赣江象山枢纽闸门调度模型试验研究

张广明,胡雨涵,陈 斌,王志超,吴龙华,黄志文

(1.江西省水利科学院,江西 南昌 330029; 2.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098;3.国家电投江西电力有限公司江口水电厂,江西 新余 338025)

赣抚尾闾综合整治工程是贯彻习近平生态文明思想、推进国家生态文明试验区建设的重大工程。其中南昌水利枢纽是赣江尾闾综合整治工程的关键项目,计划在赣江尾闾的主支、北支、中支、南支新建闸控枢纽,主要任务为调控赣江枯期水位,改善南昌城区水环境及赣江通航条件,是关乎生态环境和社会民生重大工程。象山枢纽建于赣江下游尾闾河段主支之上,枢纽泄水闸均为多孔开敞式平底闸,下游附近河道束窄、弯急。因此在闸坝泄流过程中,闸门调度运行方式不当不仅影响船闸通航和鱼道过鱼,也容易造成下游河床严重冲刷,存在安全隐患。

20世纪以来,由于城市建设泥沙需求量巨大,导致赣江尾闾河道采沙活动更加频繁,大规模采沙导致河道产生严重变形,破坏了河床的稳定性,改变了河道的演变规律,对赣江尾闾河床演变造成了不可逆转的影响[1]。采沙使各支流河槽加深,断面面积增大,地形不均匀下切导致河道内流速变化剧烈,主支下游流速增幅竟超过1 m/s[2]。陈珺等[3]对赣江尾闾东西河宽深比进行分析得出一致结论。另一方面,赣江上游修建的众多水库对河流泥沙具有拦截作用[4]。由于万安水库等梯级枢纽拦截上游泥沙,赣江尾闾河段输沙量下降,导致该河段演变以冲刷为主[5]。罗蔚等[6]的研究证实了水库群具有滞沙的作用。河道整治工程对河道的演变也具有一定的影响,主要体现在改变河流各支流的分流比,从而破坏分汊口河段的输沙平衡,致使河道冲淤发生明显变化[7]。除人类活动外,自然环境的变化对河道冲刷也起到了不可忽略的作用。近年鄱阳湖枯水期水位下降明显,导致枯水期尾闾河道水面坡降增加,引起深槽冲刷[8]。以上人类活动和自然因素造成主支河道蜿蜒,深浅交错,河道内水流流态复杂,水流不具备船只通航、鱼类通过以及枢纽下游防冲的最适宜流速,存在一定的安全隐患,并且集中开启单侧闸门会导致闸下流速偏大,对下游冲刷较为严重,需要泄水闸联合调度,因此针对象山枢纽面临的问题展开系列试验研究,通过调节闸门开启的数量及方式,改善流态,从而制定最优闸门调度方案。

近年来众多学者主要采用物理模型与数学模型的研究方法在枢纽调度方式、下游消能防冲、河道水流特性等方面取得了丰富的成果,如薛阿强等[9]采用物理模型试验对不同工况下闸门开启的组合方式进行研究,提出了流量由小到大或由大到小闸门单向性连续开启或关闭的新型调度方式。朱瑞虎等[10]采用物理模型试验研究船闸开通的安全运行条件,得出不同上下游潮位差条件下闸室及引航道区域的水流流态、流速和启闭机受力规律。许兴武等[11]在洪水期、丰水期、枯水期调度和降雨初期雨水污染调度等典型时段进行调水试验,探究不同水闸调度方案对秦淮河水质改善的效果。田畅等[12]采用物理模型试验的方法,分析不同闸门调度方式下多孔闸的流态情况,提出了用池尾扩散比量化多孔闸的调度方法。肖小玲等[13]采用物理模型试验的方法,观测不同洪水工况时不同闸门调度方案下下游河道水动力条件与边坡冲刷影响的对应关系,分析闸门调度中影响下泄流量的各因素对下游河道内水流动力条件改变程度的敏感性,从而得到闸门调度对边坡冲刷的影响规律。胡海松等[14]利用FLOW-3D建立数学模型,研究多闸孔溢流坝正常水位小流量下多闸门不同的组合开启方式下的水流特性,总结闸门调度运行的水力学规律,给出小流量下的优化调度方式。托尔巴衣尔等[15]分析排沙设施闸门分流特征,拟定闸门调度运行方案,采用二维数学模型计算分析了不同方案下库区的冲淤情况,提出排沙设施闸门调度运行方式。刘恒恒等[16]建立多闸联合调度的裕溪河-牛屯河河网一维非恒定流模型,模拟分析巢湖洪水外排过程及闸门调度对裕溪河-牛屯河环形河网的影响。

