湘江土谷塘航電樞紐車江壩址通航水流條件分析

劉 臣，閆建英，李君濤，普曉剛

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

湘江土谷塘航電樞紐車江壩址通航水流條件分析

劉 臣，閆建英，李君濤，普曉剛

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

采用delft 3d技術(shù)，建立了湘江土谷塘車江壩址河段二維正交曲線水流數(shù)學(xué)模型。計(jì)算中，首先采用天然實(shí)測資料對(duì)模型進(jìn)行率定，通過有關(guān)參數(shù)調(diào)整，使數(shù)值計(jì)算成果與天然實(shí)測資料達(dá)到精度要求。利用率定好的模型，模擬了湘江土谷塘航電樞紐車江壩址河段9種典型泄流方式的水流情況，分析了各泄流方式的河道流速分布特征，給出了引航道口門區(qū)和引航道內(nèi)部縱向流速和橫流分布及大小等通航相關(guān)參數(shù)，結(jié)合《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ305-2001）要求，對(duì)樞紐通航水流條件進(jìn)行了評(píng)定。

航電樞紐；電站；船閘；引航道；口門區(qū)

Biography：LIU Chen（1964-），male，professor.

湘江土谷塘航電樞紐工程位于湘江中游，是以航運(yùn)為主，兼有發(fā)電、交通、灌溉、供水與養(yǎng)殖等綜合利用的工程。湘江土谷塘航電樞紐上有近尾洲樞紐、下有大源渡航電樞紐。土谷塘航電樞紐工可階段擬定了上、中、下3個(gè)壩址，其中上、中壩址相距約9 km,分別位于近180°的急彎的上、下游。車江壩址位于中壩址下游6.2 km。壩軸線上游順直段長4 km，壩軸線下游800 m為90°彎道，壩址處河寬約520 m，河道底高程在44.0～46.0 m，河道兩側(cè)防洪大堤堤頂高程約62.0 m。本文采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)車江設(shè)計(jì)方案進(jìn)行通航水流條件分析。

圖1 土谷塘航電樞紐壩址河段河勢Fig.1 Sketch of Tugutang Junction reach

1 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案

土谷塘航電樞紐車江壩址平面設(shè)計(jì)方案建筑物布置從左至右依次為4臺(tái)機(jī)組電站、1孔排污閘、17孔泄水閘和一座III（2）級(jí)單線單級(jí)船閘。船閘最小通航流量443 m3/s，電站全負(fù)荷發(fā)電流量1 772 m3/s，最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s，樞紐設(shè)計(jì)洪水（50 a一遇）17 300 m3/s，校核洪水（500 a一遇）22 100 m3/s，設(shè)計(jì)正常蓄水位58.0 m，最低運(yùn)行水位55.2 m。

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

研究采用正交曲線二維水流數(shù)學(xué)模型［1-5］，模型進(jìn)口布于2006年水文測量的Q4測流斷面，河道全長11.1 km，其中樞紐上游8.1 km，樞紐下游3.0 km，涵蓋車江壩址和中壩址。模型水平為曲線（ξ，η）網(wǎng)格，H為水位，水流運(yùn)動(dòng)方程如下：

水流平面動(dòng)量方程

式中：u和v分別為ξ和η方向水深平均流速分量；f為柯氏力；Fξ和Fη分別為ξ和η方向的應(yīng)力梯度；Pξ和Pη分別為ξ和η方向的壓力梯度；Mξ和Mη分別為源（匯）在ξ和η方向的動(dòng)量分量；Q為源（匯）項(xiàng)；Cξ和Cη分別為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

模型率定與驗(yàn)證采用2006年實(shí)測沿程水位及斷面流速資料，進(jìn)口給流量，出口由與流量對(duì)應(yīng)的實(shí)測水位進(jìn)行控制。模型率定后，水位最大偏差0.024 m，大部分偏差小于0.01 m；斷面流速分布趨勢與大小計(jì)算成果基本反映了實(shí)測資料規(guī)律（圖2）。模型可用于模擬工程與水流的相互作用。

