流态。于是在设计方案的基础上拆除隔墙，同时对坝下游河段至彩虹桥上游进行了一定范围的疏浚形成改进方案。

4.2 改进方案试验及分析

4.2.1 工程河段沿程水面线变化情况

(1)正常蓄水位运行时。改进方案后水库蓄水时，库区回水末端位于沙湾水电站尾水渠出口(2号水尺)附近，工程河段沿程水位及水面线变化情况见图1。①受水库壅水影响，水库蓄水时库区水位较天然情况均有不同程度的提高，流量越小时水位壅高幅度越大，当Q=500～4 500 m3/s时，坝前壅水约6.04～2.74 m，受水库壅水影响，库区水面比降显著降低，天然情况下存在的枯水急流浅险滩大部分被消除。根据统计显示，Q=500～4 500 m3/s库区段水面比降约0.001 8%～0.041 4%，天然情况下大渡河一号桥附近的陡比降也有明显的降低，且水面比降变化趋势也较天然情况有所不同，水面比降随着流量的增大逐渐增大，最大水面比降出现在Q=4 500 m3/s时，约0.217 1%。故水库蓄水运行时库区航深加大，水面比降减缓，从航深和水面比降方面看基本可以满足船舶通航的要求。②大坝下游河段。由于对近坝段至彩虹桥上游进行了一定范围的疏浚，该段河道水位有所降低，最大降幅1.22 m，由于近坝水位降低使得坝下游水面比降较天然情况亦有所降低，根据统计，当Q=500～4 500 m3/s时，坝下游河道水面比降约0.000 9%～0.073 1%，且由于坝下游进行了疏浚，水深较深，故坝下河段航深和水面比降等方面都能满足船舶的通航需求。

表1 物理模型试验比尺

图1 工程河段沿程水面线(改进方案，正常蓄水位)

(2)全闸敞泄运行时。依据沫水电站初步设定的水库调度运行方式，当Q＞4 500 m3/s时，电站停机，闸门全部开启泄洪。对Q=4 500～12 000 m3/s的库区沿程水位及水面线变化进行监测，结果如图2所示。由图2可知，在大流量时枢纽的泄流能力稍有不足，各级敞泄工况下坝前水位较天然情况时均有不同程度的抬高，且流量越大，水位抬高幅度越大。当Q=4 500～12 000 m3/s时，坝前壅水约1.05～3.84 m，越往上游壅高幅度越小，回水尖灭点随流量的变化也各有不同，即流量越大，回水尖灭点逐渐上移。①受库尾河段开挖疏浚影响，当Q≤7 190 m3/s时，库尾沙湾尾水附近水流较天然情况反而有所降低，当Q=8 940 m3/s时，沙湾尾水位与天然情况基本相同，随着流量进一步加大，沙湾尾水附近水位有所壅高，最大壅高值约0.22 m。受坝前壅水的影响，库区水面比降与天然情况相比有所降低，总体比降均较小，但大渡河一号桥附近的局部比降较大，当Q=4 500～7 190 m3/s时，该处比降分别为0.276 1%、0.283 3%和0.301 9%，由于工程河段规划航道等级较低，上述流量时大渡河一号桥附近比降陡，通航较为困难。②大坝下游河段。由于对近坝段至彩虹桥上游进行了一定范围的疏浚，该段河道水位有所降低，使得坝下游水面比降较天然情况有所降低，这与水库蓄水时情况基本一致，根据统计，当Q=500～4 500 m3/s时，坝下游河道水面比降约0.065 2%～0.127 1%，且由于坝下游进行了疏浚，水深较深。故当Q≤7 190 m3/s时的各级通航流量下航深和水面比降均满足船舶通航的要求。

图2 工程河段沿程水面线(改进方案，敞泄)

4.2.2 工程河段沿程流速与流态变化情况

对改进方案后，水库蓄水发电和电站停机全闸敞泄的不同工况进行枢纽上下游河段的流速与流态变化情况监测分析。

4.2.2.1 库区河道流速与流态分析

(1)正常蓄水位运行时。依据设计拟定的水库运行方案:当Q≤4 500 m3/s时，水库按正常蓄水位405.00 m运行，经试验观察与分析，结果表明:因为坝前水位抬高，水库壅水，致使水库回水区范围内水流较为平缓，流速显著小于天然情况。①当Q≤1 000 m3/s时，由于来流量较小，库区水位壅高幅度较大，整个库区水面均十分平静，水流平缓。②当Q=1 500～2 500 m3/s时，整个库区河道受水库壅水影响效应仍较明显，库区内流速较天然情况降幅明显，库区内流速分布较为均匀，基本无不良流态。③当Q=3 000～4 500 m3/s时，水库仍蓄水运行，而泄洪冲沙闸开始参与泄流，随着来流量的增大，库区流速进一步加大，库区内部分区段特别是库尾及大渡河一号桥附近区域流速较急，近坝河段由于壅水影响，流速相对库尾河段明显要低，对比枢纽建成前后，库区河段的流速均有不同程度的降低，越靠近坝前其流速所降低的幅度越大。