本文通过物理模型试验验证枢纽泄流能力,分析不同流量、不同调度方式下枢纽上下游的水流特征,在满足枢纽通航、过鱼、下游防冲等诸多需求的情况下提出合理可行的闸门运行方案,为枢纽的安全运行和科学调度提供技术支撑,也为类似工程的模型试验和闸门调度问题研究提供参考。

1 工程概况

象山枢纽建于赣江下游尾闾河段主支流之上,位于南昌市新建区象山镇鸭洲村附近,距南昌市约35 km。象山枢纽主体建筑物由泄水闸、船闸、鱼道和连接挡水建筑物组成,枢纽泄水闸均为开敞式平底闸,设计洪水标准为20年一遇,共设17孔,从左至右依次分为3区:一区布置于河床左侧滩地,布置8孔30 m净宽常规泄水闸;二区布置于河床中间,布置2孔75 m净宽大孔闸;三区布置于河床右侧深泓部位,布置7孔30 m净宽常规泄水闸。左岸设有鱼道,右岸设有船闸,泄水闸布置及剖面图如图1所示。

图1 枢纽布置图

2 模型制作

图2 模型布置图

模型范围包括坝轴线上游约2 000 m,下游约3 000 m地形及枢纽建筑物。模型断面间距为0.8 m～1.0 m,共安装60个断面板,模型总长(不包括进水前池及沉沙池)约为50 m。上、下游河道地形及挡水坝部分均依照原型按比例缩小后,安装断面板并用水泥砂浆抹制。泄水闸底板用水泥浆刮模制作,闸墩、弧形闸门用有机玻璃制作,闸墩与溢流堰面用螺丝紧固,并用玻璃胶密封止水。

3 模型试验及分析

3.1 泄流能力试验

试验的校核工况流量为8 780 m3/s时,对应的校核水位为19.54 m;设计工况流量为8 250 m3/s时,设计水位为19.24 m。试验率定了17孔泄水闸全开状况下的泄流能力,试验结果见图3。从图3可知,当校核工况流量为8 780 m3/s时,闸前控制水位为19.51 m,比设计值低0.03 m;设计工况流量为8 250 m3/s时,闸前控制水位为19.23 m,比设计值低0.01 m,17孔泄水闸全开泄流能力满足设计要求。

图3 库水位与流量关系曲线

3.2 闸门调度原则

赣江尾闾南昌水利枢纽整体水位调度原则:畅洪调枯,以保障防洪安全、用水安全为前提,协调各分汊河道的生活、生产、生态用水量及分配,维持较为稳定的赣江南昌城区河段景观水位。南昌水利枢纽主要功能为枯期调控河道水位、航运、过鱼等;对于主支象山枢纽,工程汛期(4月～7月份)闸门全开敞泄,枯期(8月～次年3月份)调控河道水位,闸前最高控制水位15.50 m(外洲水文站)。

象山枢纽泄水建筑物共设17孔泄水闸,分为3区,由15孔30 m常规泄水闸及2孔75 m大孔闸组成。大孔闸采用平开式浮箱闸门,枯期挡水,汛期开闸畅泄,枯水期不参与调泄。常规泄水闸采用下卧式弧形闸门,液压启闭,能精准控制闸门开度,因此枢纽主要通过常规泄水闸一区、三区组合方式调节下泄流量。根据上游洪水来量,常规泄水闸分区、分级均匀开启运行。