圖2 Q5斷面模型與原型流速分布驗(yàn)證Fig.2 Velocity verification along section Q5

3 設(shè)計(jì)方案通航水流特征分析

綜合樞紐建成后調(diào)度情況，對(duì)樞紐建成后控制水位、流量和調(diào)度方式，概化了9種泄流方式進(jìn)行通航水流條件研究［6］。

表1 樞紐規(guī)劃方案樞紐泄流典型組合方式Tab.1 Typical discharge ways of the junction layout plan

3.1 樞紐單純發(fā)電泄流

電站單機(jī)組發(fā)電泄流量為443 m3/s，電站4機(jī)組（全負(fù)荷）發(fā)電泄流量為1 772 m3/s。

3.1.1 樞紐上游

樞紐上游水流平順，只有到樞紐附近，由于電站發(fā)電引流，水流向電站流動(dòng)。（1）泄流443 m3/s時(shí)，河道流速基本在0.2 m/s；（2）泄流1 772 m3/s時(shí)，只有電站進(jìn)水口小范圍內(nèi)有大于0.5 m/s流速；引航道口門區(qū)最大流速0.34 m/s，最大橫流0.07 m/s，水流流向基本平行于航道走向；引航道內(nèi)流速小于0.1 m/s，基本為靜水。

3.1.2 樞紐下游

水流流出電站后立即擴(kuò)散，在電站右側(cè)、泄水閘下游和下引航道導(dǎo)堤圍成的三角形水域形成大的回流區(qū)，回流區(qū)開邊界為電站出水口與引航道導(dǎo)堤頭部的連線，大流速基本位于電站尾水段。（1）航道口門區(qū)，泄流443 m3/s時(shí)，水流平順，基本沿布置航道走向流動(dòng)，流速值小于0.3 m/s；泄流1 772 m3/s、下游水位不受大源渡調(diào)度影響時(shí)，流速小于0.8 m/s，最大橫流小于0.3 m/s，下游受大源渡50.1 m蓄水位控制時(shí)，合成流速小于0.5 m/s，最大橫流小于0.2 m/s；（2）引航道口門內(nèi)部流速小于0.1 m/s，基本為靜水。

圖3 泄流方式三樞紐近區(qū)流場Fig.3 Flow field of 3rd discharge way

3.2 泄水閘和電站聯(lián)合調(diào)度泄流

樞紐電站發(fā)電運(yùn)行的最大流量為6 300 m3/s，流量大于6 300 m3/s后，電站停止發(fā)電。

3.2.1 樞紐上游樞紐上游水流平順，水流橫向分布僅近壩區(qū)隨泄流方式的不同而變化，對(duì)引航道區(qū)流速分布影響很小。（1）樞紐蓄水、4臺(tái)機(jī)組發(fā)電與1～10#泄水閘聯(lián)合泄流。引航道口門區(qū)最大流速小于1.19 m/s，最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤頭部上游25 m口門區(qū)左側(cè)，為0.40 m/s，其余區(qū)域橫流小于0.30 m/s。

（2）樞紐蓄水、4臺(tái)機(jī)組發(fā)電與8～17#泄水閘聯(lián)合泄流，最大合成流速小于1.20 m/s，最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤頭部上游25 m口門區(qū)左側(cè)，為0.40 m/s,其余橫流小于0.30 m/s。

兩種泄流方式，引航道內(nèi)流速均小于0.1 m/s，基本為靜水。

圖4 泄流方式四樞紐近區(qū)流場Fig.4 Flow field of 4th discharge way

圖5 泄流方式五樞紐近區(qū)流場Fig.5 Flow field of 5th discharge way

3.2.2 樞紐下游

樞紐下游水流平順，引航道導(dǎo)堤頭部下游主流靠右岸，引航道口門區(qū)上部受引航道導(dǎo)堤掩護(hù)，為弱流區(qū)，處于水流主流邊緣。

（1）樞紐蓄水、4臺(tái)機(jī)組發(fā)電與1～10#泄水閘聯(lián)合泄流：1～10#泄水閘和電站下游流速分布較為均勻。呈向右擴(kuò)散趨勢，在樞紐10#泄水閘與引航道導(dǎo)堤頭部的連線右側(cè)形成三角形流速基本小于0.5 m/s回流區(qū)；至引航道導(dǎo)堤頭部水流主流基本過渡到右側(cè)，主河道彎道窄口處、引航道導(dǎo)堤頭部左側(cè)和泄水閘下部河道中部存在2.0 m/s流速，其余區(qū)域主流流速基本介于1.5～2.0 m/s；引航道口門區(qū)最大合成流速小于1.80 m/s，壩址下游100 m河段后，橫流普遍大于0.3 m/s，最大0.63 m/s，船舶進(jìn)出引航道略有難度。