(2)全闸敞泄运行时。按水库调度运行方式:当Q＞4 500 m3/s时，泄洪冲沙闸门全部开启泄洪，研究4 500 m3/s＜Q≤12 000 m3/s下库区河道的水流条件。由前述水位变化分析可知，在全闸敞泄的各级流量情况下，库区水位壅高的区域仅限于坝址附近，坝址以上其他河段沿程水位均略低于天然状况下的水位，其流速分布与天然状况下流速基本一致，流速变化主要限于近坝河段。受大渡河河槽狭窄，泄流通道有限的影响，水库敞泄时，把上游河段流速均较急，流速随着流量的增大逐渐增加。当Q=5 820 m3/s时，整个库区河段流速分布较均匀，流速约为3.0～4.5 m/s，其中库区上段流速约为3.6～4.5 m/s，库区下段流速约为3.0～4.0 m/s。与天然情况不同的是，由于筑坝导致水位有所抬升，库内流速分布较天然情况均匀一些，库区主流无明显随主流分布的趋势。当Q=7 190 m3/s时，库区内流速分布规律与Q=5 820 m3/s大致相同，库区上段流速约为3.6～4.8 m/s，库区下段流速约为3.2～4.2 m/s;当Q=10 000 m3/s时，库区上段流速约为4.2～5.5 m/s，库区下段流速约为3.8～5.5 m/s;当Q=12 000 m3/s时，库区上段流速约为4.5～5.7 m/s，库区下段流速约为4.3～5.5 m/s。

4.2.2.2 下游河道流速与流态分析

(1)正常蓄水位运行时。当Q≤2 500 m3/s时，上游水流量均用于发电，泄洪冲砂闸关闭，通过对实测资料的研究与分析可知，当流量较小时，坝下游河段水面比降、流速平缓，伴随着流量的变大，自电站尾水渠下泄的水流流速较为集中，流速亦随之逐渐变大，与电站异岸布置的船闸口门区内基本为回流所覆盖。当3 000≤Q≤4 500 m3/s时，电站满发，富余出来的流量经泄洪冲砂闸下泄，实测资料表明，随着下泄流量的增大，坝下游河段流速也增大，主流区的分布与天然情况大致相同，仍基本随深泓布置，弯道扫弯水明显，下游引航道口门区全部为回流所覆盖，且回流强度较大。

(2)全闸敞泄运行时。当Q＞4 500 m3/s时，全闸敞泄，电站停机，对Q=4 500～12 000 m3/s等6级流量进行了实测，获取了下游河道内的流速分布并分析，可知当上游水流量增大时流速亦随之增大。敞泄时，枢纽上下游的水位差较小，坝下消力池内及下游水深较大，出池水流比较为平缓，流速分布较为均匀。下游河道流速与天然情况流速，二者的流速分布情况基本上一致。当 Q=5 820、7 190、8 940、10 000、1 200 m3/s时，随着下泄流量的增大，坝下游河段流速显著增大，主流区的分布与天然情况大致相同，基本随深泓布置。上述5级流量下，消力池出口下游CS45断面最大流速分别为3.49、4.21、4.82、5.10、4.95 m/s，CS50断面最大流速分别为3.60、5.06、5.73、6.36、6.94 m/s，而后主流随河道转弯向右偏转，至沫若广场附近(CS54断面)最大流速分别为4.49、4.73、5.51、5.96、6.66 m/s，彩虹桥附近最大流速分别为4.42、4.54、5.71、6.49、6.80 m/s，主流紧靠右岸，CS65断面最大流速分别为3.72、4.21、5.27、6.17、6.63 m/s。

5 结语

天然情况下，沫水航电枢纽工程河段受大渡河河势及水势条件的影响，水陡流急，枯水期急流滩险碍航，中洪水期则水流较急不宜通航，总体通航条件较差。在沫水航电枢纽改进方案实施后，工程河段水流条件得到了一定程度的改善，船舶可安全进出上游引航道的最高通航流量基本可以达到Q=4 500 m3/s(电站发电，水库蓄水)。坝下游河段，由于受到河床地形条件及枢纽调度运行方式的影响，该方案下船闸下引航道除Q＜1 000 m3/s的小流量时能满足船舶安全通航要求，其余流量级均不满足规范要求。

综合上述试验基本情况对改进方案存在的问题总结如下:

(1)实测各级敞泄工况下泄流能力略显不足，需要采取一定的措施适当增加枢纽泄流能力，并复核库区沙湾城区防洪堤高程。

(2)应该再进行更深程度的优化与调整，进一步改善下引航道口门区的通航条件。

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