青田水利樞紐通航水流條件試驗研究

姜 楚，趙建鈞，辜晉德

(1. 南京水利科學研究院，江蘇南京 210029； 2. 河海大學，江蘇南京 210098)

通航河流上修建水利樞紐后，船閘上下游引航道與河流連接的口門區(qū)及連接段成為過閘船舶(隊)進出引航道的咽喉。船閘口門區(qū)及連接段水流條件的好壞，直接關系到船舶(隊)能否順利過壩和安全航行，因此是樞紐布置的關鍵問題之一[1-2]。引航道口門區(qū)及連接段位于動靜水交界區(qū)，水流條件復雜，水流一般由斜向水流和回流組成，并常伴隨產生其他復雜流態(tài)[3]。該區(qū)域水流縱、橫向流速及回流強度不應過大，不應有復雜流態(tài)，如泡漩、大強度渦流等，不應有較高的波浪，否則船舶(隊)不能順利進出船閘、且威脅其安全[4]。目前，在通航水流條件改善措施方面已有較多研究成果，但不同工程實情千差萬別，所面臨的水流問題不盡相同，故設計通航樞紐時，對布置方案進行模擬試驗、預測并研究口門區(qū)水流條件及形成機理仍然必要。根據(jù)青田水利樞紐整體模型試驗，對樞紐上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件、改善措施及其他影響因素進行了分析研究。

1 樞紐概況與模型設計

甌江是浙江省第二大河，浙南最重要水道。青田水利樞紐位于甌江干流中下游青田城區(qū)段，壩址位于甌江、四都港匯合口下游約185 m處，是甌江干流梯級開發(fā)規(guī)劃的最末一級電站。樞紐主要建筑物從左至右依次為：左岸混凝土重力壩、單線單級船閘、25孔泄洪閘(左13孔、右12孔)、河床發(fā)電廠房、及右岸連接建筑物(圖1)。樞紐壩址以上集水面積13 810 km2，占甌江流域面積的76.3%。多年平均年流量453 m3/s，多年平均入庫徑流量143億m3。電站裝機容量42 MW(3臺×14 MW)，單機額定流量306.14 m3/s，為日調節(jié)電站。該樞紐工程的主要任務以穩(wěn)定甌江青田城區(qū)段江道、改善甌江青田城區(qū)水環(huán)境和城市景觀、提高干流通航能力為主，并結合發(fā)電等綜合利用[5]。

甌江大致由西向東流經壩址，經溫州后歸水溫州灣。從整體上來看，壩址處于順直微彎河段，壩址區(qū)河谷開闊，深(主)槽靠左岸，河谷寬約680 m。壩址上游185 m處右岸有支流四都港入?yún)R，下游約1.5 km處束窄段有溫溪大橋，自溫溪大橋以下為感潮河段，水面相對開闊，河寬逐漸放大，水位受徑、潮流共同影響，下游水位日變幅大。上游壩址附近支流入?yún)R、下游河段受潮汐影響，這正是本樞紐所處河段的特點，也是需研究的潛在難點。

圖1 青田水利樞紐整體布置Fig.1 General arrangement of the Qingtian hydroproject

工程位于甌江中上游航道麗水—溫溪段，規(guī)劃為Ⅳ級航道，配套船閘工程通航能力為500 t級。該河段為山區(qū)性河道，洪水來勢兇猛、暴漲暴落，洪水期間不考慮通航。泄洪時船閘不通航，也不參與泄洪。青田樞紐為低水頭閘壩型結構，其洪水具有峰高、量大的特點，泄水閘泄流存在大泄量、高淹沒度、低弗勞德數(shù)下消能效率較低的問題，樞紐泄洪對船閘上下游引航道及口門區(qū)通航水流條件可能影響較大。受天然條件及下游溫溪大橋限制，青田樞紐引航道口門區(qū)與連接段航道中心線與水流交角較大，樞紐泄洪時，上下游通航水流條件較為復雜，需進一步論證和優(yōu)化通航水流條件并提出改進措施。

