向家坝升船机下游引航道口门区水力波动特性原型观测*

2020-12-23胡亚安安建峰赵建钧

水运工程 2020年12期

胡亚安，安建峰，赵建钧，王新

(南京水利科学研究院，江苏南京 210098)

天然河道修建水利枢纽后，为满足通航要求，需要设置船闸和升船机等通航建筑物。口门区位于船闸(升船机)引航道与连接段之间，是过坝船舶进出引航道的咽喉[1]。对于大型水利枢纽下游引航道，口门区处于引航道静水水域与河道动水的交界区。受电站日调节和枢纽泄洪的影响，通航建筑物下游引航道口门区水流流态复杂，水面波动较大，对船舶安全航行影响较大，严重时甚至会诱发海事[2]。

在我国多座大型通航枢纽中，通航建筑物引航道口门区波动问题均较为突出。如葛洲坝大江一号船闸下游引航道口门区水流受二江泄洪和西坝凸嘴挑流影响，出现较强的涌浪和大范围的横向波浪。根据实船试航结果，船舶在该区域航行时存在明显横摇，垂荡幅度达1 m，涌浪对船舶航行安全存在严重威胁，导致船闸最大通航流量无法满足设计要求[3]。我国湖南五强溪船闸在电站调峰和枢纽泄洪时，主流顶冲口门区形成明显的涌浪和横流，使得船闸最大通航流量仅能达到3 920 m3/s，远低于设计最大通航流量1万m3/s，严重影响船闸通过能力和通航效率[4]。向家坝枢纽泄洪时，升船机下游引航道口门区水位波动较大，横向波浪作用显著，船舶在口门区航行时，波流运动对船舶横摇、纵倾和垂荡运动影响十分显著，实船试航时工作人员及随船生物均出现不同程度的晕船、呕吐等现象。因此，开展大型通航枢纽引航道口门区水力波动特性研究十分必要，对保障船舶安全航行、提升枢纽通航能力意义重大。

本文针对向家坝升船机下游引航道水力波动问题，开展原型观测和模型试验，重点分析枢纽不同泄洪流量和发电流量组合下升船机下游引航道口门区的水力波动特性，研究枢纽发电、泄洪流量对口门区高频短波特性的影响和二者之间的相关关系，为解决向家坝升船机下游口门区波动制约船舶航行安全的问题、进一步改善通航水流条件提供技术支撑。

1 工程概况

向家坝水电站位于四川省宜宾县和云南省水富县交界的金沙江上，是金沙江水电基地最后一级水电站，也是金沙江水电基地中唯一修建升船机的大坝。向家坝水电站通航建筑物形式采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式一级垂直升船机，主要由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等5部分组成，全长约1 530 m。向家坝升船机按IV级航道标准设计，设计代表船型为2×500吨级一顶二驳船队，同时兼顾1 000吨级单船。向家坝升船机最大提升高度114.20 m，是目前建成提升高度最高的升船机[5]。

向家坝泄洪消能具有高水头、大单宽流量、泄洪频率高、运行时间长的特点。向家坝水电站泄洪建筑物包含12个表孔和10个中孔，表孔堰顶高程354.00 m，设计水头26.00 m，每孔净宽8.00 m，出口设平面20 m长的收缩段，宽度由8 m收缩为6 m，后为水平相切跌坎，跌坎顶高程261.00 m、深16.00 m；中孔进口底板高程305.00 m，出口等宽8 m，跌坎顶高程253.00 m、坎深8.00 m。向家坝水电站消能建筑物采用高低坎跌坎式底流消能，消力池中设有分区导墙，单池尺寸为228.00 m×108.00 m×52.00 m(长×宽×深)，底板为平底，底板顶高程245.00 m。

向家坝水电站消能建筑物紧邻水富市和大型企业云南天然气化工厂，为减轻泄洪消能对环境的不利影响，目前向家坝水电站渲泄较小洪水时采用表孔泄洪。如图1所示，表孔泄洪时消力池内形成波状水跃，并以短波形式传向下游。如图2所示，由于坝下河道较窄，波动向下游传播过程中未能充分衰减，加之地形影响，纵向高频波动在升船机下游引航道口门区附近转变为横向振荡波，导致该区域波动幅度较大，波流耦合作用下水流条件复杂，船舶在引航道口门区航行时航行姿态较差、操控难度大，船舶航行经过口门区时存在安全风险。

图1 向家坝水电站泄洪消力池

图2 升船机引航道口门波动

2 口门区水流条件及船舶系缆力原型观测

2.1 测点布置

在汛期泄洪时，分多次对向家坝升船机下游引航道波动情况进行原型观测，测点布置见图3。

图3 向家坝升船机下游引航道波动测点布置

图中1#测点位于下游引航道5#和6#靠船墩之间，在口门上游约360 m处；2#测点位于9#和10#靠船墩之间，在口门上游约210 m；3#测点位于引航道口门附近，在口门下游约30 m处；4#测点位于口门区中部，在口门下游约80 m，5#测点位于口门区末，距口门约160 m。

