蔡智清，張緒進(jìn)，謝靈運

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

0 引言

擬建的大渡河沫水航電樞紐工程位于四川省樂山市沙灣城區(qū)上游，是大渡河沙灣水電站尾水出口與安谷水電站回水末端之間的一個梯級電站。距上游沙灣水電站13 km，距沙灣水電站尾水渠出口約4 km，距下游安谷水電站約13.6 km。該電站以航運、發(fā)電為主，兼顧少量企業(yè)供水［1-3］?！端拇ㄊ?nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃(2001～2050)》擬定大渡河沙灣至樂山段35 km的航道為Ⅴ級。現(xiàn)階段，沙灣水電站發(fā)電尾水至安谷水電站回水末端這一河段水位仍未銜接，約有6 km左右的天然河段，航道等級尚不能達(dá)到要求。在岷江下游四級開發(fā)方案(老木孔、東風(fēng)巖、龍溪口及犍為梯級)逐步實施的前提下，建設(shè)大渡河沫水航電樞紐對于實現(xiàn)大渡河下段航道的連續(xù)渠化，確保岷江-大渡河下段航運暢通有著十分重要的意義。

本文采用經(jīng)驗證滿足相似性要求的整體河工模型進(jìn)行研究［4-8］，獲取工程前后的水流條件，并據(jù)此進(jìn)行研究及分析，對該航電樞紐設(shè)計方案的合理性進(jìn)行驗證并進(jìn)一步完善［9-13］。研究表明，在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)后形成的方案基本滿足了大渡河下段航道的連續(xù)渠化需求，起到了改善通航條件的效果，當(dāng)然仍存在一些問題，該方案還需進(jìn)一步的試驗加以完善。

1 工程概況

本樞紐工程主要建筑物從左岸至右岸依次布置有安裝間、電站廠房、泄洪沖沙閘(12孔)及右岸船閘，壩頂高程411.2 m，壩線全長414.20 m。由于工程區(qū)對沫江堰引水工程的影響，在工程樞紐影響范圍內(nèi)對沫江堰引水渠進(jìn)行改造，改造段由渠道和引水隧洞組成，總長約590 m，其中隧洞段總長約542 m，渠道段總長約48 m。

2 模型設(shè)計

本試驗?zāi)Ｐ烷L9 km，由沙灣水電站尾水渠出口以上400 m處始至沐東壩以下500 m處止，這樣保證了模型上下游調(diào)整過渡段夠長，同時保證了該試驗河段的水流相似性，也充分利用了實測壩址下游斷面的水位流量關(guān)系，方便對尾水閘門水位的控制。基于試驗場地大小、供水能力等相關(guān)因素的限制，整體河工模型試驗的幾何比尺確定為λL=λh=100的正態(tài)模型，其他比尺見表1。通過對流向、流速分布、水位及水面線變化等方面的驗證，結(jié)果表明模型的相似性與相關(guān)規(guī)范的要求相符。

3 工程前水流條件試驗及分析

為了對天然情況下工程河段的水流條件有充分的認(rèn)識，通過模型對水庫上游水流量 Q=500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000、4 500、5 000、5 820、7 190、8 940、10 000、12 000 m3/s等水流條件進(jìn)行觀測，對各級流量下水位及水面線變化、河道流速分布及流態(tài)特征等水力要素進(jìn)行研究分析。結(jié)合工程河段水位、水面比降，流態(tài)及流速分布來看，受工程河段河勢及地形條件影響，枯水期水淺、局部比降大，中洪水期水流急，工程河段天然情況的通航條件較差。