根據(jù)本項研究的具體目的與內容，模型應在幾何相似的條件下，滿足水流運動相似和動力相似，采用Fr相似準則設計模型[6]；根據(jù)青田樞紐河段河勢特點，考慮到模型上下游邊界對通航試驗水流條件的影響，模型模擬樞紐上下游各2.5 km河段。在最低通航水位下(上游6.75 m，下游-1 m)，原型河道水深約3 m，斷面平均流速約0.60 m/s，考慮模型Re要求，模型幾何比尺不宜小于1:100[7]。綜合考慮模型設計幾何比尺λL=λh=80的正態(tài)模型，流速比尺λv=λt=8.94，糙率比尺λn=2.08，流量比尺λQ=57 243。

針對引航道口門區(qū)及連接段水流流速測量，采用ADV三維流速測速系統(tǒng)，量程0.1～400 cm/s；流量采用標準量水堰測控；模型水位采用可調差動式尾門進行控制。模型上航線寬62.5 cm，航跡線方向每50 cm布置航道測速斷面，垂直航跡線方向即每測速斷面間隔10 cm，共布置7個測點。

口門區(qū)水流條件控制指標[8]：Ⅳ級航道，縱向流速Vy≤2.0 m/s，橫向流速Vx≤0.30 m/s，回流流速V回≤0.4 m/s；連接段通航水流條件指標的控制，根據(jù)相關文獻的經驗與建議[9]設定，一般認為連接段通航水流條件標準應介于口門區(qū)與內河航道之間，本文連接段延用口門區(qū)水流的控制指標進行評判，同時以“縱向Vy≤2.5 m/s，橫向流速Vx≤0.45 m/s”的標準作為校核。

2 初步試驗結果與分析

模型試驗表明，樞紐建成后，各級流量下樞紐上下游水流較為平順，上游來流受樞紐上游右岸丁壩影響，主流偏向左岸，在近壩段向右岸偏轉。來流流向與壩軸線基本呈70°交角。試驗測得洪水流量Q=11 252 m3/s下(3年一遇洪水)上游最大表面流速為2.4 m/s，下游最大表面流速出現(xiàn)在溫溪大橋附近束窄河段，最大流速2.6 m/s[5]。

初步試驗不考慮支流四都港來流及下游潮汐影響，考慮到上游引航道為開敞式布置，開左側泄水閘易致引航道斜流及回流，故盡量避免開啟左側閘。初步試驗擬開啟右側閘孔，支流來流量均為0，電站運行方式均為三機滿發(fā)，上游水位為7.0 m，其余各工況詳情如下表1。

表1 初步試驗工況Tab.1 Tentative test conditions

注： 閘門開啟方式相同，但不同流量開啟度不同； 918.4 m3/s流量下，下游水位設置了高、低兩種水位。

2.1 上游引航道通航水流條件試驗結果及分析

以上各工況下，上游引航道口門區(qū)及連接段流速分布測量結果見表2。在電站滿發(fā)(Q=918.4 m3/s)工況下，由于樞紐泄量較小，樞紐上游來流流速較小，上引航道口門區(qū)最大流速0.24 m/s，縱、橫向流速均可滿足要求。

表2 上游引航道口門及連接段流速測量結果Tab.2 Test results of upper approach

從上引航道口門區(qū)及連接段流速分布來看，流量超過4 000 m3/s后，口門區(qū)和連接段橫向流速均超過了0.3 m/s，難以滿足船舶安全進出閘要求；在Q=3 500 和3 000 m3/s工況下，引航道口門區(qū)內流速可以滿足要求，但口門區(qū)上游連接段橫向流速較大，主要原因是其靠近河道主流，且樞紐運行方式為開啟與船閘異岸右側閘孔，使主流偏向右側導致與航道中心線交角過大。

