漢江雅口航運(yùn)樞紐工程施工期通航研究

張信偉，孫?；?，胡峰軍，羅亮明，白國文

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007)

漢江雅口航運(yùn)樞紐位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市區(qū)下游15.7 km處，其上下游分別與崔家營梯級(jí)和碾盤山梯級(jí)銜接，主要任務(wù)以航運(yùn)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧旅游、灌溉等綜合開發(fā)功能[1]。樞紐正常蓄水位55.22 m，相應(yīng)庫容3.37億m3，裝機(jī)容量75 MW，航道等級(jí)為Ⅲ(2)級(jí)。主體工程于2016年12月開工建設(shè)，計(jì)劃2020年完工。雅口樞紐壩址河段航道現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅳ(2)級(jí)，全年通航，施工期間應(yīng)維持正常通航[2]，因此，施工期通航為樞紐施工方案的重要內(nèi)容。

分期施工方案為國內(nèi)外大中型航運(yùn)樞紐工程常用的施工方式之一[3]，分期施工除了承擔(dān)施工期泄水任務(wù)之外，還要滿足施工期的通航要求，本文提出了雅口樞紐施工兩階段的分期通航方案。受地形和邊界條件的限制，施工期航道的通航水流條件較為復(fù)雜，需要對(duì)施工期的通航水流流態(tài)進(jìn)行研究。與物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有便捷、靈活的特點(diǎn)，能夠快速對(duì)多種工況效果進(jìn)行計(jì)算，隨著計(jì)算水力學(xué)的發(fā)展，水動(dòng)力數(shù)值模擬精度得到顯著提高，可滿足本工程精度的要求。為研究施工期通航水流條件，論證施工期通航方案的合理性，本文建立兩階段施工期的平面二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同流量工況進(jìn)行水流流態(tài)計(jì)算，進(jìn)而就導(dǎo)流一期和二期的臨時(shí)通航水流條件進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 總平面布置

工程壩軸線總長3 179.6 m，從右至左依次布置右岸土石壩1 820.3 m、船閘44.0 m、連接段145.9 m、過魚設(shè)施、電站廠房185.6 m、泄水閘壩800.0 m、左岸土石壩184.1 m。左岸下游邊灘局部疏挖至高程46.50 m，左岸臨時(shí)航道疏挖至高程44.20 m，右岸上游灘地疏挖至高程47.60 m，右岸下游疏挖至43.45 m[4]。

1.2 施工導(dǎo)流方案

根據(jù)地形地質(zhì)條件、水文及施工因素，本工程施工方案分兩期施工。一期采用全年土石圍堰、圍右岸船閘、廠房和14孔泄水閘段，由左側(cè)束窄河床過流，施工時(shí)段為2016年10月—2019年10月，施工洪水標(biāo)準(zhǔn)為全年10 a一遇洪水。施工一期平面布置見圖1a)。二期采用全年時(shí)段施工，施工左岸剩余泄水閘和土石壩，施工時(shí)段為2018年11月—2020年5月。采用過水圍堰方案，枯水期由過水圍堰擋水、右岸已建閘孔過流；二期擋水流量Q=8 000 m3/s，過水標(biāo)準(zhǔn)為全年10 a一遇洪水，Q=13 500 m3/s。施工二期平面布置見圖1b)。工程總工期49個(gè)月，船閘通航工期30個(gè)月。

圖1 施工一期和二期平面布置(單位：m)

2 施工期通航

2.1 通航標(biāo)準(zhǔn)

壩址處航道現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅳ(2)級(jí)，全年通航，最小通航流量450 m3/s。根據(jù)規(guī)范[5]要求，Ⅳ(2)級(jí)航道的最小航道水深為1.6～1.9 m，雙線航道直線段寬度不少于80 m。彎曲半徑不少于340 m，通航保證率不低于97%。

經(jīng)對(duì)壩址處河段通航情況調(diào)查，并參照工程經(jīng)驗(yàn)，施工期通航參數(shù)為：1)當(dāng)水深大于或等于2.0 m且斷面平均流速小于2.0 m/s時(shí)，船舶自航；2)當(dāng)水深大于或等于2.0 m且斷面平均流速為2.0～3.0 m/s時(shí)，視船舶需要配備拖輪助航；3)當(dāng)斷面平均流速大于3.0 m/s時(shí)，視航道情況助航或斷航。

