漢江雅口樞紐廠壩間上游導(dǎo)墻布置試驗(yàn)研究

黃 勇,李君濤

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051；2.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)

內(nèi)河航運(yùn)樞紐主要建筑物一般由泄洪閘、電站廠房以及通航建筑物組成，從國(guó)內(nèi)眾多的樞紐布置來(lái)看，電站廠房與泄水閘大都相鄰布置在主河槽內(nèi)，且電站上游進(jìn)水渠與樞紐泄水閘之間設(shè)有一道分隔導(dǎo)墻，該導(dǎo)墻的作用一是調(diào)整電站上游的水流，使水流平順均勻地進(jìn)入發(fā)電機(jī)組；二是把樞紐泄水區(qū)與電站引水區(qū)分隔，以減小兩者運(yùn)行時(shí)的相互干擾。由于廠壩間隔水導(dǎo)墻左右兩側(cè)緊鄰泄水閘孔和電站廠房，在樞紐不同運(yùn)行方式下，導(dǎo)墻布置形式對(duì)建筑物附近水流流態(tài)影響較大，若布置不當(dāng)則會(huì)造成電站引流不暢或樞紐泄流能力降低。本文針對(duì)漢江雅口航運(yùn)樞紐，基于整體物理模型試驗(yàn)，研究了廠壩間導(dǎo)墻布置對(duì)樞紐泄洪及電站引流的影響，提出了合理的導(dǎo)墻布置方案[1-6]。

圖1 雅口樞紐工程布置圖Fig.1 Sketch of Yakou hydro-junction project

1 雅口樞紐工程概況

1.1 工程布置

雅口樞紐工程位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游13.7 km處，開(kāi)發(fā)任務(wù)以航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電、灌溉、旅游等綜合利用效益。樞紐主要建筑物由船閘、泄水閘、電站廠房、土石壩等組成(圖1)。具體布置為船閘布置在右岸灘地的灘唇位置；電站廠房布置于船閘左側(cè)，廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組；泄水閘共44孔，布置于電站左側(cè)的主河道內(nèi)，堰頂高程44.00 m 為平底寬頂堰，孔口尺寸14.0 m×11.22 m(寬×高)。樞紐正常蓄水位55.22 m，相應(yīng)庫(kù)容3.37億m3，裝機(jī)容量75 mW，樞紐主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，設(shè)計(jì)洪水位54.53 m、相應(yīng)洪水流量20 200 m3/s。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇，校核洪水位55.64 m，相應(yīng)洪峰流量27 300 m3/s。

1.2 樞紐運(yùn)行方式

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，樞紐工程運(yùn)行方式為：

(1)當(dāng)來(lái)流量Q≤2 310 m3/s(電站滿發(fā)流量)時(shí)，泄水閘關(guān)閉，來(lái)流量在滿足船閘用水要求外，機(jī)組部分或全部運(yùn)行發(fā)電，水庫(kù)水位維持在55.22 m。

(2)當(dāng)來(lái)流量Q為：2 310 m3/s

(3)當(dāng)來(lái)流量Q>8 700 m3/s時(shí)，電站機(jī)組停機(jī)泄水閘全部閘孔敞泄，以恢復(fù)天然狀態(tài)泄流。

2 廠壩間導(dǎo)墻布置長(zhǎng)度研究

圖2 廠壩間導(dǎo)墻布置圖Fig.2 Layout of guide wall between dam and plant

雅口樞紐廠壩間導(dǎo)墻布置在電站進(jìn)水渠左側(cè)，頂高程為56.72 m，高于校核洪水位。擬建方案導(dǎo)墻為實(shí)體結(jié)構(gòu)，且考慮三種不同的導(dǎo)墻布置長(zhǎng)度，分別為78 m、55 m和35 m(圖2)。針對(duì)上述導(dǎo)墻布置長(zhǎng)度，采用1：100正態(tài)整體物理模型試驗(yàn)，結(jié)合樞紐運(yùn)行方式，研究分析了導(dǎo)墻長(zhǎng)度對(duì)電站進(jìn)流和樞紐泄洪的影響。

