宽浅河道水闸运行调度对口门区水流的影响

李茜希，韩昌海，汪　罗

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

通航建筑物的上游及下游引航道口门区是通航船舶(队)出入引航道的必经之地，在口门区处引航道内基本静止的水流和河道内剧烈运动的水流相互交融进行能量交换，因此口门区的水流条件相当复杂[1]。其优劣程度与来流条件、固体边界条件休戚相关，从枢纽运行角度出发其主要影响因素包含河道形态、闸门泄水启闭方式、船闸充水与泄水方式、电站日调节方式等[2]；从建筑物结构角度出发其主要影响因素包含口门区所处位置、口门区结构形式及尺寸、泄水闸布置方式等。

合理调配枢纽运行方式是改善引航道口门区通航水流条件的重要措施，但该项措施具有一定的适用条件。当泄水建筑物尺寸较小且口门区离坝轴线较远即泄水建筑物长度与导流堤长度比值较小时，调度方式的改变不会引起口门区通航水流条件的明显变化。另一方面当泄水建筑物尺寸很大且口门区离泄水建筑物较近即泄水建筑物长度与导流堤长度比值较大时，远离船闸区域泄水建筑物调度方式的改变同样不会引起口门区通航水流条件的变化。本文研究对象为泄水建筑物长度与导流堤长度比值适中的枢纽。根据船闸与电站的相对位置的不同，枢纽布置方式可分为同岸布置和异岸布置。同岸布置的枢纽船闸与电站相邻，电站可以视为靠近船闸侧“泄水闸”。同时，异岸布置时船闸紧邻泄水闸，泄水闸调度方式改变对引航道口门区通航水流条件的影响更为显著。由此可见研究异岸布置的枢纽更具有普遍实用价值。因此，本文的研究侧重点在于船闸与电站异岸布置的枢纽。为得到具有普遍性的调度原则，模型的建立必定需要具有一定的代表性。橄榄坝枢纽位于宽浅河道中，采用河床式开发，由拦河坝、泄水建筑物、电站厂房、船闸等建筑物按“一”字型布置，其中泄水建筑物由9孔泄水闸组成，泄水建筑物宽度以及泄水闸数量适中，不同的枢纽调度方式对口门区通航水流条件有显著影响。本文将以橄榄坝为基础，忽略河道形态、地形等条件的影响建立矩形概化模型，分析不同调度方式下通航水流条件的变化规律。

概化模型左岸布置厂房由5台发电机组构成，右岸布置通航建筑物，中间布置9孔泄水闸，模型模拟总宽度400 m，其中泄水闸总宽度167 m，电站总宽度117 m，模型总长度2000 m。河道底高程统一布置为520 m。规范规定：导流堤长度应该由直线段、制动段、口门宽度在引航道内的延伸段三部分组成，总长度应为6.5～7.5倍设计最大船长[3]。概化模型中导流堤堤长取392 m，为设计最大船长7倍。最低通航流量504 m3/s，电站满发引用流量2615.5 m3/s，最高通航流量8640 m3/s。将9孔泄水闸沿左岸到右岸依次编号为1#～9#，同时根据9孔泄水闸与船闸位置关系将泄水闸划分为三个区域，分别为厂房区(包含1#、2#、3#泄水孔)、中间区(包含4#、5#、6#泄水孔)以及船闸区(包含7#、8#、9#泄水孔)。模型平面布置图见图1。

图1　模型平面布置图

1　水动力数学模型建立

自然界的河流运动均是三维水流运动，在引航道及口门区水流条件研究中，水平向水深、流速等水力参数变化比垂直向变化要大得多，因此，天然河道水流垂直尺度相对于水平尺度可以忽略不计。故可将垂直向水深取平均水深，将三维水流运动基本方程沿程进行积分，便得沿水深平均的二维水动力运动基本方程。二维水动力模型可以较为真实的模拟水流在二维面上的流动情况，因此，可与传统的物理模型试验结果相互验证、互为补充[4]。

对于模拟河段的实际地形和水流条件，选用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动，建立平面二维水动力数学模型，其控制方程为[5]：

水流连续方程：

(1)

X方向动量方程：

(2)

Y方向动量方程：

(3)

为了更好地适应模型范围地形和计算精度要求，引航道口门区等重点区域采用三角形非结构网格，单元较密，尺度较小，其他区域采用四边形非结构网格，最大网格步长35 m，在口门区附近进行了网格加密，局部最小步长10 m，计算范围网格数为9758，节点数为20 066。模型网格如图2所示。