2.2 通航方案

2.2.1施工一期通航方案

1)方案1采用左側(cè)束窄河床通航。為滿足施工一期的通航水深，對(duì)臨時(shí)航道進(jìn)行疏挖，疏挖總長2.5 km，底寬120 m，底高程為44.5 m，彎曲半徑不小于500 m，最小水深2 m，最小通航流量為450 m3/s，最大通航流量為5 780 m3/s，通航保證率95.67%。2)方案2為施工一期不通航，對(duì)相關(guān)單位采取斷航補(bǔ)償?shù)拇胧?/p>

經(jīng)分析，方案1保持了原航道等級(jí)，滿足壩址河段的通航需求。與方案2相比，方案1對(duì)社會(huì)的影響較小，且工程費(fèi)用比方案2的斷航補(bǔ)償費(fèi)用低，故選取方案1作為施工一期的通航方案。

2.2.2施工二期通航方案

施工二期利用已建船閘通航[6]。船閘有效尺度180 m×23 m×3.5 m(長×寬×檻上水深)，采用曲線進(jìn)閘、直線出閘方式過閘，上、下游引航道長均為559.9 m，均布置225.9 m的導(dǎo)航調(diào)順段和334.0 m的停泊段，底寬65 m。上、下游最低通航水位分別為47.80、45.85 m，上、下游閘首門檻頂高程分別為43.60、42.85 m，滿足施工期Ⅳ(2)級(jí)航道500噸級(jí)船舶通航需要。

3 數(shù)值研究

3.1 施工一期平面二維數(shù)值模型

3.1.1基本方程

采用基于水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型來描述水流運(yùn)動(dòng)，直角坐標(biāo)系下的控制方程為：

水流連續(xù)方程:

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程:

(2)

(3)

式中：H為水深；Z為水位；u、v分別為x、y方向的流速分量；n為糙率系數(shù)；t為時(shí)間；νT為紊動(dòng)黏性系數(shù)。

3.1.2網(wǎng)格劃分

考慮河勢因素，選取壩軸線上游2.3 km至壩軸線下游3.3 km范圍作為二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域，采用Delaunay三角化法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)共布置了19 663個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和39 155個(gè)計(jì)算單元，網(wǎng)格間距最大100 m、最小20 m，并對(duì)施工圍堰和開挖河段加密處理。施工一期網(wǎng)格布置見圖2。

圖2 施工一期網(wǎng)格布置

3.1.3數(shù)值計(jì)算方法

以三角形單元為控制體，待求變量存儲(chǔ)于控制體中心。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法處理水流運(yùn)動(dòng)方程中水深和速度的耦合關(guān)系。求解離散后的代數(shù)方程組，根據(jù)單元?dú)堄噘|(zhì)量流量和全場殘余質(zhì)量流量判斷收斂。

3.1.4定解條件

模型上邊界采用流量控制，下邊界為水位控制。計(jì)算過程采用了動(dòng)邊界技術(shù)體現(xiàn)不同水位條件下邊界位置的變化。

3.2 導(dǎo)流二期平面二維數(shù)值模型

施工導(dǎo)流二期時(shí)，右岸閘壩過流，采用Mike21模型添加建筑物的方法進(jìn)行二維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算，二維淺水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算采用有限體積法。

3.2.1基本原理

二維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程如下：

連續(xù)方程：

(4)

動(dòng)量方程：

(5)

(6)

式中：H為水深；Z為水位，其值為地面高程與水深之和；M、N分別為x、y方向的單寬流量；u、v分別為x、y方向的流速分量；n為糙率系數(shù)；q為源匯項(xiàng)。方程沒有考慮科氏力和紊動(dòng)項(xiàng)的影響。

3.2.2網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將工程大堤作為網(wǎng)格剖分的邊界約束條件、閘壩作為內(nèi)部約束條件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分23 911個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格最大面積為1 000 m2、最小面積為200 m2，對(duì)閘壩和船閘區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。施工二期網(wǎng)格布置見圖3，圖中豎粗線部分為已建泄水閘孔段。

圖3 施工二期網(wǎng)格布置

3.3 模型驗(yàn)證和參數(shù)率定

3.3.1模型驗(yàn)證

地形資料采用工程河段實(shí)測水下地形圖，模型驗(yàn)證采用天然河道實(shí)測流量為2 130 m3/s的水位資料進(jìn)行驗(yàn)證。施工一期和二期的水位計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比見表1。水位的計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，其誤差不大于2 cm。