2.2 口门区流速分布及波动特性

向家坝升船机下游引航道口门区水流纵向流速限值为2.0 m/s，横向流速限值为0.3 m/s，回流流速限值为0.4 m/s[6]。原型观测结果表明：电站机组发电流量不超过6 000 m3/s，枢纽泄洪流量低于2 500 m3/s时，升船机下游引航道口门区纵向流速1.85 m/s；最大横向流速0.6 m/s，超标区域位于口门区回流末端，规划航线附近横向流速约0.3 m/s左右，基本不影响船舶安全航行；口门区近岸最大回流流速1.2 m/s，但规划航线附近回流流速低于0.4 m/s，通航水流条件基本满足要求。

现场观测结果表明，表孔下泄水流在消力池能形成振荡水跃，进而以短周期振荡波动的形式随流向下游河道传播。受局部地形影响，波动传至口门区后，波向发生改变，以垂直于岸坡的横向波动为主。

各测点典型的水位波动过程见图4。由图4可知，向家坝升船机下游引航道波动呈现高频随机波特性，波动周期和波高并不稳定，与长波波动过程差异显著。1#测点位于引航道内部，辅助闸室附近，该区域波动受下闸室及坝下固壁边界反射，波高与口门处波高(3#测点)基本相同；2#测点位于引航道中部，反射波影响较小，该处波动幅值明显小于引航道口门(3#测点)和辅助闸室附近(1#测点)；口门区中部波高大于口门波高，口门区末端波高最大。

图4 向家坝升船机下游引航道不同测点水位波动过程

3 水力波动观测成果分析

根据随机波浪理论，波高是相邻的波峰与波谷的高度差。对于复杂的随机波过程，将波高按从大到小排序，前1/3个波高的平均值为有效波高，表征波动的时均强弱。前1/10个波高的平均值为最大10%波高，表征最大波幅的时均特性。对于通航建筑物引航道内的高频随机短波，有效波高是船舶航行安全的主要影响因素。

不同泄量条件下，向家坝升船机下游引航道口门区各个测点的有效波高观测结果见表1。

表1可知：前4组观测工况出库流量(6 130～7 167 m3/s)略小于后4组出库流量(6 753～8 250 m3/s)，但是下游水位(273.2 m左右)略大于后4组工况(271.61～272.48 m)。电站发电流量4 700 m3/s时，表孔泄洪流量1 430 m3/s条件下引航道内有效波高约0.35 m，口门处有效波高约0.39 m，口门区中部波高约0.5 m，口门区末端有效波高约0.6 m；表孔泄洪流量增至2 500 m3/s时，引航道及口门区内波高显著增大，引航道内有效波高约0.55 m，口门处有效波高约0.77 m，口门区中部波高约0.82 m，口门区末端有效波高约0.91 m。由表1还可知，电站发电流量增至5 750 m3/s时，各测点有效波高较发电流量4 700 m3/s时有所减小，但幅度不大。另外，原型观测过程中还发现当枢纽不泄洪时，口门区水面平稳，无明显振荡波动，水体微幅扰动不超过0.1 m；枢纽采用中孔泄洪时，引航道及口门区内的波动亦有所减弱。说明枢纽表孔泄洪流量是影响引航道及口门区波动特性的主要因素，电站泄流及中孔泄洪对波动有抑制作用。

表1 不同工况下引航道及口门区最大波高

4 波高与表孔泄量的响应关系

引航道沿程各测点有效波高和表孔泄洪流量相关关系见图5。由图5可知，向家坝升船机引航道及口门区有效波高与枢纽表孔泄洪流量呈线性相关关系。口门处有效波高对表孔泄洪流量更为敏感，拟合曲线斜率最大；其余各测点有效波高随表孔泄量的变化率基本一致。

图5 引航道沿程各测点有效波高和表孔泄洪流量相关关系

根据上述相关关系，可得电站满发时引航道口门和口门区末端(最大波高处)有效波高的估算公式。其中引航道口门区末端有效波高为：

ht=0.000 18·Qs+0.41

(1)

引航道口门处有效波高为：

he=0.000 20·Qs+0.15

(2)

式中：ht为向家坝升船机下游引航道口门区末端有效波高，亦为口门区最大有效波高(m)；he为引航道口门处有效波高(m)；Qs为表孔泄量(m3/s)。

向家坝升船机最大设计通航流量为12 000 m3/s。根据上述估算公式，在最大设计通航流量下，电站发电流量为6 000 m3/s(满发)时，若表孔泄洪流量为6 000 m3/s，则引航道口门处有效波高为1.35 m，口门区末端有效波高为1.49 m。

实船试验结果表明，当电站发电流量5 750 m3/s、表孔泄洪流量2 500 m3/s，亦即引航道内有效波高0.5 m、引航道口门有效波高0.65 m、口门区末端有效波高0.84 m时，1 000吨级的船舶在下游靠船墩处停泊时实测最大系缆力111.64 kN，存在一定的安全风险。实测船舶上行过程中口门区最大漂角25°，最大横倾幅值7°，最大纵倾幅值1.3°，最大舵角35°；下行过程中口门区最大漂角40°，最大横倾幅值6.8°，最大纵倾幅值1.2°，最大舵角35°，虽可顺利进出引航道口门区，但是航行姿态较差，操控难度较高[7-8]。因此，现状条件下，当向家坝水电站表孔泄洪流量超过2 500 m3/s时，口门区通航水流条件将更为复杂，波动更为剧烈，船舶航行安全难以保障。