（2）樞紐蓄水、4臺(tái)機(jī)組發(fā)電與8～17#泄水閘聯(lián)合泄流：在8～17#泄水閘和電站發(fā)電泄流作用下，電站與10#泄水閘之間的河道中部形成回流區(qū)，至樞紐下游300 m處兩股水流充分匯流；引航道導(dǎo)堤頭部左側(cè)有2.5 m/s流速區(qū)，主流區(qū)流速明顯大于1～10#泄水閘和電站發(fā)電泄流調(diào)度方式；引航道口門區(qū)最大合成流速1.80 m/s；壩址下游100 m河段后橫流普遍大于0.5 m/s，最大橫流為0.6 m/s，船舶進(jìn)出引航道略有難度。

2種泄流方式引航道內(nèi)流速均小于0.1 m/s，基本為靜水。

3.3 樞紐敞泄

泄水閘敞泄研究了6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s等流量，泄水閘敞泄時(shí)電站關(guān)閉。

3.3.1 樞紐上游

（1）河道水流沿岸平行流動(dòng)，斷面流速基本為等值分布。泄流6 300 m3/s時(shí)，只有接近樞紐大壩附近有大于2.0 m/s流速；泄流8 700 m3/s時(shí)，河道流速小于2.5 m/s；泄流11 700 m3/s時(shí)，河道流速小于3.0 m/s，且大于2.5 m/s流速主要發(fā)生在引航道導(dǎo)堤頭部以下閘壩河段；泄流13 500 m3/s時(shí)，河道流速大于泄流11 700 m3/s時(shí)，但值亦小于3.0 m/s。

（2）引航道口門區(qū)。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于1.65 m/s，最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤上游25 m口門區(qū)左側(cè)，為0.41 m/s，其余取樣點(diǎn)橫流小于0.15 m/s；泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于1.78 m/s，最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤上游25 m口門區(qū)左側(cè)，為0.56 m/s，其余取樣點(diǎn)橫流小于0.3 m/s；泄流11 700 m3/s，最大合成流速小于2.1 m/s，最大縱向流速2.0 m/s，滿足2.0 m/s的設(shè)計(jì)要求。最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤上游25 m的口門區(qū)左側(cè)，為0.65 m/s，其余取樣點(diǎn)橫流小于0.30 m/s；泄流13 500 m3/s，最大合成流速小于2.2 m/s，最大縱向流速2.18 m/s，略大于2.0 m/s；最大橫流出現(xiàn)在導(dǎo)堤上游25 m的口門區(qū)左側(cè)，為0.68 m/s，其余取樣點(diǎn)橫流小于0.30 m/s。

（3）引航道內(nèi)基本為靜水，流速小于0.1 m/s。

圖6 泄流方式九樞紐近區(qū)Fig.6 Flow field of 9th discharge way

3.3.2 樞紐下游

樞紐下游水流平順，電站下部產(chǎn)生小的回流。泄水閘下部斷面流速基本為等值分布，至引航道導(dǎo)堤頭部附近，主流靠右岸。

（1）河道主流流速，泄流6 300 m3/s基本介于1.5～2.0 m/s；泄流8 700 m3/s基本介于2.0～2.5 m/s；泄流11 700～13 500 m3/s基本介于2.5～3.0 m/s。大流速主要發(fā)生在引航道導(dǎo)堤頭部的挑流區(qū)。

（2）引航道口門區(qū)上部為受引航道導(dǎo)堤掩護(hù)的弱流區(qū)，下部處于主流邊緣。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于2.0 m/s；航中線左側(cè)20 m、引航道導(dǎo)堤下游50～150 m橫流大于0.3 m/s，最大橫流0.58 m/s，過引航道導(dǎo)堤下游150 m后，橫流基本大于0.3 m/s。泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于2.3 m/s、最大縱向流速2.25 m/s，縱向流速大于2.0 m/s的區(qū)域出現(xiàn)在航道左側(cè)靠近河道主流區(qū)域，航中線右側(cè)小于2.0 m/s；引航道導(dǎo)堤下游100 m后橫流普遍大于0.5 m/s。泄流11 700 m3/s，航道左側(cè)靠近河道主流區(qū)縱向流速基本在2.4 m/s左右；引航道導(dǎo)堤下游100 m后橫流普遍大于0.5 m/s，最大為0.73 m/s。泄流13 500 m3/s，航道左側(cè)靠近河道主流區(qū)縱向流速基本大于2.5 m/s。引航道導(dǎo)堤下游100 m后橫流大于0.5 m/s，最大橫流0.82 m/s。

