山區(qū)河道低水頭航電樞紐的水力學問題研究

吳文鳳， 張紹培， 張家興， 徐 紅

(1. 四川省交通勘察設計研究院有限公司， 四川 成都610017；2. 重慶交通大學， 西南水運工程科學研究所， 重慶400016)

低水頭航電樞紐是以航運開發(fā)為主[1]， 兼有防洪、 發(fā)電、 灌溉和保護等綜合利用功能的攔河建筑物， 其工程布置考慮因素多、 難度大。 目前， 國內低水頭航電樞紐普遍具有單寬流量大、弗勞德數(shù)小、 下泄水流動能高、 引航道口門斜流較大等特點[2-3]， 導致低水頭航電樞紐布置后，存在泄洪、 消能和通航等方面的水力學問題。 針對低水頭航電樞紐存在的水力學問題， 國內外學者進行了諸多研究， 主要集中在樞紐的泄流能力、 消能防沖、 通航水流3 個方面。 在樞紐的泄洪能力方面， 有關學者研究發(fā)現(xiàn)， 樞紐泄洪能力與泄流寬度， 堰體高度， 堰前進水段水頭損失，水流側收縮、 相對淹沒度等有關[4]； 在樞紐消能防沖方面， 低水頭樞紐消能多采用底流消能來消除高動能的下泄水流， 其消能率受消能設施布置的影響。 工程中消能設施常布置有消力池(包括消力池內輔助消能工、尾檻等)、 海漫、 防沖槽等[5]； 在通航水流條件方面， 低水頭樞紐的通航水流條件受河勢條件影響[6]， 存在引航道口門區(qū)縱橫水流超標情況， 其改善措施一般采用調整隔流墻長度、 透空隔流墻等[7]。

隨著山區(qū)內河航運的發(fā)展， 當?shù)退^航電樞紐布置于山區(qū)河道中下游時， 由于山區(qū)河道中下游河流比降大、 水流湍急、 河道寬淺、 淺灘較多、水流條件復雜[8]， 布置難度增大， 航電樞紐的泄洪、 發(fā)電、 通航等方面亟須進一步研究。 由于山區(qū)河道水深小， 易導致下泄水流消能率降低[9-10]，形成不良流態(tài)， 加重下游河床沖刷。 樞紐尾水下泄時， 下游水位出現(xiàn)壅高現(xiàn)象， 降低發(fā)電水頭。同時， 河道過流斷面在近壩段收縮， 全閘敞泄時，上、 下引航道口門區(qū)斜流增強， 通航水流條件變差[11]。 因此， 需要對山區(qū)河道的低水頭航電樞紐布置中存在的水力學問題進行深入研究， 以優(yōu)化樞紐布置， 改善樞紐水流條件。

本文以四川省岷江干流湯壩航電樞紐布置為例， 通過物理模型試驗， 重點研究山區(qū)河道低水頭航電樞紐的水流條件， 針對布置中存在的水力學問題提出相應的改善措施， 為今后山區(qū)河道的航電樞紐布置提供技術支撐。

1 樞紐概況

湯壩航電樞紐位于岷江中游眉山市， 以航運、 發(fā)電為主， 兼顧城市水環(huán)境建設、 防洪、 灌溉。 所在河段順直微彎， 淺灘較多， 平面形態(tài)起伏不平， 是典型的山區(qū)河道。 河床高程395 ～400 m， 比降約0.8‰。 河道斷面呈 “U”形， 寬480 ～560 m， 兩岸為防洪堤， 堤頂高程417.19 ～419.86 m。 受防洪堤限制， 岸線較為穩(wěn)定。 樞紐上游0.6 ～1.5 km的河段中心處有1 個較大的卵石江心洲， 最寬處約250 m， 洲面高程401 ～404 m。 枯水期， 河水走江心洲左側主槽；中水期時， 江心洲右側河道開始分流； 洪水期時， 河流淹沒江心洲。 再上游約1. 7 km 處為岷江一橋， 其主通航孔布置在靠河道左側的主汊道上， 與主流同側布置。 而壩下游河道微彎，距彎頂約0. 8 km， 受彎道制約， 水流條件較為復雜。