当下游湖洪影响较小,外洲流量≤5 000 m3/s时,按“赣江四支水量分配,控制闸门”调配:(1) 当主支分配流量小于90 m3/s,采用大孔闸翻板闸门溢流方式过流;(2) 当主支分配流量大于90 m3/s而小于3 250 m3/s时,采用常规泄水闸联合调度的方式泄流;(3) 当主支分配流量大于3 250 m3/s时,闸门全部打开,泄水闸敞泄。考虑枢纽左侧鱼道进口区域应具备洄游鱼类感应流速,宜适当开启左侧闸孔以保证鱼道进口区域流速。当受下游湖洪影响大时,闸门全部打开后典型断面水位仍高于调控目标水位,泄水闸敞泄。

综合考虑鱼道过鱼、船闸通航及闸门安全运行等因素,并结合模型泄流能力和消能防冲计算分析成果,控制闸门开启的数量,以达到最经济的效益,提出以下调度原则:(1)当来流Q>2 822 m3/s时,闸门全开以宣泄洪水;当来流Q≤2 822 m3/s时,控制泄量使水位满足枢纽上、下游控制水位。(2)满足枢纽下游消能及鱼道进、出口的流速要求,同时不影响船闸口门区的安全流速。(3)试验流量的选取主要针对Q≤2 822 m3/s下的流速分布及消能情况进行研究,并结合Q>2 822 m3/s下泄水闸全开泄流能力综合分析。

闸址下游河床及滩地岩性为粉质(黏土)壤土、淤泥质黏土、细砂、中砂、砾砂及圆砾,枢纽河床开挖后的抗冲流速以砂砾允许抗冲流速为标准,如表1所示。结合工程河段水位流量特征,500 m3/s流量工况抗冲流速按1.0 m/s考虑,其他各流量工况抗冲流速按1.2 m/s考虑。

表1 允许抗冲流速建议值表

在闸门运行后,开挖段河床底流速小于该运行抗冲流速即认为消能满足设计要求。鱼道进口附近流速应满足0.6 m/s～1.2 m/s,出口流速尽量小为宜。此外,闸门调度时应不影响船闸口门区的通航要求。

3.3 调度方案试验边界条件

试验对各流量调度运行方案河床进行了表流速和底流速的测量,因Ⅰ区靠近鱼道,为了更清楚地了解鱼道附近的流速情况,故在Ⅰ区布置了更多断面,流速测量断面分布及位置见表2。

表2 测量断面及位置

枢纽上游控制水位选取上游外洲水文站的水位,下游控制水位选取下游昌邑站的水位。随着流量的不断增大,河道水面比降也增加,所以模型入口附近控制水位随流量增大而降低,模型试验各流量条件下的枢纽上下游控制水位见表3。

表3 闸门调度试验上下游控制水位

3.4 调度方案试验分析

闸门调度时,考虑闸门运维成本,尽量集中开启闸门,控制闸门开启的数量,以达到经济、便利的效果。但由于闸门调度需满足通航、过鱼、下游防冲,开启单侧闸门会导致闸下流速偏大,对下游冲刷较为严重,加之鱼道与航道位于河道两侧,其适宜船只通航与鱼类通行的流速难以满足,无法同时满足以上三个需求,因此考虑分散开启闸门。同时开启两侧闸门时,优先考虑下游防冲,其次考虑鱼道与航道的流速分布;优先关注Ⅰ区闸下流速,若Ⅰ区闸下流速不满足防冲要求,则淘汰此方案,后续无需关注Ⅲ区闸下流速。若面临调节开启闸门位置无法降低闸下流速,考虑在相应闸门旁增开一闸,以获取适宜流速;若鱼道或航道入口处流速偏小,则保持流速较为适宜的闸门位置不变,更换靠近鱼道或航道闸门开启的位置,选择开启靠近鱼道或航道的闸门;若鱼道或航道流速偏大,则选择开启远离鱼道或航道的闸门,此时仍无法满足要求,考虑增开一孔。枢纽在不同流量下闸门调度方式调整如下:

