径流式电站通航水流条件优化措施研究

2021-07-03段宛玥董俊君陈立华

中国农村水利水电 2021年6期

段宛玥，董俊君，陈立华

（1.广西大学土木建筑工程学院，南宁530004；2.云南建设基础设施投资股份有限公司，昆明650000）

0 前言

我国水运历史悠久，水路具有运输成本低、运量大，投资效益高，污染小等优点。在通航河流上修建水利枢纽，需要保证或改善其通航能力。引航道的相对静止的水流与主河道中运动的水流在口门区交汇，电站的泄水建筑物与导航分水建筑物等都对口门区水流产生影响。电站建成后下游水流自泄水闸向下流动过程中在口门处河道放宽，且同一河流过水断面上流速分布不均，正对泄水闸泄水孔区域流速往往较大，靠近岸边区域流速往往较小，这使得水流弯曲变形，形成了斜向水流，斜向水流对周边水域的进一步作用产生了回流和漩涡。较大的斜向水流产生的横流和回流，会造成航向船舶的横向漂移和扭转，严重时船舶失控造成事故［1-3］。因此，修建水利枢纽布置船闸引航道时应关注下游口门区的水流条件，提前进行论证，并提出改善下游口门区水流条件的措施。

工程措施主要分为：①设置防护设施。如杨宇等［3］依托城景水电站设置不同体型的透水墩。余凯等［4］通过建立水工整体定床模型，提出缩短隔流墙并增设透水段的措施。周勤等［5］以古顶水利枢纽二线船闸通航水力学试验为例，得出布置70 m外挑导航墙的措施。②提出改道疏挖措施。如李茜希等［6］以橄榄坝枢纽工程为例，通过改变运行调度方式对口门区通航水流条件进行优化。赵家强等［7］针对潮州供水枢纽东溪水闸段的不良流态，提出降低通航标准、优化航线、开挖与调整凸岸岸线等措施。陆峰［8］通过采用支流改道的方法，减小回流流速。③多种措施相结合。如：王建平［9］、刘晓平［10］在工程中均提出了将疏挖与防护相结合的措施。另一方面，基于圣维南方程的平面二维水动力数值模型已经被广泛应用于模拟天然或工程后河道水流运动的模拟［11-14］。

因枢纽的位置、河势、来水来沙情况不同，枢纽及通航建筑物布置方式不同，可以采取不同的措施或者多种措施组合改善通航水流条件，并从工程效果及工程量的角度优化措施。本文以汉江某径流式电站通航水流条件为研究对象，建立水电站二维水动力数学模型模拟论证电站建成后通航水流条件，分析论证其优化措施，为工程设计提供技术依据。

1 平面二维水动力数学模型

基于该径流式水电站现坝址位置和工程布置，采用CCHE2D软件建立二维水动力模型对电站建成后的不同流量下下游口门区通航水流条件进行模拟分析，并拟采用河床疏挖的方法改善下游口门区通航水流条件。

1.1 基本方程

笛卡尔坐标系下平面二维水流运动基本方程为：水流连续方程：

水流运动方程：

式中：Z为水位，m；h为水深，m；u、v分别为x、y方向的流速，m/s；C为谢才系数，m1/2/s；γt为紊动黏性系数；g为重力加速度，m/s2。

为拟合不规则河道边界，模型采用正交曲线网格对计算域进行网格划分。正交曲线坐标系下水流基本方程如下：

式中：U、V分别为ξ、η方向流速分量，m/s；Z、h分别为水位和水深，m；n为糙率系数；f为柯氏力系数，f=2ωsinΦ；ω为地球自转角速度，m/s，Φ为评价河段所处纬度；σξξ、σηη、σξη、σηξ为应力项，Pa；Γξ、Γη表示正交曲线坐标系中的拉梅系数，Γξ=表示紊动黏性系数vt=α u h，α=0.5～1，u*为摩阻流速，m/s。

1.2 计算方法

为保证水流模型中水量和动量有较好的守恒性，采用有限体积法进行数值离散。方程离散采用了自动迎风格式。为了避免水位锯齿波采用交错网格技术。

1.3 计算概化

用的两种方法。

水电站工程水工建筑物主要有挡水坝、船闸、电站厂房、泄水闸，计算中考虑挡水坝及船闸不过水，电站厂房泄水发电、泄水闸过水担负泄洪的任务，在电站厂房、泄水闸所在位置相应网格节点，依据建筑物高度修改河底高程。局部加糙是指增加各水工建筑物附近的二维计算网格节点的局部糙率。局部阻力系数通过下式计算：