受河勢條件影響， 湯壩航電樞紐采用河床式開發(fā)方式， 集中式布置， 自左向右依次布置為左岸非溢流壩、 船閘、 泄洪沖砂閘、 廠房、 右儲門槽壩段、 右岸非溢流壩段、 魚道， 壩軸線全長544.71 m。 樞紐正常蓄水位414.80 m， 樞紐設計洪水位50 a 一遇， 校核洪水位500 a 一遇。 所在河段為Ⅳ級航道， 可通行500 噸級船舶。 樞紐所在河段河勢見圖1。 由于樞紐布置在山區(qū)河道， 河道順直微彎， 寬淺， 坡降較陡， 洪水期水流流速大， 流態(tài)復雜。 樞紐布置后， 改變了山區(qū)河道原有的水流條件， 存在壩下游水位偏低影響樞紐消能、 敞泄時河道主流偏左引起的上游引航道口門區(qū)斜流強、 下游引航道位于彎道凸岸上游等問題。 因此采用正態(tài)物理模型試驗研究山區(qū)河道低水頭航電樞紐的泄流、 消能、 發(fā)電和通航等水流條件， 并對樞紐布置中存在的水力學問題提出改善措施。

圖1 河段河勢條件及樞紐位置

2 模型設計與驗證

模型按重力相似準則進行設計， 采用幾何比尺為1∶100 的正態(tài)模型。 模擬范圍從壩軸線上游約2.2 km 至壩軸線下游約1.8 km 處， 總長約4.0 km。 包括樞紐上下游已建和擬建的堤防、 岷江一橋， 以確保工程河段水流條件的相似性。 河道模型的制作以斷面板法為主， 同時輔以等高線法相配合。 試驗過程中的流速主要采用XKVMS-03表面流場測量和分析系統(tǒng)觀測。

結合樞紐的運行調度方式、 防洪標準和通航要求， 試驗主要流量級共13 級， 分別為248 m3∕s(單機 引 用 流 量)； 496 m3∕s(2 臺 機 組 引 用 流量)； 744 m3∕s (3 臺 機 組 滿 發(fā) 引 用 流 量)；2 500 m3∕s(敞泄臨界流量)； 4 170 m3∕s(常年洪水)； 5 000、 6 580 m3∕s(P=50%)； 7 720 m3∕s(P= 33.3%)； 8 990(P= 20%)； 12 000 m3∕s(P=5%)； 13 800 m3∕s(P= 2%)； 15 100 m3∕s(P=1%)； 18 000 m3∕s (P=0.2%)。

模型與原型進行水位、 流速、 流向驗證試驗，結果表明與原型的水位相差均在±0.1 m 以內， 見圖2。 模型斷面流速分布規(guī)律與原型基本一致， 實測流量偏差在5%以內。 模型浮標的運動軌跡與原型浮標基本一致， 流線基本重合。 驗證試驗結果表明模型達到了幾何相似、 河床阻力相似和水流運動相似的要求， 符合相關規(guī)范要求[12]。

圖2 模型水位驗證

3 方案布置及存在的水力學問題

3.1 方案布置

樞紐泄水建筑物位于河床中央， 布置為16 孔泄洪(沖沙)閘(圖3)。 泄洪(沖沙)閘段總長284 m， 占據(jù)斷面河寬約50%， 每個泄洪(沖沙)閘孔凈寬14 m。 下游側以1∶4 斜坡與消力池相連。 消力池采用底流消能方式， 其中靠左岸11 孔泄洪閘后采用一級消力池布置， 消力池底板高程393.5 m， 深4.5 m， 長60 m； 靠右岸5 孔沖沙閘后采用兩級消力池布置， 第一級消力池底板高程394 m， 深4 m， 長55 m， 第二級底板高程394.5 m， 深3.5 m， 長40 m。 消力池下游均接長45 m 的混凝土海漫， 海漫后接防沖槽。

圖3 樞紐平面布置(單位: m， 下同)