(1) 枢纽下泄流量Q=500 m3/s。

根据系列试验结果表明,只开一孔泄流闸下游流速超过了海漫和开挖河床的允许抗冲流速,故调度方案从开两孔开始考虑。由于Ⅰ区2、3号闸门下游是原河道深槽,因此方案一运行Ⅰ区2、3号闸门,试验结果显示方案一Ⅰ区LS7断面最大底流速约1.09 m/s,如图4(a)所示,超过抗冲流速1.0 m/s,说明启用单侧闸门会导致Ⅰ区闸下流速偏大,故考虑在Ⅲ区开闸。在开两孔的工况下,考虑Ⅰ、Ⅲ区各开一孔,设置方案二、三,试验表明方案二Ⅰ区断面最大底流速比方案一明显减小,Ⅰ区LS7断面最大底流速由1.09 m/s下降至1.02 m/s,如图4(a)所示;干砌石海漫段Ⅰ区LS5断面最大底流速由1.21 m/s降至0.91 m/s,如图4(b)所示。但Ⅲ区LS7断面最大底流速为1.11 m/s,仍超过抗冲流速1 m/s,如图4(c)所示。方案三Ⅰ区LS6、Ⅰ区LS7断面最大底流速均超过抗冲流速1 m/s,如图5所示。根据上述试验结果,闸门开两孔无论Ⅰ区单独调度还是Ⅰ区、Ⅲ区联合调度均无法有效地降低闸下流速,因此考虑开三孔。在方案一的基础上,再开一孔,设置方案四,试验结果显示方案四Ⅰ、Ⅲ区闸下流速下降,均不超过0.82 m/s,满足设计抗冲要求,但下游鱼道进口区域Ⅰ区LS10、LS11断面流速在0.2 m/s～0.6 m/s之间,流速偏小,不利于诱鱼,如图6所示。从图1(a)可看出,1号闸门靠近鱼道,为增大鱼道进口区流速,故设置方案五,此时LS10断面贴近鱼道处的测点1流速由低于0.6 m/s,增加至0.6 m/s～0.7 m/s,如图7所示,Ⅰ、Ⅲ区闸下流速不超过0.89 m/s,水流条件得到改善,方案五满足设计要求。

图4 方案一调整为方案二后底流速分布对比

图5 方案一调整为方案三底流速分布对比

图6 方案二调整为方案四后流速分布对比

图7 方案四调整为方案五后流速分布对比

(2) 枢纽下泄流量Q=1 000 m3/s。

由方案五可知,当开启Ⅰ区1-2号、Ⅲ区6号闸门调度时,水流主流靠近左岸鱼道,现流量较上个工况已大幅度增加,流速必然随之增大,为避免水流冲刷左岸护坡,调度时应尽量不开启靠近左岸的Ⅰ区1号闸门,并且考虑增加闸门开启的数量,从而获取较适宜的流速。该流量下考虑开四孔,由于Ⅰ区2、 3号闸门下游是原河道深槽且靠近左岸鱼道,开启Ⅰ区2、3号闸门调度不仅能够将水导入原河道深槽,而且可以保证鱼道进口区域有足够的诱鱼流速,因此在方案四的基础上增加一孔,拟定方案六,该流量工况下的调度方案为运行Ⅰ区2-3号,Ⅲ区6-7号闸门,结果表明鱼道进口流速为0.6 m/s～1.1 m/s,满足设计要求,此时Ⅰ区LS7断面最大底流速为1.25 m/s,如图8所示,比允许抗冲流速略大。为降低底流速,考虑在Ⅰ区增开一孔,拟定方案七。增开一孔后,结果显示Ⅰ、Ⅲ区闸下流速均明显下降,均不超过1.03 m/s,其中Ⅰ区LS5断面最大底流速由1.23 m/s降为0.95 m/s,Ⅰ区LS7断面最大底流速由1.25 m/s降为0.96 m/s,Ⅲ区LS7断面最大底流速由1.12 m/s降为0.94 m/s,如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示,满足抗冲设计要求;下游口门区横向流速基本小于0.3 m/s,不影响船闸通航,由图1(a)所示,Ⅰ区LS10断面1、2号测点位于鱼道附近,鱼道进口区域流速为0.6 m/s～0.9 m/s,如图8(d)所示,基本满足过鱼流速要求,方案七满足设计要求。