(1)導(dǎo)墻長(zhǎng)度對(duì)電站進(jìn)流影響。

該組試驗(yàn)在流量Q=2 310 m3/s下進(jìn)行，樞紐運(yùn)行方式為電站滿發(fā)，泄水閘關(guān)閉，主要觀測(cè)不同長(zhǎng)度導(dǎo)墻布置情況下電站上游進(jìn)水渠內(nèi)的水流流態(tài)變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于樞紐上游水面較寬，電站左側(cè)河道水流以較大的角度斜向右偏進(jìn)入電站進(jìn)水渠，受廠壩間導(dǎo)墻掩護(hù)影響，各導(dǎo)墻布置方案下進(jìn)水渠內(nèi)均產(chǎn)生有一定范圍的逆時(shí)針回流區(qū)，且回流區(qū)范圍隨導(dǎo)墻長(zhǎng)度的縮短逐漸減小(圖3)。如78 m導(dǎo)墻長(zhǎng)度方案，回流區(qū)基本覆蓋了整個(gè)進(jìn)水渠寬度，電站進(jìn)流條件較差。當(dāng)導(dǎo)墻長(zhǎng)度縮短至55 m后，回流區(qū)逐漸向?qū)Ω浇湛s，回流范圍約為進(jìn)水渠左側(cè)1/2區(qū)域，電站進(jìn)流條件趨好。導(dǎo)墻長(zhǎng)度縮短至35 m后，回流區(qū)位于導(dǎo)墻右側(cè)附近，回流范圍為進(jìn)水渠寬度的1/3。由此可見(jiàn)，針對(duì)雅口樞紐廠壩間導(dǎo)墻三種布置長(zhǎng)度，最短導(dǎo)墻長(zhǎng)度下的電站進(jìn)流條件最優(yōu)。

圖3 不同導(dǎo)墻長(zhǎng)度電站進(jìn)水渠流態(tài)Fig.3 Flow state of inlet channel of power station with different guide wall length

圖4 不同導(dǎo)墻長(zhǎng)度泄水閘前流態(tài)Fig.4 Flow state in front of sluice with different guide wall length

(2)導(dǎo)墻長(zhǎng)度對(duì)樞紐泄流影響。

圖5 不同導(dǎo)墻長(zhǎng)度樞紐上游水面線Fig.5 Upstream water surface line of different guide wall length

該組試驗(yàn)在流量Q=20 200 m3/s下進(jìn)行，樞紐運(yùn)行方式為泄水閘敞泄，電站關(guān)閉，主要關(guān)注不同長(zhǎng)度隔水墻布置情況下泄水閘前附近的水流流態(tài)以及壩上水面線。試驗(yàn)結(jié)果表明，樞紐上游河道右側(cè)區(qū)域來(lái)流受廠壩間導(dǎo)墻的阻水作用，導(dǎo)墻上游端部產(chǎn)生明顯的壅水和繞流，泄水閘右端部分閘孔前沿附近產(chǎn)生回流，從而導(dǎo)致部分閘孔的泄流能力降低或完全喪失(圖4)。在78 m長(zhǎng)度方案下，導(dǎo)墻影響范圍為右端3個(gè)閘孔，其中1#、2#閘孔(右起為1#)基本不過(guò)流，泄流能力完全喪失，3#閘孔僅有部分參與泄流。55 m長(zhǎng)度方案下，受導(dǎo)墻影響泄流能力喪失的閘孔數(shù)為1.5孔。35 m長(zhǎng)度方案下，僅有最右側(cè)1個(gè)閘孔不過(guò)流。同時(shí)，由各方案樞紐上游水面線情況(圖5)也看出，隨著隔水墻長(zhǎng)度的縮短，壩前水位也隨之下降。因此，從泄流角度來(lái)講，35 m長(zhǎng)度導(dǎo)墻布置方案最優(yōu)。

3 廠壩間導(dǎo)墻開(kāi)孔布置研究

根據(jù)廠壩間導(dǎo)墻長(zhǎng)度的研究成果可以看出，采取較短的導(dǎo)墻長(zhǎng)度，電站進(jìn)流條件和樞紐泄流能力相對(duì)較優(yōu)。針對(duì)雅口樞紐，結(jié)合導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)布置以及電站上游攔污柵布置影響，導(dǎo)墻設(shè)計(jì)最小長(zhǎng)度為35 m，在該長(zhǎng)度布置條件下，泄水閘最右側(cè)閘孔的過(guò)流能力仍未有效發(fā)揮。為了進(jìn)一步提高樞紐泄流能力，進(jìn)行了閘墻開(kāi)孔布置試驗(yàn)研究。

圖6 導(dǎo)墻開(kāi)孔布置圖(長(zhǎng)度單位：mm；高程單位：m)Fig.6 Layout of guide wall opening

(1)導(dǎo)墻開(kāi)孔布置。

考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，廠壩間上游導(dǎo)墻長(zhǎng)度為35 m，10 m分一縫，靠近廠房段15 m一縫，縫間設(shè)止水。隔水墻墻頂高程為56.72 m，隔水墻設(shè)置6個(gè)補(bǔ)水孔口，孔口尺寸為2.5 m×3.0 m，孔頂高程54.72 m，開(kāi)孔布置見(jiàn)圖6。