2.2 下游引航道通航水流條件試驗結果及分析

在電站滿發(fā)工況下，由于樞紐泄量較小，電站下游低水位(0.25 m)時，下引航道口門區(qū)除個別測點橫向流速略大(0.32 m/s)外，縱橫向流速基本滿足要求；在電站下游高水位(2.85 m)時，下引航道縱、橫向流速均可滿足要求。其他各工況試驗結果見表3。

表3 下游引航道口門及連接段流速測量結果Tab.3 Test results of lower approach

從表3可見，各級流量下下游引航道縱向及回流流速均滿足規(guī)范要求。而在樞紐下泄流量大于4 000 m3/s時，斜流問題突出，下引航道口門區(qū)及連接段大范圍內水流橫向流速超過限值0.3 m/s；下泄流量3 500 m3/s及3 000 m3/s時，下游口門區(qū)流速基本滿足要求，但連接段局部范圍內水流條件不理想。這主要是由于下游口門以下河段河道漸收窄，電站尾水下泄后受同岸外凸岸線挑流后偏往左岸；同時航線出引航道后逐漸由靠岸轉向近主流區(qū)，偏右側下泄的主流與航道中心線交角偏大。

3 上、下游引航道優(yōu)化布置

3.1 上、下游引航道通航水流條件優(yōu)化措施與探討

根據(jù)初步試驗結果及分析可知，上、下游引航道口門及連接段水流存在的問題均是橫向流速偏大：一方面由于上下游航線在靠近主流區(qū)的航線段與主流向交角偏大；另一方面，各工況水流僅經右側泄孔泄流，恰好在上、下游均形成一定的斜沖?；诖耍醪讲扇∫韵麓胧└纳粕?、下游引航道水流條件。

調整上游引航道，主要考慮以下幾個方面：(1)調整引航道連接段，在口門上游320 m(壩上0+720 m)處以轉彎半徑450 m、轉角22°轉向主航道，以減小航線與河道主流的交角；(2)結合下游水流條件調整樞紐運行方式，適當開啟左側閘孔，將主流適當引向左岸，減小上游主流與航線交角；(3)試驗觀察發(fā)現(xiàn)，由于上游引航道為開敞式布置，開啟左側閘孔，在水流剪切作用下，容易導致引航道調順段形成較強的斜流及回流，需調整上游引航道隔流堤長度，因此分析比較了120，180和300 m幾種隔流堤長度布置方案。

圖2 上游引航道優(yōu)化(方案Ⅰ)(單位：m)Fig.2 Layout optimization of upper approach (schemeⅠ) (unit： m)

隔流堤長度較長(300 m)時，可以較好地改善待閘船舶靠船段停泊條件及進閘調順段水流條件，但隔流堤長度過長又導致引航道外側導墻與內側隔流堤間連線與航道交角過大，在口門附近形成較大的斜向封門水流；隔流堤長度不足120 m時，在泄水閘一側水流的帶動下，會在引航道內形成回流。試驗研究發(fā)現(xiàn)，隔流堤長度在180 m左右可以起到較好的效果。調整后的上游航道布置見圖2，流速測量試驗結果見表4。

對于下游引航道，口門區(qū)及連接段處于下游河道束窄段，在口門區(qū)采用太復雜工程措施必然會影響到河道行洪，因此改善水流條件，只能從樞紐運行調度及航線調整方面進行考慮。考慮到受右岸下泄水流斜沖，擬先調整運行調度方式(個別開啟左側閘孔)，調整后流速試驗結果見表4。

表4 方案Ⅰ上、下游引航道口門及連接段流速測量結果Tab.4 Test results of upper and lower approachs of schemeⅠ

從以上結果可知，上游航線調整后，相應工況下的口門區(qū)及連接段水流條件有明顯改善，基本可滿足安全通航要求；通過適當減少開啟右側泄孔、增開左側泄孔，下游連接段流速超限強度及范圍均有所減小。從初步試驗可得出如下結論：