式中：A为过水面积；ζ为局部阻力系数。

在实际估算中，将局部阻力系数转化为糙率：

式中：H为水工建筑物以外的河道水深。

概化后工程区域所在网格的局部综合糙率系数为：

根据水电站布置及结构型式、河道地形等对工程进行合理概化才能使数学模型计算能反映拟建工程对河道水流运动的影响。局部地形修正和局部糙率修正是目前工程概化较为常

本文采用局部地形修正法，当网格尺寸建筑物尺寸相当时，直接将网格节点高程调整为建筑物高度对应高程，当网格尺寸大于建筑物尺寸时，调整网格节点高程使其满足，建筑物高程引起流量变动值与该处网格高程引起流量变动值相同即可。

2 应用实例

2.1 工程基本概况

应用实例中的汉江某径流式水电站为Ⅱ等大（2）型工程。工程主体建筑物由泄水闸、河床式电站厂房、连接重力坝段、船闸及鱼道等组成，坝轴线总长2 202.4 m，大坝坝顶高程79.30 m。电站正常蓄水位为76.23 m，校核洪水位为77.70 m，设计洪水位为76.23 m，死水位为75.93 m，上游最高通航水位76.23 m，下游最低通航水位64.12 m，最大水头差12.11 m。采用单线一级船闸，上、下游引航道为人工航道采用不对称方式布置，过闸方式为直线进闸、曲线出闸。枢纽附近航道、上下游引航道及船闸设计平面布置见图1。上下游航道及船闸等级均为Ⅲ级。

根据《内河通航标准》（GB 50139-2014）［15］，船闸引航道口门区水流表面最大流速限纵向流速2.0 m/s、横向流速0.3 m/s、回流流速0.4 m/s。

参照《三峡船舶航行标准》（JTJ305-2001）［16］及其他船舶航行标准，一般要求：设计船舶吨级为1 000 t，双线通航，设计船队为双排双列一顶四艘1 000 t级分节驳，船队尺度167 m×21.6 m×2.0 m，航道水深不小于2.4 m（2.0 m 船舶吃水加0.4 m 富余水深）。

2.2 边界条件

在平面二维水流模型中，通常河道开边界、闭边界及动边界条件具体如下：

开边界：进、出口水边界，通常在计算中取上游一远离研究区域的断面给定河道来流流量作为进口，同样在下游取一远离研究区域的断面给定相应水位作为出口。本次计算在模型验证阶段结合资料，取坝上游约4 km 距上游口门区约3.5 km 作为进口给定来流流量，取坝下游约6 km 距下游口门约5.2 km 作为出口给定相应水位；在进行营运期通航水流条件计算中，上游段取距坝约4.0 km 作为进口，泄水闸作为出口，下游段取泄水闸作为进口，取距坝下游6.0 km作为出口。

闭边界：计算区域的河道岸边界，模型中将设置为无法向流速。

动边界：因流量不同时而过水，时而不过水的区域，若被淹没则不做改变，糙率取正常值，若不过水就将其糙率取一无穷大正数。

2.3 水流计算条件验证

选取3 个断面CS1、CS2、CS3 进行水位测量，见图1。计算范围从水电站坝上游4.0 km 到坝下游6.0 km 共10 km，沿水流方向网格尺寸为10～20 m，垂直水流方向网格尺寸为5～15 m。通过调整主河槽和滩地的糙率结果为：主槽的糙率取值为0.016～0.018，滩地的糙率取值为0.021～0.024。水位及流速计算值与实测值吻合良好，计算水位值与实测水位值的误差最大为0.02 m，流速及流量误差在±5%以内，见表1。说明数学模型建立正确，参数选取合理，可用于该水电站引航道口门区水流条件计算模拟研究。

表1 断面计算水位与实测水位对比表Tab.2 Comparison table of calculated water level and measured water level of cross section

