曹民雄，馬愛興，胡金義

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;2.長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

內(nèi)陸河道的水流一般是非恒定的，當(dāng)一天或者一段時(shí)間內(nèi)的水位、流量變化很小可被近似為恒定水流.恒定流河段內(nèi)的航道整治往往以代表性流量級(如設(shè)計(jì)流量、整治流量、最高通航流量等)的整治效果作為標(biāo)準(zhǔn).但壩下河段來流往往受電站日調(diào)節(jié)影響，來流過程每天出現(xiàn)漲落變化.在原有恒定流條件下實(shí)施的航道整治方案能否適應(yīng)電站運(yùn)行后的水流條件變化值得關(guān)注.天然來流條件下的灘險(xiǎn)整治已經(jīng)有眾多成果［1－5］可供借鑒，但非恒定流條件下的航道整治研究成果較為少見.本文從向家壩電站下游近壩段和尚巖灘群整治方案受向家壩電站日調(diào)節(jié)影響下通航條件的變化，分析恒定流條件下航道整治方案的適應(yīng)性，研究壩下非恒定泄流對航道整治效果的影響.

1 向家壩電站與下游近壩段和尚巖灘群整治方案簡介

1.1 向家壩電站簡介

向家壩水電站是金沙江下游梯級開發(fā)中的最末一個(gè)梯級，壩址位于四川與云南交界的水富港以上3 km，是一座以發(fā)電為主，兼具航運(yùn)、防洪、灌溉、生態(tài)、攔沙等綜合效益的巨型水電站，并對溪洛渡水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié).電站于2006年12月26日開工，2008年12月完成了大江截流，計(jì)劃2012年首批機(jī)組發(fā)電，2015年完工.

向家壩電站日調(diào)節(jié)有2種典型日運(yùn)行工況(開機(jī)時(shí)間為5 min)［6］:工況1為設(shè)計(jì)枯水年電站保證出力的最不利情況，按壩下水位小時(shí)變幅小于1.0 m控制;工況2為枯水期各月電站發(fā)多年平均出力的一般情況.兩工況下泄流量過程接近，其中工況1的最小流量較小(與設(shè)計(jì)最低通航流量1 200 m3/s一致)、水位較低，選擇日調(diào)節(jié)工況1作為試驗(yàn)條件.利用向家壩至瀘州145 km的一維數(shù)學(xué)模型［7］，計(jì)算日調(diào)節(jié)工況1泄流條件下灘群進(jìn)口的流量過程與灘群出口的水位過程見圖1，進(jìn)口的流量過程中最小流量為1 351 m3/s(已加入橫江的50 m3/s)，最大流量為5 621 m3/s.

圖1 向家壩水電站日調(diào)節(jié)的灘群進(jìn)口流量與灘尾水位過程Fig.1 Process of shoal group entrance discharge and shoal tail water level during daily regulation of Xiangjiaba hydropower station

1.2 向家壩電站下游近壩段和尚巖灘群整治模型試驗(yàn)簡介

和尚巖灘群位于長江上游水富港以下3.5～11.5 km河段，即向家壩電站下游6.5～14.5 km，由馬皮包灘、和尚巖灘、二郎灘與棧橋?yàn)┙M成(圖2).試驗(yàn)采用比尺為1∶140的正態(tài)模型，進(jìn)行了流量分別為16 953，8 378和2 191 m3/s洪、中、枯3級流量的水位、流速平面分布與流向等驗(yàn)證.

模型上游邊界為恒定流的流量或者向家壩電站下泄水流傳播到本灘頭的流量過程，下邊界為灘尾9#水尺相應(yīng)于恒定流流量的水位或者相應(yīng)于向家壩電站下泄水流傳播到本灘尾的水位過程.灘頭的流量過程及灘尾的水位過程由一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算提供［7］.試驗(yàn)采用過程控制與數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化系統(tǒng)，沿程水位由自動(dòng)跟蹤式水位儀采集、表面流速由紅外光纖旋槳式流速儀與PIV大范圍同步測速系統(tǒng)相結(jié)合測量.

1.3 和尚巖灘群整治方案簡介

本河段航道現(xiàn)為Ⅳ級航道，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，尺度為2.7 m×60 m×560 m［8］.航道整治的灘段比降為3‰，1.8‰，0.7‰時(shí)對應(yīng)的水流速度分別為2.5，3.0 和3.5 m/s.利用物理模型研究了恒定流條件下灘群的航道整治方案［9］:馬皮包灘清除礙航礁石;和尚巖灘在邊灘上新挖航槽，輔以長順壩，以改善航行條件;二郎灘采取拓寬過水?dāng)嗝嬉越鉀Q水淺流急;棧橋?yàn)┣逭ń甘c石梁，以拓寬航槽并調(diào)整比降(主要工程措施見圖2).在設(shè)計(jì)流量1 250 m3/s，整治流量2 380 m3/s、汛期平均流量6 450 m3/s和最高通航流量12 400 m3/s的恒定流條件下，從灘頭水位降落、航道尺度與通航水流條件的改善程度、工程量與后期維護(hù)量等方面比選得到了推薦方案.