電站前池位于廠房進水口上游庫內， 由攔沙檻分隔河道而成， 攔沙檻上游與右岸防洪堤相接，以26°角的折線延至排漂閘。

電站尾水渠寬55.58 m， 電站尾水出流后以1∶5的反坡從底高程為394.32 m 上升至下游河床高程397.5 m， 為使尾水渠水流平順， 避免沖沙閘局部開啟時下泄水流對電站尾水出流的影響， 在尾水渠和沖沙閘之間設一隔水墻， 該隔水墻長53.74 m。

船閘設計等級為Ⅳ級， 布置在河道左岸， 與壩上河道主流同側。 船閘軸線與壩軸線交角87°，船閘上、 下游引航道采用半開敞式布置， 向左側岸邊擴展， 呈不對稱形式布置。 上引航道外側直線導墻長150 m， 內側曲線擴展段長121.5 m， 下引航道外側直線導航墻長150 m， 內側曲線擴展段長160.1 m。

樞紐為日調節(jié)電站， 其主要運行方式如下:

1)當入庫流量Q＜2 500 m3∕s 時， 庫水位在正常蓄水位414.8 m 和消落水位414.3 m 之間消落發(fā)電；

2)當流量Q＞2 500 m3∕s 時， 河道停航、 電站停機， 閘門全開敞泄。

3.2 存在的水力學問題

1)樞紐敞泄或控開時， 由于下游河道寬闊，水深較小， 消力池及下游河道水深不足， 導致沖沙閘下游二級消力池消能率低， 下泄水流流速整體偏大， 出現(xiàn)急流沖刷段， 尤其在三孔開啟3 m時， 消力池末端、 海漫末端和海漫下游75 m 處最大底流流速均超過5.00 m∕s； 泄洪閘后的一級消力池消能不充分， 池內未形成完整水躍， 下游河段出現(xiàn)不良流態(tài)， 實測壩軸線下游240 m 處最大流速可接近4 m∕s。

2)受尾水渠出口地形較高影響， 尾水渠內水位壅高， 導致電站發(fā)電水頭較低， 影響了樞紐發(fā)電效益， 實測尾水渠末端(壩下150 m)與壩下480 m處的水位相差達到1.62 m(Q=744 m3∕s，電站滿發(fā))。

3)受山區(qū)河道河勢條件的影響， 來流量為2 500 m3∕s(敞泄臨界流量)時， 電站停止發(fā)電， 樞紐敞泄運行， 河段恢復山區(qū)天然河道運動狀態(tài)，壩上江心灘露出， 不良流態(tài)出現(xiàn)， 航道內水流流速急劇增加， 導致樞紐船閘上下引航道通航水流條件均不滿足GB 50139—2014《內河通航標準》中規(guī)定的最大縱向流速不超過2 m∕s， 最大橫向流速不超過0.3 m∕s 的要求[13]。 最高通航流量遠小于規(guī)范規(guī)定的設計最高通航流量(3 a 一遇洪水)。

因此， 本文針對樞紐設計方案中存在的水力學問題， 結合河段河勢條件， 對工程的消能、 尾水水流條件和船閘通航水流條件提出相應的改善措施， 解決山區(qū)河道低水頭樞紐布置過程中出現(xiàn)的水力學問題。

4 消能條件改善研究

4.1 修改方案1

4.1.1 方案布置

結合電站尾水渠下游流態(tài)改善與河道整治及施工方便， 減少消力池后期維護的需要， 首先對沖沙閘消力池的布置及下游河床開挖整治進行適當調整， 調整布置見圖4。

圖4 消力池修改方案1 布置

1)為降低工程施工難度， 變多級消力池為單級消力池。 取消沖沙閘后兩級消力池之間的消力坎， 使兩級消力池合并為一級消力池， 池底板高程由原設計的394 m 降低至393 m， 合并后的消力池長95 m， 深4 m。

2)取消沖沙閘段右側隔墻。

3)降低沖沙閘消力池下游海漫高程(海漫長度保持原設計方案不變)， 并對下游河床進行開挖整治， 沖沙閘下游海漫高程及河道高程由398 m 疏浚整治至397 m， 整治范圍從海漫末端至壩下游400 m 處為止。

