低水头航电枢纽施工期河床变形数值模拟研究

蒋融 肖宇 柳琴元

摘要：文章采用二维水沙数学模型研究手段对依托工程施工期河段河床变形进行了研究，发现在枢纽施工期间，束窄段河床冲刷变形剧烈，冲刷泥沙在下游堆积，冲刷的泥沙主要在横向围堰下游回流区及坝轴线下1 000～1 800 m附近的河床淤积。得到如下结论：上游至横向围堰进口处泥沙主要在围堰束窄段出现冲刷，冲刷泥沙主要在下游横向围堰出口以下淤积；泥沙冲淤量随流量的增长而增长，随过水断面的增长而减小。

关键词：河床变形分析；二维水沙模型；施工期；低水头航电枢纽

中图分类号：U617A602033

0引言河段河床变形分析对航道整治、水工建筑物建造等方面均有良好的指导作用。目前，河床变形分析大致有三种研究方式：理论分析、物理模型试验、数值模拟计算等。采用理论分析的方法进行河段河床变形分析，需要消耗大量的时间、人力和物力，其中也存在各种限制和困难，仅凭该法所得的结论一般不够深入［1-4］。采用物理模型试验的方法进行河段河床变形分析，其物理模型难以与原型的各类要素完全相似，同时物理模型往往需要占用规模巨大的场地、耗费大量设备、材料和人力，费用昂贵。在国外，众多学者［5］通过采用数值模拟计算的方式进行河床变形分析，取得了大量研究成果。在国内，近年来使用数值模拟计算进行河床变形研究的试验也越来越多，同时也取得了较多试验研究成果。数值模拟计算的方法既能摆脱实地观测和模型搭建有关技术和场地的限制，还能推进试验进程，尽可能减少人力、物力、财力和时间，得到的运算结果也更加精確。

针对低水头航电枢纽施工期河床变形的论文很少涉及数值模拟，本文依托土谷塘航电枢纽工程，采用数值模拟计算的方式对低水头航电枢纽工程的施工期河床变形开展分析，并从中探索施工期河床变形的规律和相关施工措施。

1概况

1.1工程概况

土谷塘航电枢纽工程坝址位于湘江中下游下段，为湘江干流八个梯级枢纽之一，其上游为已建的近尾洲枢纽，下游为已建的大源渡航电枢纽。土谷塘航电枢纽主要建筑物自左至右依次为鱼道、4台22.5 MW的灯泡贯流式机组、1孔排污闸、17孔泄水闸、1座千吨级船闸。永久性主要水工建筑物设计洪水为50年一遇，校核洪水为500年一遇。船闸等级为Ⅲ级，设计最大通航流量为13 500 m3/s，最小通航流量为138 m3/s。闸室有效尺度为180 m×23 m×4 m（长×宽×门槛水深）。电站总装机容量为90 mW，年均发电量为3.582×108 kW·h［6］。

1.2枢纽施工导流程序

土谷塘航电枢纽工程共分三期导流：

一期围右岸船闸及部分泄水闸，先修筑前期低水围堰，之后修筑一期和三期共用围堰及一期全年横向围堰。

二期单独围电站厂房，第二个枯水期由中部束窄河床过流及通航，一期全年围堰拆除前，需修筑船闸枯水期小围堰，汛期由已建闸孔与束窄河床联合过流，束窄河床通航。

三期围剩余左侧的泄水闸，三期采用过水围堰，枯水期由已建泄水闸过流，汛期由已建闸孔与过水围堰联合泄流，已建船闸通航。

2平面二维水沙数学模型的建立与验证

2.1模型基本方程

平面二维水沙模型基本方程可表示成如下通用微分方程式，即：

2.2模型的建立与验证

2.2.1模型的建立

模型的上边界距离坝址3 km，下边界距离坝址4.1 km，计算河段总长7.1 km。计算网格为拟合曲线网格，网格数为479×91，沿水流方向的网格单元尺寸为10～24 m，网格平均长度为16 m；沿河宽方向网格单元尺寸为4～13 m，网格平均宽度为7 m。模型的初始地形为2006-03-01：2000河道地形图，验证及计算初始地形为2010-10-01：2000河道地形图。