圖2 和尚巖灘群及整治方案示意圖Fig.2 Monks Rock shoal group and channel regulation scheme

2 電站日調(diào)節(jié)對設(shè)計(jì)水位的影響

電站泄流對航道尺度的影響主要表現(xiàn)在航深的變化，一是隨著電站的運(yùn)行，壩下河床出現(xiàn)沖刷下切，水位逐年下降，直至達(dá)到新的水沙平衡;二是電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，壩下沿程水位波動(dòng)頻繁，谷底水位可能低于恒定流時(shí)的設(shè)計(jì)水位，造成按恒定流整治的淺灘段航深不足［10］，因而電站下游航道整治首先需要考慮電站泄流對設(shè)計(jì)低水位的影響.向家壩壩下河道地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定、沒有大的活動(dòng)斷裂帶，河床主要由第四季碎石土和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層組成，河中不時(shí)有基巖出露.因而，壩下河床沖刷下切而引起的水位降落不明顯，設(shè)計(jì)水位主要受電站瞬時(shí)下泄流量過程的影響.

日調(diào)節(jié)期間壩下各時(shí)刻沿程瞬時(shí)水面線不同(圖3)，因向家壩電站瞬時(shí)下泄流量1 200 m3/s不小于設(shè)計(jì)最小通航流量，因而日調(diào)節(jié)期間壩下沿程瞬時(shí)水面線的下包絡(luò)線均高于恒定流時(shí)沿程設(shè)計(jì)水面線(圖3)，日調(diào)節(jié)期間壩下各灘險(xiǎn)的航道水深滿足要求.

圖3 日調(diào)節(jié)期間壩下各時(shí)刻沿程瞬時(shí)水面線與設(shè)計(jì)水面線比較Fig.3 Comparison of the instantaneous water surface and the designed water surface during daily regulation

3 電站日調(diào)節(jié)對通航水流條件的影響

3.1 對航道流速的影響

向家壩電站日調(diào)節(jié)工況下壩下流量沿程逐漸坦化、最大流量沿程減小、流量變化幅度沿程減小，壩下流速隨流量增加而增大［11］.向家壩電站日調(diào)節(jié)情況下選取個(gè)別流量級的航道中心線沿程縱向表面流速見圖4(其中(+)為漲水期間的流量、(－)為落水期間的流量，Vy為航道縱向流速、Vx為橫向流速)，可見沿程流速大小與流量大小成正比、且漲水流速一般稍大于落水期同流量下的流速，但各處流速大小與流量大小及斷面形式有關(guān).

圖4 電站日調(diào)節(jié)整治推薦方案的航道中心線沿程流速分布Fig.4 Velocity distribution of channel centerline for some discharges in the station daily regulation's recommended scheme

本河段航道整治推薦方案在恒定流Q=1 330與2 180 m3/s時(shí)的航道中心線沿程縱向表面流速一般不超過3.5 m/s［9］;但日調(diào)節(jié)情況選取同流量時(shí)對應(yīng)的航道中心線沿程流速出現(xiàn)大于3.5 m/s的流速區(qū)(圖4與表1)，3.0 m/s的流速區(qū)長度都有所增加，可見電站日調(diào)節(jié)使得航道最大流速稍有增大.其原因在文獻(xiàn)［12］中進(jìn)行了分析:下泄流量增加時(shí)，隨泄水波峰前瞬間比降增加的同時(shí)，水流速度相應(yīng)增加;下泄流量減小時(shí)，沿程水面比降與流速隨退水波的谷底而減小.

表1 航道整治推薦方案恒定流與日調(diào)節(jié)工況的大流速區(qū)長度及比降比較Tab.1 Comparison between the length and slope of large velocity in channel recommended regulation scheme under the condition of daily regulation with steady flow

3.2 對消灘的影響

在恒定流航道整治方案研究階段，向家壩電站日調(diào)節(jié)泄流范圍(1 250～5 621 m3/s)內(nèi)整治后各灘基本消灘［9］.下面以馬皮包灘段為例，分析電站日調(diào)節(jié)時(shí)各灘段的比降與水流速度變化及日調(diào)節(jié)時(shí)的消灘情況.

馬皮包灘設(shè)置有3處水尺，在日調(diào)節(jié)工況下各水尺間比降、航道中心線縱向流速隨時(shí)間變化見圖5，可見灘段比降與航道中心線縱向流速隨來流過程而變化、縱向流速隨下泄流量的增大而增加.臨1～臨1'水尺間部分時(shí)段消灘指標(biāo)不能滿足要求:CS9#、CS10#流速超過3.5 m/s約2～3 h，灘段比降超過0.7‰，因而有2～3 h、約130 m灘段沒有達(dá)到消灘指標(biāo)的要求.臨1'～臨2水尺間雖CS11#有約3 h流速大于3.5 m/s，但比降較小.CS11～15#斷面間均滿足消灘指標(biāo).其余灘段日調(diào)節(jié)工況下的消灘情況見表2，可見電站日調(diào)節(jié)將引起個(gè)別灘段的部分時(shí)段消灘水力指標(biāo)不能滿足要求.