4 方案試驗及分析

4.1 設(shè)計方案試驗及分析

設(shè)計方案布置情況:5孔沖沙閘與7孔泄洪閘之間保留施工縱向圍堰作為隔墻，隔墻長約87 m，頂高程約405.5 m。據(jù)模型試驗觀測情況表明:設(shè)計方案中泄洪閘與沖沙閘之間隔墻較長，高程較高，導(dǎo)致閘壩敞泄時在隔墻頭部區(qū)域出現(xiàn)明顯的繞流流態(tài)，由于電站敞泄時近壩區(qū)域流速較大，使靠近隔墻附近的泄洪閘過流不暢，水流下泄不均導(dǎo)致閘壩泄流出現(xiàn)一系列的問題，包括靠近隔墻的泄洪閘泄流能力顯著降低，敞泄時壩前水位抬升;7孔泄洪閘過流不均引起下游消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)水域，消能效果不佳;隔墻兩側(cè)出現(xiàn)較大水頭差，且流態(tài)較差，易導(dǎo)致隔墻失穩(wěn)，進(jìn)而危及隔墻自身乃至整個大壩安全等。為此對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化試驗，試驗表明:在設(shè)計方案基礎(chǔ)上縮短泄洪閘與沖沙閘間的隔墻，一定程度上改善了泄洪閘前閘后流態(tài)，但不能根本消除隔墻頭部的繞流流態(tài)。于是在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上拆除隔墻，同時對壩下游河段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚形成改進(jìn)方案。

4.2 改進(jìn)方案試驗及分析

4.2.1 工程河段沿程水面線變化情況

(1)正常蓄水位運行時。改進(jìn)方案后水庫蓄水時，庫區(qū)回水末端位于沙灣水電站尾水渠出口(2號水尺)附近，工程河段沿程水位及水面線變化情況見圖1。①受水庫壅水影響，水庫蓄水時庫區(qū)水位較天然情況均有不同程度的提高，流量越小時水位壅高幅度越大，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時，壩前壅水約6.04～2.74 m，受水庫壅水影響，庫區(qū)水面比降顯著降低，天然情況下存在的枯水急流淺險灘大部分被消除。根據(jù)統(tǒng)計顯示，Q=500～4 500 m3/s庫區(qū)段水面比降約0.001 8%～0.041 4%，天然情況下大渡河一號橋附近的陡比降也有明顯的降低，且水面比降變化趨勢也較天然情況有所不同，水面比降隨著流量的增大逐漸增大，最大水面比降出現(xiàn)在Q=4 500 m3/s時，約0.217 1%。故水庫蓄水運行時庫區(qū)航深加大，水面比降減緩，從航深和水面比降方面看基本可以滿足船舶通航的要求。②大壩下游河段。由于對近壩段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚，該段河道水位有所降低，最大降幅1.22 m，由于近壩水位降低使得壩下游水面比降較天然情況亦有所降低，根據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時，壩下游河道水面比降約0.000 9%～0.073 1%，且由于壩下游進(jìn)行了疏浚，水深較深，故壩下河段航深和水面比降等方面都能滿足船舶的通航需求。

表1 物理模型試驗比尺

圖1 工程河段沿程水面線(改進(jìn)方案，正常蓄水位)

(2)全閘敞泄運行時。依據(jù)沫水電站初步設(shè)定的水庫調(diào)度運行方式，當(dāng)Q＞4 500 m3/s時，電站停機(jī)，閘門全部開啟泄洪。對Q=4 500～12 000 m3/s的庫區(qū)沿程水位及水面線變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在大流量時樞紐的泄流能力稍有不足，各級敞泄工況下壩前水位較天然情況時均有不同程度的抬高，且流量越大，水位抬高幅度越大。當(dāng)Q=4 500～12 000 m3/s時，壩前壅水約1.05～3.84 m，越往上游壅高幅度越小，回水尖滅點隨流量的變化也各有不同，即流量越大，回水尖滅點逐漸上移。①受庫尾河段開挖疏浚影響，當(dāng)Q≤7 190 m3/s時，庫尾沙灣尾水附近水流較天然情況反而有所降低，當(dāng)Q=8 940 m3/s時，沙灣尾水位與天然情況基本相同，隨著流量進(jìn)一步加大，沙灣尾水附近水位有所壅高，最大壅高值約0.22 m。受壩前壅水的影響，庫區(qū)水面比降與天然情況相比有所降低，總體比降均較小，但大渡河一號橋附近的局部比降較大，當(dāng)Q=4 500～7 190 m3/s時，該處比降分別為0.276 1%、0.283 3%和0.301 9%，由于工程河段規(guī)劃航道等級較低，上述流量時大渡河一號橋附近比降陡，通航較為困難。②大壩下游河段。由于對近壩段至彩虹橋上游進(jìn)行了一定范圍的疏浚，該段河道水位有所降低，使得壩下游水面比降較天然情況有所降低，這與水庫蓄水時情況基本一致，根據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)Q=500～4 500 m3/s時，壩下游河道水面比降約0.065 2%～0.127 1%，且由于壩下游進(jìn)行了疏浚，水深較深。故當(dāng)Q≤7 190 m3/s時的各級通航流量下航深和水面比降均滿足船舶通航的要求。