2.2.2泥沙模型的验证

由于缺少近尾洲枢纽下泄泥沙资料，进口悬沙含沙量采用文献［7］中提出的悬移质输沙率与流量关系公式，即Qs=1.67×10-5Q2.11，且考虑到近年来上游近尾洲枢纽蓄水因素对其进行了折减，折减系数为0.8。床沙级配采用2010年10月实测钻孔取样资料。

图1（a）给出了实测冲淤分布图，图1（b）给出了验证时间内计算冲淤分布图。由于1#～2#断面间的河段受人为挖沙影响很大，该段河床不参与验证。由图1可以看出：除1#和2#断面之间的河段外，其余各断面间的河段，其冲淤量误差均维持在20%以内。

3一期围堰施工导流期间坝区河段河床变形分析

3.1一期围堰施工导流期间各阶段河床变形情况

一期低水围堰导流期间，由于围堰历时短，且主要为枯水流量，坝区河床冲淤变化幅度不大，围堰束窄段冲刷的泥沙主要在下游横向围堰出口段及其下游的水流扩散段淤积；泥沙主要在上游横向围堰进口段及纵向围堰束窄段冲刷。具体情况如图2（a）所示。

一期全年围堰导流期间，经过典型丰水年的水沙过程作用后，坝区河段冲淤幅度总体大于一期低水围堰期，上游横向围堰以上计算河段累计冲刷量约为3万m3，围堰河段累计冲刷量约为12.6万m3，横向围堰下游计算河段累计淤积量约为10万m3。具体情况如图2（b）所示。

3.2一期围堰施工导流期间各阶段河床变形情况分析

表1给出了一期围堰施工导流期各阶段河床变形情况。

通过对比沿程三个不同河段发现，上游3 000 m以内至上游横向围堰进口处（以下简称“上游段”）冲淤量较少，且以冲刷为主，泥沙主要在围堰束窄河段（以下简称“束窄段”）处出现冲刷，冲刷泥沙主要在下游横向围堰出口处至下游4 000 m以内（以下简称“下游段”）淤积。

通过对比一期导流施工期不同阶段发现，低水围堰与全年围堰过流面基本一致，低水围堰略宽；低水围堰为期4个月，全年围堰为期10个月，低水围堰过流期较短；从流量上看，低水围堰导流期处于枯水期，全年围堰导流期处于丰水期，而最终一期低水围堰导流期泥沙冲淤量远比一期全年围堰导流期泥沙冲淤量少。由此可知，河段的泥沙冲淤量与围堰导流期时间长度、水流流量有关。

4.1二期围堰施工导流期间坝区河段河床变形情况

二期厂房围堰枯水期由于历时较短，冲刷幅度稍大段主要位于左侧厂房围堰与右侧一期全年围堰之间的束窄河段，冲刷的泥沙主要在左右两侧围堰下游回流区及坝轴线下900～2 000 m河床淤积。具体情况如图3（a）所示。

二期厂房围堰丰水期坝区河段冲刷区仍主要位于纵向围堰束窄段，冲刷的泥沙大都在围堰下游及坝轴线下500～1 400 m附近河段内淤积。具体情况如图3（b）所示。

4.2二期围堰施工导流期间各阶段河床变形情况分析

表2给出了二期围堰施工导流期各阶段河床变形情况。

通过对比沿程三个不同河段发现，上游段冲淤量较少，泥沙主要在束窄段出现冲刷，冲刷泥沙主要在下游段淤积。

通过对比一期导流施工期不同阶段发现，枯水期围堰比汛期围堰过流面小很多；枯水期围堰过流期较短；从流量上看，枯水期围堰导流期河段流量偏低，汛期围堰导流期河段流量偏高，最终二期枯水围堰导流期围堰束窄河段泥沙冲淤量与二期汛期围堰基本一致，下游段二期汛期围堰导流期的泥沙淤积量更少。