（3）引航道口門內(nèi)部基本為靜水，流速小于0.1 m/s。

4 過流能力分析

對(duì)樞紐最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s、5 a一遇洪水11 700 m3/s、2 a一遇洪水8 700 m3/s和電站最大發(fā)電流量6 300 m3/s等敞泄情況進(jìn)行了研究。樞紐建成后，樞紐上游水位有所抬高，6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s水位分別升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，滿足設(shè)計(jì)要求的0.3 m的要求。

5 結(jié)論

（1）各組合泄流方式，上下引航道內(nèi)流速均小于0.1 m/s，滿足規(guī)范要求。

（2）樞紐上引航道上口門區(qū)，流量小于1 772 m3/s時(shí)，航道縱、橫向流速均遠(yuǎn)小于規(guī)范限制值，通航條件優(yōu)良；流量介于6 300～8 700 m3/s時(shí)，航道縱向流速小于規(guī)范限制的2.0 m/s，橫流只有在導(dǎo)堤上游25 m口門區(qū)左側(cè)，略大于0.3 m/s，其余區(qū)域均小于0.3 m/s，水流條件良好；流量11 700 m3/s時(shí),最大合成流速2.1 m/s，最大縱向流速2.0 m/s，為規(guī)范限制臨界值，導(dǎo)堤上游25 m的口門區(qū)左側(cè)的最大橫流為0.65 m/s，水流對(duì)船舶正常進(jìn)出引航道有一定影響；流量13 500 m3/s時(shí)，最大縱向流速2.18 m/s，大于2.0 m/s；導(dǎo)堤上游25 m的口門區(qū)左側(cè)的最大橫流為0.68 m/s，航道的縱、橫向流速均不滿足規(guī)范要求。

（3）樞紐下引航道口門區(qū)處于彎道轉(zhuǎn)彎河段頂部，流量小于1 770 m3/s時(shí)，航道縱、橫向流速均遠(yuǎn)小于規(guī)范限制尺度，通航條件優(yōu)良；流量為6 300 m3/s時(shí)，航道縱向流速滿足小于2.0 m/s的要求，橫流大于0.3 m/s，水流對(duì)船舶正常進(jìn)出引航道有一定影響；流量大于8 700 m3/s后，航道縱、橫向流速均不滿足規(guī)范要求。

（4）研究對(duì)電站最大發(fā)電流量6 300 m3/s進(jìn)行了1～10#泄水閘控制泄流和8～17#泄水閘控制泄流兩種工況研究，研究表明，下引航道口門區(qū)通航水流條件，采用1～10#泄水閘泄流和電站發(fā)電聯(lián)合調(diào)度略好。

（5）樞紐建成后，樞紐上游水位有所抬高，6 300 m3/s,8 700 m3/s,11 700 m3/s,13 500 m3/s水位分別升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，滿足設(shè)計(jì)要求的0.3 m的要求。

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Study on Chejiang dam site navigational current conditions of Tugutang Navigation-power Junction on Xiangjiang river

LIU Chen，YAN Jian-ying，LI Jun-tao，PU Xiao-gang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Using the technology of delft 3d software，the orthogonal curve two-dimensional current mathematical model for the reach close to Chejiang dam site of Tugutang on Xiangjiang river was established.First the model was verified with the natural current materials，and the calculated result of model was consistent with the natural data by adjusting some parameters.Then 9 typical discharge ways of the junction were simulated on the basis of the model，and the flow velocity distribution characteristics were analyzed.The related distribution parameters for longitudinal and cross flow in approach channel and the entrance area were given.Finally，the navigation current conditions were evaluated according toCode for Master Design of Shiplocks（JTJ305-2001）.

navigation-power junction；power station；ship lock；approach channel；entrance area

TV 61；TV131.61

A

1005-8443（2011）06-0418-05

2011-02-11；

2011-03-16

劉臣（1964-），男，天津市人，研究員，從事港口和航道設(shè)計(jì)與研究。