圖2 工程河段沿程水面線(改進(jìn)方案，敞泄)

4.2.2 工程河段沿程流速與流態(tài)變化情況

對改進(jìn)方案后，水庫蓄水發(fā)電和電站停機(jī)全閘敞泄的不同工況進(jìn)行樞紐上下游河段的流速與流態(tài)變化情況監(jiān)測分析。

4.2.2.1 庫區(qū)河道流速與流態(tài)分析

(1)正常蓄水位運行時。依據(jù)設(shè)計擬定的水庫運行方案:當(dāng)Q≤4 500 m3/s時，水庫按正常蓄水位405.00 m運行，經(jīng)試驗觀察與分析，結(jié)果表明:因為壩前水位抬高，水庫壅水，致使水庫回水區(qū)范圍內(nèi)水流較為平緩，流速顯著小于天然情況。①當(dāng)Q≤1 000 m3/s時，由于來流量較小，庫區(qū)水位壅高幅度較大，整個庫區(qū)水面均十分平靜，水流平緩。②當(dāng)Q=1 500～2 500 m3/s時，整個庫區(qū)河道受水庫壅水影響效應(yīng)仍較明顯，庫區(qū)內(nèi)流速較天然情況降幅明顯，庫區(qū)內(nèi)流速分布較為均勻，基本無不良流態(tài)。③當(dāng)Q=3 000～4 500 m3/s時，水庫仍蓄水運行，而泄洪沖沙閘開始參與泄流，隨著來流量的增大，庫區(qū)流速進(jìn)一步加大，庫區(qū)內(nèi)部分區(qū)段特別是庫尾及大渡河一號橋附近區(qū)域流速較急，近壩河段由于壅水影響，流速相對庫尾河段明顯要低，對比樞紐建成前后，庫區(qū)河段的流速均有不同程度的降低，越靠近壩前其流速所降低的幅度越大。

(2)全閘敞泄運行時。按水庫調(diào)度運行方式:當(dāng)Q＞4 500 m3/s時，泄洪沖沙閘門全部開啟泄洪，研究4 500 m3/s＜Q≤12 000 m3/s下庫區(qū)河道的水流條件。由前述水位變化分析可知，在全閘敞泄的各級流量情況下，庫區(qū)水位壅高的區(qū)域僅限于壩址附近，壩址以上其他河段沿程水位均略低于天然狀況下的水位，其流速分布與天然狀況下流速基本一致，流速變化主要限于近壩河段。受大渡河河槽狹窄，泄流通道有限的影響，水庫敞泄時，把上游河段流速均較急，流速隨著流量的增大逐漸增加。當(dāng)Q=5 820 m3/s時，整個庫區(qū)河段流速分布較均勻，流速約為3.0～4.5 m/s，其中庫區(qū)上段流速約為3.6～4.5 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.0～4.0 m/s。與天然情況不同的是，由于筑壩導(dǎo)致水位有所抬升，庫內(nèi)流速分布較天然情況均勻一些，庫區(qū)主流無明顯隨主流分布的趨勢。當(dāng)Q=7 190 m3/s時，庫區(qū)內(nèi)流速分布規(guī)律與Q=5 820 m3/s大致相同，庫區(qū)上段流速約為3.6～4.8 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.2～4.2 m/s;當(dāng)Q=10 000 m3/s時，庫區(qū)上段流速約為4.2～5.5 m/s，庫區(qū)下段流速約為3.8～5.5 m/s;當(dāng)Q=12 000 m3/s時，庫區(qū)上段流速約為4.5～5.7 m/s，庫區(qū)下段流速約為4.3～5.5 m/s。