4.1.2 水流條件結果

沖沙閘消力池內依舊難以形成完整穩(wěn)定的水躍， 消力池下游仍出現(xiàn)急流沖刷段， 特別是多孔同時開啟較大時， 消力池下游水深淺、 流速大，消能效果較原設計方案更差。

在電站滿負荷發(fā)電、 壩前水位保持正常蓄水位414.8 m 運行時， 當沖沙閘中孔單獨分別開啟2、 3、 4 m 時， 消力池末端、 海漫末端和海漫下游75 m 處最大底流流速分別較原設計方案均增大，增幅在0.62～1.78 m∕s。 當兩孔沖沙閘(13#和15#)同時分別開啟2、 3、 4 m 時， 底流流速較原設計方案增加0.47 ～2.17 m∕s； 當三孔沖沙閘(12#、14#、16#)同時分別開啟2、 3、 4 m 時， 底流流速較原設計方案最大可增加至2.57 m∕s。

4.2 修改方案2

4.2.1 方案布置

盡管降低了消力池底部高程和下游河道高程各1 m， 但由于取消了原設計方案消力池內的消力坎， 將兩級消力池合并為一級消力池， 在沖沙閘單孔和多孔局部開啟較大時， 沖沙閘消力池內均難以形成完整穩(wěn)定的水躍， 下游亦出現(xiàn)急流沖刷段。 消力池下游水深依舊較淺， 因此須進一步增加消力池深度， 布置見圖5。

1)將沖沙閘下游消力池池身段長度縮短至80 m，池深增加到5 m， 池底板高程進一步降至392 m。

2)11 孔泄洪閘下游消力池池身段長度由原設計方案的60 m 加長至70 m， 池深由4.5 m 加深到5 m， 相應的池底板高程降至392 m。

圖5 消力池修改方案2 布置

4.2.2 水流條件結果

對比設計方案和修改方案1， 修改方案2 在壩上游保持正常蓄水位， 沖沙閘單孔和多孔局部開啟條件下(單孔開啟3 m 及以內)， 消力池下游(特別是海漫末端及以下河床)的流速較原設計方案、修改方案1 明顯減小。 以沖沙閘三孔開啟3 m 為例， 修改方案2 海漫末端和海漫下游最大底流流速分別為4.80 和3.91 m∕s， 低于修改方案1 相同位置的流速6.44 和4.39 m∕s 及設計方案相同位置流速5.29 和5.10 m∕s， 亦低于相同位置天然河段20 a 一遇洪水(Q=12 000 m3∕s)時的流速。 不同試驗流量下， 修改方案2 消力池內水躍明顯、 紊動充分， 水流出消力池后急流段均基本控制在海漫段內， 出池水流擴散和流速遞減均很快， 該方案消能效果較原設計方案、 修改方案1 得到明顯改善。

5 尾水水流條件改善研究

5.1 修改方案1

5.1.1 方案布置

由于原方案電站尾水渠下游河床地形較高，阻擋了電站尾水的順利下泄， 使尾水渠內出現(xiàn)壅水， 尾水渠下游出現(xiàn)跌水、 急流和波狀水流等不良流態(tài)， 影響了該電站水頭的充分利用和發(fā)電效率。 為此， 在原設計方案的基礎上， 采取以下改善措施(圖6)。

圖6 尾水渠修改方案1 布置

1)調整電站尾水渠的平面布置。 將電站尾水渠兩側的隔墻各向外擴展5.4°， 以改善電站尾水的擴散條件。

2)降低尾水渠下游河床高程。 在修改方案2的基礎上從尾水渠末端開始至壩下游190 m 處為止， 疏浚整治高程至395 m。

5.1.2 水流條件結果

修改方案1 通過調整電站尾水渠的平面布置、整治降低尾水渠下游床面高程及左側沖沙閘下游河床高程等措施， 有效地改善了電站尾水出流條件。 各級流量情況下， 電站尾水渠內原存在的壅水和下游跌水與急流問題得到基本消除， 電站尾水出流均勻， 尾水渠內無泡水、 亂流和回流等不良流態(tài)， 實測在電站單臺機組發(fā)電、 2 臺機組發(fā)電和3 臺滿發(fā)引用流量情況下， 電站尾水位分別降低1.96、 1.79、 1.59 m。 該方案達到了較好地改善電站尾水出流條件、 增大發(fā)電效益的目的。