图2　模型计算网格

2　枢纽运行调度对通航水流条件的影响分析

枢纽的运行调度方式可按照以下方式分类：①根据闸门开启顺序有同步开启和逐步开启；②根据组合形式有均匀开启、间隔开启、对称开启；③根据开度大小有局部开启和全开[7]。

2.1　单宽泄流量的影响

引航道口门区的水流条件受到流量、泄水闸泄流宽度、地形条件以及口门区位置等多方面因素的制约。其中流量和泄水闸泄流宽度的影响可以采用泄流区单宽泄流量作为统一的衡量标准。单宽流量的变化直接影响下泄水流的流速、水流恢复至沿河道均匀分布所需的距离等条件。本节保持导流堤堤长以及河宽不变，采用9孔敞泄的泄流方式，模拟单宽泄流量变化时下游口门区通航水流条件的变化情况。模拟成果见表1，流速分布图见图3。

表1　口门区特征流速统计表

图3　不同单宽泄流量下流速分布图

图4　流速与单宽流量关系图

由图4对比结果可知当河宽相同时，单宽流量越大则口门区最大回流流速、最大横向流速以及最大纵向流速的值越大。出现这种规律与口门区回流形成的机理有关：引航道导流堤对水流具有阻挡作用，将水流分割为泄水闸下泄动水与引航道静水两部分。导流堤堤头是两部分水流的交汇处，由于流速差的存在产生了剪切力，通过剪切力的作用两部分水流进行能量交换，进而使得引航道口门区内靠近泄水闸一侧的部分水体在动水的带动下向下游流动，形成摩擦流。一方面摩擦流被带向下游之后导流堤堤头部分产生空隙，随之靠近岸边的水体以及部分引航道内水体流入填充，形成重力补偿流；另一方面，摩擦流向下游流动，水位升高，同时由于堤头补偿流的产生河岸侧水体水位降低，使得摩擦流与河岸水体间产生正向压力差，继而让部分摩擦流继续流向河岸，形成另一支重力补偿流。由此形成一个封闭的水流系统维持口门区回流得以持续恒定地运动。所以，当单宽流量越大，靠近船闸侧水流携带的能量越大，在这类水体的带动下产生的摩擦流、重力补偿流获得的能量越多，回流强度越大。

2.2　单独开启不同区域泄水闸的影响

导流堤堤长为7 L，L表示设计最大船舶(船队)长度，流量为4870 m3/s不同开启方式时流态图见图5。当9孔均匀开启时，水流分布较为均匀；开启123#闸孔时主流偏向河道左侧，口门区形成一个大的回流区；开启456#闸孔时水流分布较均匀，主流位于河道中心，主流流速较9孔全开时稍大；开启789#闸孔时主流偏向河道右侧，河道左侧形成一个大的回流区，口门区回流范围较小。

不同流量时口门区特征流速见表2～表4。口门区流速随流量的增加而增加，且均满足如下规律：开启123#闸孔纵向流速最小，回流范围最大。开启789#闸孔回流范围最小，但横向流速、纵向流速、最大回流流速均最大。开启456#闸孔各项特征流速略微大于9孔全开，因为此时下泄主流位于河道中间，水流分布较为均匀。参考Ⅳ级航道标准Q=3370 m3/s各项特征流速指标均能满足要求，但总流量大于3370 m3/s时，或多或少会出现流速超标情况，由此说明当流量较小需要分区开启泄水闸时宜开启中间区泄水闸，当流量较大时不适宜单独开启某一区域泄水闸，需要采用其他调度方式。

图5　总流量4 870 m3/s，不同区域泄水闸泄流时流速分布图

流量/(m3·s-1)回流流速/(m·s-1)9孔全开123#456#789#33700.300.500.310.6648700.410.720.431.0772300.580.870.611.32

表3　 横向流速汇总表

表4　纵向流速汇总表

2.3　同一区域不同调度方式的影响

口门区的水流条件不仅与开启泄水闸的区域有关，也与每个区域开启方式有关。本节重点研究每个区域开启方式不同对通航水流条件的影响。

2.3.1船闸区不同泄流方式的影响

在流量Q=4870 m3/s，保证船闸区、中间区、厂房区三个区域总泄流量相同，中间区、厂房区水流由三个泄水闸平均下泄，而船闸区采用不同的泄流方式时分析口门区的水流流态。泄水闸运行方式见表5，三种工况下流态图见图6。各工况特征流速值见表6。