4.2.2.2 下游河道流速與流態(tài)分析

(1)正常蓄水位運行時。當(dāng)Q≤2 500 m3/s時，上游水流量均用于發(fā)電，泄洪沖砂閘關(guān)閉，通過對實測資料的研究與分析可知，當(dāng)流量較小時，壩下游河段水面比降、流速平緩，伴隨著流量的變大，自電站尾水渠下泄的水流流速較為集中，流速亦隨之逐漸變大，與電站異岸布置的船閘口門區(qū)內(nèi)基本為回流所覆蓋。當(dāng)3 000≤Q≤4 500 m3/s時，電站滿發(fā)，富余出來的流量經(jīng)泄洪沖砂閘下泄，實測資料表明，隨著下泄流量的增大，壩下游河段流速也增大，主流區(qū)的分布與天然情況大致相同，仍基本隨深泓布置，彎道掃彎水明顯，下游引航道口門區(qū)全部為回流所覆蓋，且回流強(qiáng)度較大。

(2)全閘敞泄運行時。當(dāng)Q＞4 500 m3/s時，全閘敞泄，電站停機(jī)，對Q=4 500～12 000 m3/s等6級流量進(jìn)行了實測，獲取了下游河道內(nèi)的流速分布并分析，可知當(dāng)上游水流量增大時流速亦隨之增大。敞泄時，樞紐上下游的水位差較小，壩下消力池內(nèi)及下游水深較大，出池水流比較為平緩，流速分布較為均勻。下游河道流速與天然情況流速，二者的流速分布情況基本上一致。當(dāng) Q=5 820、7 190、8 940、10 000、1 200 m3/s時，隨著下泄流量的增大，壩下游河段流速顯著增大，主流區(qū)的分布與天然情況大致相同，基本隨深泓布置。上述5級流量下，消力池出口下游CS45斷面最大流速分別為3.49、4.21、4.82、5.10、4.95 m/s，CS50斷面最大流速分別為3.60、5.06、5.73、6.36、6.94 m/s，而后主流隨河道轉(zhuǎn)彎向右偏轉(zhuǎn)，至沫若廣場附近(CS54斷面)最大流速分別為4.49、4.73、5.51、5.96、6.66 m/s，彩虹橋附近最大流速分別為4.42、4.54、5.71、6.49、6.80 m/s，主流緊靠右岸，CS65斷面最大流速分別為3.72、4.21、5.27、6.17、6.63 m/s。

5 結(jié)語

天然情況下，沫水航電樞紐工程河段受大渡河河勢及水勢條件的影響，水陡流急，枯水期急流灘險礙航，中洪水期則水流較急不宜通航，總體通航條件較差。在沫水航電樞紐改進(jìn)方案實施后，工程河段水流條件得到了一定程度的改善，船舶可安全進(jìn)出上游引航道的最高通航流量基本可以達(dá)到Q=4 500 m3/s(電站發(fā)電，水庫蓄水)。壩下游河段，由于受到河床地形條件及樞紐調(diào)度運行方式的影響，該方案下船閘下引航道除Q＜1 000 m3/s的小流量時能滿足船舶安全通航要求，其余流量級均不滿足規(guī)范要求。

綜合上述試驗基本情況對改進(jìn)方案存在的問題總結(jié)如下:

(1)實測各級敞泄工況下泄流能力略顯不足，需要采取一定的措施適當(dāng)增加樞紐泄流能力，并復(fù)核庫區(qū)沙灣城區(qū)防洪堤高程。

(2)應(yīng)該再進(jìn)行更深程度的優(yōu)化與調(diào)整，進(jìn)一步改善下引航道口門區(qū)的通航條件。

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