(2)導(dǎo)墻開(kāi)孔對(duì)電站進(jìn)水的影響。

選取電站滿發(fā)流量Q=2 310 m3/s，進(jìn)行了隔水墻開(kāi)孔與不開(kāi)孔兩種方案的研究，對(duì)比電站進(jìn)水渠水流流態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)墻開(kāi)孔布置方案下，電站上游進(jìn)水渠左側(cè)貼近導(dǎo)墻附近區(qū)域仍有回流產(chǎn)生，但開(kāi)孔補(bǔ)水后，導(dǎo)墻上游端部的繞流程度有所減弱，回流區(qū)范圍減小。未開(kāi)孔條件下，回流區(qū)范圍為導(dǎo)墻右側(cè)約40 m區(qū)域，導(dǎo)墻開(kāi)孔后，回流范圍減小至30m(圖7)。因此，導(dǎo)墻開(kāi)孔后電站進(jìn)流條件有所趨好。

圖7 導(dǎo)墻開(kāi)孔前后電站進(jìn)水渠流態(tài)Fig.7 Flow state of inlet channel before and after the opening of guide wall圖8 導(dǎo)墻開(kāi)孔前后泄水閘前流態(tài)Fig.8 Flow state in front of sluice before and after the opening of guide wall

(3)導(dǎo)墻開(kāi)孔對(duì)對(duì)樞紐泄流的影響。

在校核洪水流量(Q=20 200 m3/s)下，以35 m隔水墻長(zhǎng)度為基礎(chǔ)，同樣進(jìn)行了隔水墻開(kāi)孔與不開(kāi)孔兩種方案對(duì)樞紐泄流能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在導(dǎo)墻未開(kāi)孔條件下，導(dǎo)墻上游端部挑流較為明顯，最右側(cè)1#泄水閘孔完全在導(dǎo)墻掩護(hù)范圍內(nèi)，該閘孔幾乎不參與泄流，過(guò)流量為0 m3/s。導(dǎo)墻開(kāi)孔后對(duì)上游河道右側(cè)區(qū)域來(lái)流起到了分散作用，導(dǎo)墻端部的挑流影響明顯減弱，部分水流經(jīng)導(dǎo)墻右側(cè)電站進(jìn)水渠透過(guò)補(bǔ)水孔進(jìn)入1#泄水閘孔，試驗(yàn)測(cè)得的在導(dǎo)墻開(kāi)孔條件下1#閘孔的過(guò)流量為260 m3/s，較導(dǎo)墻未開(kāi)孔條件明顯增強(qiáng)(圖8)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)雅口樞紐壩址附近河道水面寬闊，廠壩間上游導(dǎo)墻布置參數(shù)對(duì)樞紐泄流能力和電站進(jìn)水條件影響較大。

(2)由于廠壩間導(dǎo)墻與泄水閘相鄰布置，受導(dǎo)墻挑流作用影響，導(dǎo)致部分泄水閘孔過(guò)流能力減弱，樞紐整體泄流能力下降，且不同導(dǎo)墻布置長(zhǎng)度對(duì)泄流能力影響程度不一，長(zhǎng)度越短對(duì)泄流能力造成的不利影響越小，同時(shí)采用導(dǎo)墻開(kāi)孔可基本消除導(dǎo)墻布置對(duì)樞紐泄流能力的影響。

(3)廠壩間導(dǎo)墻布置對(duì)電站進(jìn)水條件的影響主要表現(xiàn)在受廠壩間導(dǎo)墻掩護(hù)影響，電站進(jìn)水渠內(nèi)均產(chǎn)生有一定范圍的回流區(qū)，通過(guò)縮短導(dǎo)墻長(zhǎng)度和導(dǎo)墻開(kāi)孔可減弱對(duì)電站引流造成的不利影響。

(4) 經(jīng)模型試驗(yàn)論證，雅口樞紐廠壩間上游導(dǎo)墻采用相對(duì)較短的35 m導(dǎo)墻長(zhǎng)度、同時(shí)導(dǎo)墻開(kāi)孔的布置方案能夠獲得相對(duì)較好的電站進(jìn)水條件，同時(shí)增強(qiáng)樞紐泄流能力。研究成果得到了工程設(shè)計(jì)的采用，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。