5.2 修改方案2

5.2.1 方案布置

電站尾水渠修改方案2 是在修改方案1 的基礎上的進一步微調， 其修改的主要內容是將電站尾水渠左側隔墻再向外擴展5.2°， 使尾水渠出水口進一步增大， 水流得到進一步擴散。

5.2.2 水流條件結果

修改方案2 在各級發(fā)電流量情況下， 電站尾水渠內水流平穩(wěn)、 出流均勻， 無泡水、 亂流和回流， 水位略有下降， 尾水渠下游無跌水、 急流、波狀水流等不良流態(tài)， 水流擴散條件好。 與修改方案1 相比較， 修改方案2 電站尾水出流條件更優(yōu)， 發(fā)電水頭亦略有增大， 增大幅度在0.01 ～0.30 m， 各方案布置后水位對比見圖7。

圖7 尾水渠不同修改方案下水位變化

6 通航水流條件改善研究

由于樞紐蓄水運行時， 通航水流條件仍滿足規(guī)范， 因此采取壅水通航措施來提高樞紐最高通航流量， 即當樞紐上游來流量大于2 500 m3∕s(原設計敞泄流量)時， 電站滿發(fā)， 閘門控開泄流。

試驗結果表明， 當流量Q＞2 500 m3∕s 時， 樞紐壅水運行后， 壩上水深較敞泄條件下明顯增加，水流流速減小， 江心灘被淹沒， 不良流態(tài)消失。船閘上引航道最高通航流量洪水重現(xiàn)期能夠達到3 a一遇。 當Q=7 720 m3∕s(P=33.3%)， 電站滿發(fā)， 閘門控開時， 上引航道口門區(qū)的最大縱橫向流速分別為1.00、 0.29 m∕s， 無回流發(fā)生， 能夠滿足標準要求。

對于下引航道， 在上游來流量Q≤5 000 m3∕s、電站發(fā)電、 壩前保持正常蓄水位414.8 m 運行時，由于下游河床比降減小， 船閘下引航道口門區(qū)及下游附近河道的水流更加平順， 回流范圍和強度減小， 但縱向流速略有增大， 其口門區(qū)的最大縱向流速1.92 m∕s， 最大橫向流速0.29 m∕s， 最大回流流速為0.35 m∕s， 其各項流速指標滿足規(guī)范要求。 當流量Q＞5 000 m3∕s， 回流消失， 最大橫向流速已超過規(guī)范規(guī)定標準， 下引航道口門區(qū)的通航水流條件已不能滿足規(guī)范要求。

總體來說， 樞紐壅水運行情況下， 通航水流條件較設計方案得到了明顯改善。

3 結論

1)山區(qū)中下游河道水流流速大、 流態(tài)復雜，局部常出現(xiàn)跌水與橫流， 河道整體水深較小。 受河勢條件影響， 低水頭樞紐布置后， 容易出現(xiàn)壩下游水深小、 消力池的消能效果差、 尾水渠內水位壅高、 口門區(qū)通航水流條件惡化等水力學問題。

2)可通過增大消力池深度、 改變消力池長度和疏浚整治下游河床增強一級消力池消能效果，滿足山區(qū)河道低水頭樞紐底流消能要求， 有效改善樞紐下泄水流條件。

3)向外適當擴展尾水渠側墻角度， 并分兩級平臺疏浚整治尾水渠下游河床地形， 能有效增大發(fā)電水頭， 改善電站尾水的出流條件， 消除尾水渠下游水流不良流態(tài)。

4)采取壅水通航措施， 能有效地改善通航水流條件， 提高船閘最高通航流量和電站最大發(fā)電流量。