(1)流量在4 000 m3/s以上時，樞紐上下游引航道口門區(qū)及連接段，均有大范圍的超標橫向流速，基本可認為干流通航流量不宜超過此值。

(2)通過采取多種改善措施，Q=3 500和3 000 m3/s情況下，水流條件改善效果明顯：上游口門區(qū)水流條件基本能夠滿足要求，連接段流速小范圍偏大；下游口門區(qū)縱、橫向水流條件能夠滿足要求，在口門下游400 m以下連接段，航道中心線右側局部范圍橫向流速大于0.30 m/s，但小于0.45 m/s；考慮下游進出閘船舶的操控條件及其安全性，也基本可以接受。同時可見，樞紐運行方式對上下游水流條件均有一定影響，只開右岸泄水閘時，上下游均易產生不利流態(tài)，而適當開啟左岸泄水閘，則能使之均有一定改善。

(3)對于上游，庫內水深大，河面開闊、流速相對較小，通航水流條件優(yōu)化余地較大。而下游則相對復雜，一方面受泄流斜沖影響，連接段尤其是河心側受影響明顯；另一方面下游河道收窄，通航水流條件的優(yōu)化不宜考慮過大的工程措施，只能進一步調整航線。

3.2 上、下游引航道通航水流條件的進一步優(yōu)化

根據(jù)前述試驗結果，擬對上下游航道布置作進一步優(yōu)化。結合調整樞紐運行調度方式，對上游航線向左岸偏移，以減小上游引航道連接段轉彎區(qū)處河道主流區(qū)轉彎段斜向流速較大的影響，進一步改善上游水流條件；下游引航道口門區(qū)航線與河道主流流向夾角偏大(達25°)，樞紐下泄水流在航道上形成較強的斜向水流。據(jù)此，進一步優(yōu)化了航道布置，形成修改方案Ⅱ，具體修改如下：轉彎段下移，上引航道在壩上0+600 m處開始轉彎，轉彎半徑500 m、圓心角24°，如圖3(a)； 溫溪大橋通航孔左移一孔，以減小航線與主流的夾角。調整后口門區(qū)航線與船閘軸線夾角由原來的15°減小為8°，如圖3(b)。

(a) 上游航線 (b) 下游航線圖3 上、下游航線布置優(yōu)化(方案Ⅱ)Fig.3 Layout optimization of upper and lower approachs (scheme Ⅱ)

修改后，分別進行了Q=3 500 m3/s、全開1#～25#閘孔和Q=2 000 m3/s、單開左側閘孔兩組工況試驗，試驗結果見表5。另外，還進行了Q=4 000 m3/s、全開所有閘孔工況的試驗。該工況下下游引航道口門區(qū)最大橫向流速0.26 m/s，最大縱向流速約1.2 m/s；連接段最大縱向流速1.40 m/s，局部范圍橫向流速超限值，最大橫向流速0.38 m/s，但小于0.45 m/s。說明樞紐下泄流量4 000 m3/s已接近下游引航道安全行船的最大允許流量。

從以上試驗結果可知，同工況下修改方案Ⅱ，樞紐上、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件得到了明顯改善，可以保證在Q=3 500 m3/s流量范圍內，基本滿足相關規(guī)范的安全通航要求。綜合考慮以上試驗結果，認為樞紐干流(不考慮四都港)來流最大通航流量不超過3 500 m3/s為宜。

表5 方案Ⅱ上、下游引航道口門及連接段流速測量結果Tab.5 Test results of upper and lower approachs of scheme Ⅱ

4 支流(四都港)來流影響

四都港匯流口位于電站一側，根據(jù)分區(qū)設計洪水結果，壩址洪水主要以甌江干流為主，四都港來流所占比例較小，P=20%洪峰流量為1 950 m3/s。模型試驗進行了上游(干流)來流3 500 m3/s，四都港(支流)來流1 000 和500 m3/s兩組試驗。結果表明，四都港來流主要通過樞紐右側泄水閘下泄，對上游引航道口門區(qū)及連接段水流條件無明顯不利影響。