图8 方案六调整为方案七后流速分布对比

(3) 枢纽下泄流量Q=2 000 m3/s。

由表3可知,该工况上下游水位差减小,过流速度减小,下游水深增加2 m,河道流速减小。虽然流量增大,但水流流速减小,因此先考虑运行五孔闸门,拟定方案八。试验结果表明方案八Ⅰ区、Ⅲ区闸下流速均超过了海漫和开挖河床的允许抗冲流速,其中Ⅰ区、Ⅲ区LS7断面最大底流速分别达到1.54 m/s、1.61 m/s,如图9(a)、图9(b)所示,远远超过允许抗冲流速。为了改善水流条件,故考虑在方案八的基础上,在Ⅰ、Ⅲ区各增开一闸门,采用七孔闸门运行,设置方案九,试验表明Ⅰ、Ⅲ区闸下流速均减小,其中Ⅰ区LS7断面闸下流速下降至1.15 m/s,Ⅲ区LS7断面闸下流速下降至1.12 m/s,如图9(a)、图9(b)所示,满足抗冲设计要求;下游鱼道进口流速下降至0.9 m/s～1.2 m/s,如图9(c)所示,水流条件得到改善,下游口门区横向流速基本小于0.2 m/s,不影响船闸通航,故方案九满足设计要求。

图9 方案八调整为方案九后流速分布对比

(4) 枢纽下泄流量Q=2 500 m3/s。

由Q=2 000 m3/s流量工况的闸门调度试验成果可知,流量增大引起的流速增大幅度远大于上下游水位差减小引起的流速减小幅度,因此该工况可忽略上下游水位差减小对流速的影响。下泄流量增加,需增加一孔,考虑到方案九Ⅰ区闸下流速比Ⅲ区大,因此在Ⅰ区增加一孔,闸门调度从八孔开始试验,拟定方案十。试验结果显示Ⅲ区LS7断面最大底流速为1.45 m/s,如图10所示,不满足要求;调节Ⅰ、Ⅲ区闸门开启的数量,拟定方案十一,试验表明Ⅲ区LS7断面闸下流速下降至1.31 m/s,如图10所示,仍不满足要求。故考虑在Ⅲ区增开一闸门,采用九孔闸门运行,拟定方案十二。试验表明Ⅰ、Ⅲ区闸下流速均减小,其中Ⅲ区LS7断面闸下流速下降至1.03 m/s,如图11(a)所示,满足要求;鱼道进口区域流速基本保持不变,保持在0.9 m/s～1.2 m/s之间,如图11(b)所示,过鱼条件良好,故方案十二满足设计要求。

图10 方案十调整为方案十一后Ⅲ区LS7断面流速分布对比

综上所述,不同工况下根据试验情况调节闸门开启的位置和数量,从而得到更恰当的运行方案。当下泄流量Q=500 m3/s时,枢纽采用方案五运行闸门;当下泄流量Q=1 000 m3/s时,枢纽采用方案七运行闸门;当下泄流量Q=2 000 m3/s时,枢纽采用方案九运行闸门;当下泄流量Q=2 500 m3/s时,枢纽采用方案十二运行闸门。试验拟定的各工况下闸门运行方案如表4所示,流量为2 000 m3/s工况下采用方案九的平面流速分布见图12。

表4 闸门调度试验方案表

图12 2000 m3/s流量采用方案九平面流速分布图

4 结 论

针对赣江下游河段主支上的象山枢纽闸门调度面临通航、过鱼以及下游防冲等需求,开展水工模型试验,验证枢纽泄流能力,通过调节闸门运行方式解决枢纽面临的问题,结论如下:

(1) 校核工况8 780 m3/s下,设计水位为19.54 m;设计工况8 250 m3/s下,设计水位为19.24 m。泄流能力试验率定了17孔泄水闸全开状况下的泄流能力,校核泄量8 780 m3/s下,闸前控制水位为19.51 m;设计泄量8 250 m3/s时,闸前控制水位为19.23 m,泄水闸全开泄流能力满足设计要求。

(2) Ⅰ区、Ⅲ区闸门单独启用会导致该侧下游河道流速偏大,建议Ⅰ区、Ⅲ区闸门联合调度,不同工况下满足众多需求的方案有方案五、方案七、方案九、方案十二。

(3) 合理地控制闸门运行不仅能够降低水流对下游河床的冲刷,减小水流对船闸通航的影响,而且能减少闸门开启数量,节省运行成本,延长工程的寿命。