5.1三期围堰施工导流期间坝区河段河床变形情况

三期围堰期间遭遇丰水年的水沙工程作用后，坝区河段将产生较大的调整，坝区河段冲刷深度较大段位于已建7孔泄水闸所处的束窄河段，主要范围为坝上500 m至坝下1 000 m附近，冲刷的泥沙主要在横向围堰下游回流区及坝轴线下1 000～1 800 m附近河床淤积。具体情况如图4所示。

5.2各期围堰施工导流期间河床变形情况分析

后页表3给出了一期、二期及三期等各期围堰施工导流期各阶段河床变形情况。

通过对比不同时期沿程三个不同河段发现，上游段冲淤量均为最少，泥沙主要都在束窄段处出现冲刷，冲刷泥沙主要在下游段淤积。

通过对比一期全年围堰与二期厂房汛期围堰施工导流期发现，历时接近，过水断面面积基本相似，但一期

全年围堰为丰水期，二期厂房汛期围堰为中水期，泥沙冲淤量一期全年围堰大于二期厂房汛期围堰。由此可知，泥沙冲淤量随流量的增长而增长。

通过对比各期导流施工期不同阶段，一期时间基本相同；从流量上看，三期围堰导流时流量偏少，二期围堰导流时流量偏多；从平均过水断面面积上看，三期围堰最小，一期围堰最大；而最终三期围堰泥沙冲淤量最大，二期围堰泥沙冲淤量最小，且泥沙冲淤量随流量的增长而增长。由此可知，泥沙冲淤量随过水断面的增长而减小，且影响大于流量。

6结语

（1）根据实验数据和现场实际情况综合分析：上游段冲淤量一般较少，泥沙主要都在束窄段出现冲刷，冲刷泥沙主要都在下游段逐渐淤积。

（2）泥沙冲淤量随流量的增长而增长；泥沙冲淤量随过水断面的增长而减小，且其影响大于流量。

（3）通过土谷塘航电枢纽围堰施工导流，可以得到围堰施工导流工程的相关启示，作为今后类似工程的建设经验：施工前，应通过水文观测数据，尽量充分利用枯水期进行围堰施工，若无法在枯水期完成围堰施工，则要考虑在围堰之前先建一道低水围堰。围堰建设分期施工应充分利用枯水期流量较小的特点，选择合适的时机进行左右岸同时施工，并在丰水期确保在建泄水闸可正常投入使用，以便增大过水面积。施工前先进行宏观规划，避免重复施工，如分期围堰时，要考虑到纵向围堰可以重复利用的问题，节约施工成本，推进施工进度。

参考文献

［1］刘二佳，张晓萍，谢名礼，等.退耕背景下北洛河上游水沙变化分析［J］.中国水土保持科学，2013，11（1）：39-45.

［2］孙永寿，段水强，刘希胜，等.近年来青海省黄河流域泥沙变化趋势及成因分析［J］.水资源与水工程学报，2015，26（3）：169-174.

［3］许全喜，石国钰，陈泽方，等.长江上游近期水沙变化特点及其趋势分析［J］.水科学进展，2004，15（4）：420-426.

［4］戴会超，王玲玲，蒋定国，等.三峡水库蓄水前后长江上游近期水沙变化趋势［J］.水利学报，2007（Z1）：231-236.

［5］Lakshmanan M K，Budiarjo I，Nikookar H.Maximally Frequency Selective Wavelet Packets Based Multi-Carrier Modulation Scheme for Cognitive Radio Systems［C］. IEEE Globecom -ieee Global Telecommunications Conference.Washington，DC，2007.

［6］國家发展和改革委员会.国家发展改革委关于湖南湘江土谷塘航电枢纽工程项目建议书的批复［Z］.2010-10-23.

［7］乐培九，郝品正.国家“七五”科技攻关项目——湘江航运开发技术研究［Z］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，1989.

作者简介：蒋融（1991—），助理工程师，主要从事水运工程的管理研究工作。