但是，結合以上試驗研究，當流量Q=4 500 m3/s時，下游引航道口門區(qū)及連接段水流條件難以滿足行船安全流速限值要求；修改方案后Q=4 000 m3/s、全開所有閘孔工況下，下游引航道口門及連接段水流條件基本滿足要求。因此，上游支流對下游通航水流條件影響明顯，需要重視。建議下游安全通航流量(樞紐安全通航最大下泄流量)不要大于4 000 m3/s。

5 下游水位變幅影響

由于壩址位于感潮河段，考慮到同流量下下游水位降低對通航不利，應關注潮位下降對通航水流條件的影響。根據(jù)規(guī)范[10]要求，潮汐影響應根據(jù)潮位頻率資料進行分析研究，但樞紐河段潮汐影響段潮位資料暫缺，只有短期設置的臨時水文站觀測資料，限于此，試驗僅主要針對下游對退潮(水位下降)的敏感性進行簡化研究。

根據(jù)青田縣水文站2009-01-01在壩址臨時水文站的觀測結果可得，無明顯洪水過境情況下，壩址處水位呈現(xiàn)明顯的“一日兩高兩低”規(guī)則潮型，日最大變幅達2.5～3.0 m；根據(jù)壩址水位流量綜合平均線計算，Q=3 500 m3/s時，壩址綜合平均水位為4.51 m。Q=3 500 m3/s，1～25#孔全開，下游水位降低1.0 m時，Vxmax=0.40 m/s，下行航線(外側)連接段少數(shù)點超限；1#～25#孔全開，下游水位降低2.0 m時，Vxmax=0.43 m/s，下行航線(外側)連接段局部區(qū)域超限；電站滿發(fā)流量下(918.4 m3/s)，1#～25#孔全關，下游水位按最低通航水位-1.96 m考慮，Vxmax=0.33 m/s；下行航線(外側)連接段個別點超限。試驗結果表明，相同工況下，下游水位降低，口門區(qū)及連接段通航水流條件惡化；水位降低幅度愈大，惡化范圍和程度愈大。由此可見，潮汐對下游河道通航水流條件影響明顯，表現(xiàn)在低潮位下通航水流條件變差。根據(jù)原設計，最低通航水位為-1.96 m基本滿足安全通航的通航水流條件流速要求。

6 結 語

青田水利樞紐，受多種因素制約，船閘引航道水流條件較復雜。通過1:80樞紐水工整體物理模型試驗對樞紐通航水力學問題進行了研究。綜合分析試驗成果，可得出如下結論：

(1)樞紐及主要通航建筑物布置基本合理，上引航道采用敞開式布置時，口門區(qū)及引航道內流態(tài)對泄水閘運行方式敏感；下游口門區(qū)及連接段對泄水閘及電站運行較敏感，船閘異岸側的電站及泄水閘運行時，下泄水流易對沖下游口門導致超標斜流產生，宜適當兩岸對稱開啟泄水孔。

(2)口門區(qū)及連接段的布置主要考慮避開主流或減小航線與主流交角。上引航道位于庫區(qū)內，水深大且變化較小，航道布置較易，支流入?yún)R對上游影響??；下引航道位于河道束窄段，調整航道布置要考慮對行洪的影響；本工程中，上游支流的影響主要表現(xiàn)在與干流流量疊加后樞紐下泄量增加對下游的影響。下游通航水流條件對潮位變化較敏感，低潮位下通航水流條件變差，故對此需進一步分析研究。

(3)采取調整引航道導墻及進出閘航線布置等措施對改善上下游引航道口門及連接段通航水流條件效果明顯，推薦采用修改方案Ⅱ。上游干流最大通航流量為3 500 m3/s，支流四都港入?yún)R1 000 m3/s的流量時，對上游通航無明顯不利影響；下游最大通航流量不宜超過4 000 m3/s，由于各級流量下連接段靠近主流側局部范圍水流條件稍差，建議上行進閘船舶靠岸側行駛，下行出閘船舶靠河心一側行駛。

參 考 文 獻：

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