船闸区三孔全部开启时，最大回流流速、最大横向流速、最大纵向流速均最小，水流沿河道分布较为均匀，主流位于河道中心线上，随着开孔数的减小，口门区流速逐渐增加且主流逐渐向右侧河岸偏移，当单独开启8#闸孔时，主流直接在口门区约300 m处冲刷右岸，以Ⅳ级航道标准衡量此时口门区各项特征流速均超标，水流条件很差。因此，船闸区泄流量固定的情况下，船闸区泄水闸开启越多口门区通航水流条件越佳。

表5　船闸区泄水闸运行方式表

表6　特征流速值

图6　工况一～工况三流速分布图

2.3.2中间区不同泄流方式的影响

在流量Q=4870 m3/s，保证三个区域总泄流量相同，船闸区、厂房区水流由三个泄水闸平均下泄，中间区采用不同的泄流方式。泄水闸运行方式见表7，三种工况下流态图见图7。各工况特征流速值见表8。

表7　中间区泄水闸运行方式表

表8　特征流速值

中间区不同调度方式下，水流分布较为均匀，主流位于河道中心线上，但对称开启两孔或单独开启中间一孔泄水闸时口门区水流条件均较中间区三孔全开好，因此，中间区泄流量固定的情况下，中间区泄水闸部分开启较全部开启时口门区通航水流条件佳。

2.3.3厂房区不同泄流方式的影响

厂房区采用不同的泄流方式。泄水闸运行方式见表9，三种工况下流态图见图8。各工况特征流速值见表10。

图7　工况四～工况六流速分布图

流量Q/(m3·s-1)厂房区中间区船闸区7#8#9#4#5#6#1#2#3#工况七541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1541.1工况八811.70811.7541.1541.1541.1541.1541.1541.1工况九01623.40541.1541.1541.1541.1541.1541.1

表10　特征流速值

图8　工况七～工况九流速分布图

厂房区三孔全部开启时，最大回流流速、最大横向流速、最大纵向流速均最大，随着开孔数的减小，口门区流速逐渐减小且主流逐渐向左侧河岸偏移，当单独开启8#闸孔时，主流直接冲刷左岸，此时，口门区水流条件最好。因此，厂房区泄流量固定的情况下，厂房区泄水闸开启越少口门区通航水流条件越佳。

不同区域下泄的水流对口门区通航水流条件影响不同。根据泄流位置可分为船闸区水流、中间区水流、厂房区水流三部分。船闸区水流靠近口门区，是导致口门区摩擦流形成的主要因素，船闸区下泄水流流量或者流速越大则摩擦流通过剪切力获得的能量越多，口门区形成的回流强度越大。中间区水流、厂房区水流距口门区相对较远，可视为同一类水流，即远离口门区水流。两类水流相互顶托、相互影响，当水流流速、流向差异不大时水流不会发生相互混掺的现象，但当两类水流存在明显的流速、流向差异时不同区域下泄的水流会相互掺混。当远离口门区水流流速较船闸区水流大时，由于流速梯度存在，导致船闸区水流受剪切力作用，部分水流向远离口门区处扩散，流速差异越大则剪切力越大，扩散作用越明显，船闸区水流携带能量相应减小，口门区处摩擦流能够获得能量随之降低，回流强度也相应减小。因此，在保持每一区域泄流总量相同时，船闸区泄水闸开启孔数宜多，使靠近口门区处水流平顺，流速降低从而达到减小口门区回流强度的目的；中间区及厂房区泄水闸开启孔数宜少。

3　结论及建议

实际工程中为保证船舶航行水深满足要求，船闸设计规范规定：口门区宜位于深泓线一侧。而本文立足于通航水深满足要求情况下，以减小口门区各项特征流速为出发点，通过概化模型对枢纽运行调度对口门区影响进行分析，得出以下适用于船闸、厂房异岸布置的宽浅河道中枢纽的调度原则：

(1)泄流单宽流量越小越有利于通航水流条件。

(2)当流量较小需分区开启泄水闸时，宜开启中间区泄水闸。

(3)当流量较大时，宜采用不同区域联合调度的运行方式。不同区域联合调度时，应保证主流仅由远离口门区泄水闸下泄，并且使靠近口门区侧泄水闸泄流量最小，此时主流远离口门区同时靠近口门区处仍有少量水流对主流起到一定的顶托作用从而改善口门区通航水流条件。

(4)不同区域不同泄流方式对口门区水流条件影响巨大。为改善通航水流条件，船闸区泄水闸开启孔数宜多，中间区、厂房区泄水闸开启孔数宜少。

实际应用中应结合工程具体条件优化枢纽布置形式。