2.4 计算方案

因该水电站下游引航道口门区附近右侧河床为原河道深泓，地形高程较低约61.0～62.5 m，左侧地形高程相对较高约63.0～67.0 m，有滩地和江心洲分布，该水电站的泄水闸和电站厂房均位于引航道左侧，由泄水闸和电站厂房下泄的水流因地形原因在下游引航到口门区附近可能会形成横流、回流等不利于船舶通航的情况。以降低口门区水流流速，减小水流流向与航道中轴夹角为原则，拟定四种疏挖方案如图2所示，计算各方案下水流运动情况，论证其是否满足通航条件。疏挖范围一是通过无疏挖方案预试验结合下游地形确定，疏挖范围二则是在疏挖范围一试验结果的基础上，通过水流条件的分析确定。其中，“疏挖方案一”为将“疏挖范围一”疏挖至64.0 m 高程，如图2（b）所示；“疏挖方案二”为将“疏挖范围一”疏挖至63.5 m 高程，如图2（b）所示；“疏挖方案三”为将“疏挖范围二”疏挖至63.5 m高程，如图2（c）所示；“疏挖方案四”为将“疏挖范围二”疏挖至63.5 m，下游部分区域疏挖至62.0 m高程，如图2（d）所示。

根据水电站泄水建筑物调度运用原则，选取下泄流量为350 m3/s（最小通航流量）、1 570.4 m3/s（4 台机组满发流量）、6 200 m3/s（近期最大通航流量，6 孔控泄）、12 000 m3/s（远期最大通航流量，12 孔控泄），研究上下引航道口门区通航水流条件。

2.5 计算成果

2.5.1 通航水流条件分析

疏挖范围位于下游引航道左侧，未对枢纽上游产生影响，因此各疏挖方案上游情况一致。本文主要针对下游引航道及附近区域水流条件展开分析。由于河段并非完全顺直，且船闸无论采用何种布置方式都会出现不利于航行的复杂流态“斜向流”，可将其分解为纵向流、横向流和回流进行研究，这样也便于为通航水流条件提供参考限值。需对下游引航道口门区附近水流条件进行计算流场分析，因此下文中选取如图1所示下游口门区范围内水流条件进行分析。

根据本文口门区定义选取五个断面分析不同方案的水流情况，并比较不同方案的优缺点。以疏挖方案减小横向流速效果最佳的350 m3/s 流量为例，在原设计方案、疏挖方案一、二、三、四时下游口门区流态速分布见图3。

从图3可知，下泄流量为350 m3/s 时，原方案图3（a）在X3～X4 断面间水流流向与航迹线夹角较大，基本表现为横流，主流靠近口门区；疏挖方案一图3（b）、疏挖方案二图3（c）在X3～X4 断面的横流区域上移，主流较原方案略远离口门区，在左、右航迹线区域内流速变小，但水流流向与航迹线夹角仍较大，表现为流速较小的横流；疏挖方案三图3（d）、疏挖方案四图3（e）在X3～X4 断面的横流区域上移，主流较原方案进一步远离口门区在左、右航迹线区域内流速变小，且水流流向与航迹线夹角变小，X1～X5 区域内均表现出，流向与航迹基本一致的流态。

当下泄流量为350～12 000 m3/s 各流量级时，在航迹线内各方案口门区各断面最大纵向、横向、回流流速如表2所示。

表2 各流量级各方案下流速对比 m/sFig.3 Comparison of flow velocities in different flow stages and schemes

纵观以上数据知，疏挖方案一、二对改善口门区通航水流条件具有积极作用，在小流量条件下，即350 m3/s、1 570.4 m3/s时，能降低横向流速，在大流量条件下能使主流远离口门区，降低纵向流速，但并不能达到通航要求；疏挖方案三、四对改善口门区通航水流条件具有积极作用，在小流量条件下，即350、1 570.4 m3/s 时，能降低横向流速，在大流量条件下能使主流远离口门区，降低纵向流速，能达到通航要求。

2.5.2 最小通航水深及航宽

由以上分析可知疏挖方案一、二水流流速未达到要求，因此不考虑其最小通航水深问题。当下泄流量为350 m3/s（下游水位64.6 m）时，疏挖方案三：在原疏挖范围外下游200～400 m段航道水深小于2.4 m，需对该部分进行疏挖方能通航，如图4（a）所示；疏挖方案四：下游引航道口门区及疏挖航道内的水深及航宽均满足要求，如图4（b）所示。