表1 施工一期和二期水位計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比

3.3.2參數(shù)率定

根據(jù)水文資料，先按曼寧公式計(jì)算斷面平均糙率，作為初始糙率值，再用節(jié)點(diǎn)水深對(duì)斷面平均糙率進(jìn)行修正，最后對(duì)糙率系數(shù)分段調(diào)試。工程河段主槽糙率范圍為0.018～0.025，灘地糙率范圍為0.025～0.035。計(jì)算過程中采用綜合糙率，取0.028。

3.4 數(shù)值模擬和成果分析

3.4.1施工一期模擬及分析

在臨時(shí)航道區(qū)域壩軸線上下游距離1 200 m范圍內(nèi)布置11個(gè)斷面、33個(gè)流速測點(diǎn)，提取測點(diǎn)流速特征值。施工一期航道測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 施工一期航道測點(diǎn)布置(單位：m)

提取各流量工況下流速分布的流場圖，僅截取流量4 000 m3/s的流場為例，見圖5。最大流速為2.13 m/s，最大縱向流速為2.12 m/s，最大橫向流速為0.21 m/s，航跡線與水流流向的最大夾角為8°。施工一期各工況流速特征值見表2。

圖5 施工一期流場(Q=4 000 m3s)

表2 施工一期斷面的流速特征值

在施工一期各流量工況下，未發(fā)現(xiàn)局部回流等紊流流態(tài)；流量小于8 700 m3/s的工況，航道條件良好；流量大于8 700 m3/s的工況，最大的斷面平均流速均大于3.0 m/s，最大流速斷面出現(xiàn)在壩軸線上游300 m附近，應(yīng)視船舶需求和航道情況進(jìn)行導(dǎo)助航，加強(qiáng)通航安全管理；流量13 500 m3/s的工況8下，斷面流速最大，通航條件最不利，船舶通航應(yīng)謹(jǐn)慎。通過水文分析[7]，最小通航流量為450 m3/s，最大自航流量為4 000 m3/s，自航保證率93.36%，最大助航流量8 700 m3/s，助航保證率96.89%。

3.4.2施工二期模擬及分析

在船閘口門區(qū)上下游100～1 200 m的航道范圍內(nèi)分別布置9個(gè)斷面、30個(gè)流速測點(diǎn)，提取測點(diǎn)流速特征值。施工二期航道測點(diǎn)見圖6。

圖6 施工二期航道測點(diǎn)

數(shù)值計(jì)算提取了各流量工況下的流場，僅截取流量4 000 m3/s的流場為例，見圖7。最大流速為0.68 m/s，最大縱向流速為0.68 m/s，最大橫向流速為0.19 m/s。導(dǎo)流二期上下游航道范圍內(nèi)流速特征值見表3。

圖7 施工二期流場(Q=4 000 m3s)

表3 施工二期上游和下游斷面的最大特征值

施工二期根據(jù)水流調(diào)度和施工導(dǎo)流要求的條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，上游航道各流速特征值均滿足通航要求，局部回流微弱，上游流態(tài)較好；下游航道中，工況6流量8 700 m3/s的條件下，流速特征值最大，最大值為1.72 m/s，最大流速發(fā)生于航道連接段處。工況7、8的條件下，已建泄水閘和過水圍堰聯(lián)合泄流，下游口門區(qū)附近的流速減小，局部回流流速達(dá)0.3 m/s，部分工況下的橫向流速已達(dá)最大臨界值，最大流速也發(fā)生在航道連接段處，船舶航行時(shí)應(yīng)加強(qiáng)安全措施。綜合考慮，施工二期臨時(shí)航道滿足通航要求。

4 結(jié)語

1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，施工一期流量小于8 700 m3/s的工況，水流條件較好；流量大于8 700 m3/s的工況，通航水流條件較差，應(yīng)加強(qiáng)通航管理；施工二期上游航道水流條件較好，下游水流條件稍差，基本滿足船舶通航要求，建議加強(qiáng)水流調(diào)度和導(dǎo)流控制。

2)兩階段施工期的通航方案是合理的，施工一期利用束窄河床滿足了通航需要，二期利用新建船閘進(jìn)行臨時(shí)通航的方式實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)通航與永久建筑物的結(jié)合。

3)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了概化處理，施工過程為動(dòng)態(tài)變化過程，建議加強(qiáng)水流監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整航跡線。