圖5 馬皮包灘比降、航道中心線縱向流速隨時(shí)間變化Fig.5 Mapibao shoal's slope and channel centerline velocity changing with time

表2 日調(diào)節(jié)工況下各灘的消灘情況Tab.2 The shoals'rapids abating under the condition of daily regulation

4 對船舶航行的影響

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用雙槳雙舵船型，尺度為 112.00 m×19.30 m×4.45 m(長×寬×吃水)，排水量達(dá)6 185 m3，船模比尺與河工模型比尺(1∶140)一致，船模采用遙控自航(圖6).試驗(yàn)中上水航行的船舶車速(靜水航速)為4.5 m/s，下水航行4.0 m/s(已換算至實(shí)船值，下同).船模舵角可在左35°～右35°范圍內(nèi)無級操舵，但為了船舶安全航行，規(guī)定舵角限在±25°，最小對岸航速限值為0.4 m/s.

船模對比試驗(yàn)的水流條件有恒定流與非恒定流，恒定流的流量分別為3 000和5 000 m3/s，對應(yīng)下游尾門的控制水位分別為264.22和266.34 m.非恒定流的試驗(yàn)控制過程見圖7，流量由3 000 m3/s增至5 000 m3/s，再由 5 000 m3/s降至 3 000 m3/s.

圖6 船模遙控自航情況Fig.6 The remote-control self-propelled model ship

圖7 非恒定水流的水位與流量控制過程Fig.7 Water level and flow control process of unsteady flow

4.2 恒定流航行試驗(yàn)

由于試驗(yàn)灘段較長，分為4個(gè)航段分別進(jìn)行船模試驗(yàn):馬皮包灘－和尚巖灘航段、二郎灘上航段、二郎灘下航段和棧橋?yàn)┖蕉?流量為3 000 m3/s時(shí)，馬皮包灘－和尚巖灘航段工程前后船舶上、下行航行參數(shù)變化見圖8.

圖8 馬皮包灘－和尚巖灘航段工程前后船舶上下行航行參數(shù)Fig.8 Variations of the ship sailing up and down parameters before and after regulation in Mapibao and Monk Rock shoals

可見船舶上行時(shí)對岸航速與航道縱向流速成反比，操舵過程影響了航跡線、進(jìn)而影響到船舶的漂角.各航段上、下行船舶航行的舵角、漂角等參數(shù)極值范圍見表3，可見上行船舶頂流而上，需要不斷調(diào)整船位、操舵較為頻繁、船舶的漂角較大，但上行船舶的舵效較好、操舵范圍相對較小;而下行船舶順流而下、對岸航速較大、舵效較差，因而一旦船位出現(xiàn)偏航跡象、往往需要操大角度舵，操舵范圍相對較大.

4.3 非恒定流航行試驗(yàn)

對非恒定流的航行，每一航段分別進(jìn)行了9次下行、6次上行試驗(yàn)，每次從不同的時(shí)刻開始下行或上行.統(tǒng)計(jì)各航段船舶航行舵角、漂角等參數(shù)的極值范圍(表3)，可見船舶上下行舵角、漂角、對岸航速極值范圍的變化規(guī)律與恒定流基本一致:船舶上行的操舵范圍與對岸航速范圍相對較小、漂角極值相對較大.但非恒定流變化過程中，上下行操舵范圍與漂角、對岸航速極值范圍較相應(yīng)恒定流時(shí)增大、且漲水期間的操舵范圍大于落水期間，上行的對岸航速一般漲水期間大于落水期間.

表3 恒定流與非恒定流各航段的漂角、舵角極值范圍Tab.3 The range of the extreme drift angle and helm angle under steady and unsteady flow conditions

5 結(jié)語

通過向家壩電站下游近壩段和尚巖灘群航道整治物理模型試驗(yàn)與同比尺船模試驗(yàn)，研究了電站日調(diào)節(jié)非恒定泄流對壩下航道設(shè)計(jì)水位、航道流速、消灘與船舶航行情況進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下:(1)向家壩電站瞬時(shí)下泄流量不小于設(shè)計(jì)最小通航流量，日調(diào)節(jié)期間壩下沿程瞬時(shí)水面線的下包絡(luò)線均高于恒定流時(shí)沿程設(shè)計(jì)水面線，壩下各灘險(xiǎn)的航道水深滿足要求.(2)電站日調(diào)節(jié)的漲水流速一般稍大于落水期同流量下的流速，但各處流速大小與流量大小及斷面形式有關(guān)，一般電站日調(diào)節(jié)使得航道最大流速稍有增加.(3)電站日調(diào)節(jié)將引起個(gè)別灘段、部分時(shí)段的消灘水力指標(biāo)不能滿足要求.(4)電站日調(diào)節(jié)時(shí)壩下船舶上下行舵角、漂角極值范圍的變化規(guī)律與恒定流基本一致:船舶上行的操舵范圍相對較小、漂角極值相對較大.但非恒定流的上下行操舵與漂角、對岸航速極值范圍較相應(yīng)恒定流時(shí)增大、且漲水期間的操舵范圍大于落水期間.(5)電站日調(diào)節(jié)峰谷對船舶航行參數(shù)的影響規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究.

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