蔣孜偉 ，許光祥

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

對(duì)未建大壩的天然河道進(jìn)行流場(chǎng)模擬時(shí)，為了獲得較好的來流邊界，通常將進(jìn)口選在較為順直的河段，并且假定進(jìn)口流速或單寬流量均勻分布。但當(dāng)大壩建成后，計(jì)算域進(jìn)口位置只能選擇大壩斷面，但發(fā)電、控泄發(fā)電、敞泄停機(jī)等不同工況下的電站泄流(即計(jì)算域進(jìn)口來流邊界)大不相同。特別是在開展引航道口門區(qū)通航水流條件研究時(shí)，由于引航道緊靠壩下，如仍采用無壩情況的均勻來流邊界，必然會(huì)與實(shí)際情況造成較大誤差。電站無論以何種方式泄流，距壩下一定距離必然會(huì)出現(xiàn)流速大小及分布恢復(fù)到無壩全斷面泄流工況的斷面，這個(gè)斷面與大壩之間的距離為恢復(fù)距離，并將此斷面定義為恢復(fù)斷面。分析不同泄流方式下的水流恢復(fù)距離，對(duì)分析電站分散泄流對(duì)引航道口門區(qū)通航水流條件的影響具有重要意義。

引航道口門區(qū)水流呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維特性[1-2]。水流恢復(fù)距離的大小受泄水閘的開啟方式[3-9]、泄洪閘的位置[10]、電站的調(diào)節(jié)方式[11]、船閘的沖泄水方式[12]等影響，目前針對(duì)水流恢復(fù)距離等相關(guān)研究成果尚不多見。本文針對(duì)景洪電站發(fā)電、控泄發(fā)電、敞泄停機(jī)等工況下的水流沿程分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以探究水流恢復(fù)距離，進(jìn)而對(duì)電站的調(diào)度運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

景洪電站位于瀾滄江干流下游，云南省西雙版納州首府景洪市北郊約5 km處，介于思茅港—中緬243號(hào)界碑5級(jí)航段上，是瀾滄江中下游梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃中的第6級(jí)電站。該工程是以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，并具有防洪、旅游等綜合利用效益的大型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位602.0 m，死水位591.0 m。樞紐主體工程包括：左右岸混凝土重力壩段、泄洪閘段、沖沙底孔、壩后式電站廠房、右岸垂直升船機(jī)等建筑物，船閘級(jí)別為4級(jí)，電站與升船機(jī)采用異岸布置于河床右側(cè)。下游引航道緊鄰河道右側(cè)凸岸，長約601 m。最高通航流量為7 100 m3/s，最低通航流量為504 m3/s。當(dāng)日均入庫流量在405～504 m3/s時(shí)，電站下泄流量不小于405 m3/s；當(dāng)日均入庫流量小于405 m3/s時(shí)，按天然入庫流量控制下泄。景洪電站壩址處于河道窄彎處，壩軸線位于兩反向河道間的過渡段(圖1)，平面上呈煙斗形，下游引航道緊鄰河道右側(cè)凸岸，其左側(cè)河床較高，岸坡較陡，水深較淺，枯水水花強(qiáng)烈，加之其上游受樞紐發(fā)電、泄洪等影響，引航道口門區(qū)的水流條件將更加復(fù)雜，因此有必要對(duì)其口門區(qū)的水流條件開展研究。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[13]并結(jié)合本工程的船閘等級(jí)，船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大流速限制如下：① 縱向流速不大于2.0 m/s；②橫向流速不大于0.3 m/s；③ 回流流速不大于0.4 m/s。

圖 1 景洪電站樞紐總平面布置（單位：m）Fig. 1 General layout drawing of Jinghong Hydropower Station (unit: m)

2 研究方法與計(jì)算工況

對(duì)于電站泄流邊界的給定，采用較為簡單的方法，進(jìn)口單元節(jié)點(diǎn)切向流速Vτ均設(shè)為0，法向流速Vn則根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域具體確定，如：

發(fā)電工況：只有電站廠房段才有水流，則設(shè)廠房段的節(jié)點(diǎn)Vn=V1，其他段節(jié)點(diǎn)的Vn=0。即圖2(a) 中節(jié)點(diǎn)1～5 的 Vn=V1，6～13 的 Vn=0。

控泄發(fā)電工況：電站廠房和部分泄洪段有水流，則設(shè)廠房段的節(jié)點(diǎn)Vn=V1，開啟的泄洪閘段節(jié)點(diǎn)Vn=V2，其他段節(jié)點(diǎn)的 Vn=0。即圖 2(b)中節(jié)點(diǎn) 1～5 的 Vn=V1，6～9 的 Vn=V2，10～13 的 Vn=0。

敞泄停機(jī)工況：電站廠房、升船機(jī)和非溢流壩段無水流，泄流主要集中在溢流壩段，則泄洪閘段全部節(jié)點(diǎn) Vn=V3，其他段節(jié)點(diǎn)的 Vn=0。即圖 2(c)中節(jié)點(diǎn) 1～5 的 Vn=0，6～9 的 Vn=V3，10～13 的 Vn=0。

選用6個(gè)流量和13種邊界共78組工況組合(表1)進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，用以分析恢復(fù)距離。

圖 2 電站泄流邊界處理示意Fig. 2 Diagram of discharge boundary processing of hydropower station

表 1 電站壩下非全斷面泄流恢復(fù)距離計(jì)算工況Tab. 1 Calculation conditions of non-full section discharge recovery distance downstream of hydropower station dam

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 恢復(fù)距離確定標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)部分泄流邊界工況下某斷面某節(jié)點(diǎn)的流速為u1i，無壩全斷面泄流工況下同斷面同節(jié)點(diǎn)的流速為u0i，則二者的均方差與全斷面泄流工況下同斷面平均流速V0的比值為：

均方差越小，數(shù)據(jù)越聚集，反之，數(shù)據(jù)越離散。當(dāng)某斷面流速的均方差5%時(shí)，則可認(rèn)為部分泄流工況與全斷面泄流工況的水流條件一致，該斷面稱為恢復(fù)斷面，其距大壩的長度即為恢復(fù)距離L。

圖3是Q=3 000 m3/s時(shí)典型工況的計(jì)算結(jié)果。從圖3可知，泄流邊界所占的比例越小，水流的恢復(fù)距離越長。根據(jù)5%的判斷條件，可得各工況的恢復(fù)距離（表2）。

從表2和圖4可以看出，恢復(fù)距離具有如下規(guī)律：

(1)兩端為泄流邊界的恢復(fù)距離均大于中間為泄流邊界的恢復(fù)距離，整體比較而言，左端為泄流邊界的恢復(fù)距離最長，這主要是由于受雙側(cè)或單側(cè)擴(kuò)散以及邊界條件的影響。

(2)隨著流量增大，動(dòng)量增強(qiáng)，恢復(fù)距離越長，但其變化規(guī)律性不強(qiáng)，這主要是由于受天然河流的河床、河岸以及人工建筑邊界的影響。

(3)泄流寬度占的比例越大，恢復(fù)距離越短，但其變化規(guī)律性不強(qiáng)，這與復(fù)雜的地下邊界可能存在關(guān)系。

圖 3 部分工況沿程變化情況(Q=3 000 m3/s)Fig. 3 changes along the river under partial conditions (Q=3 000 m3/s)

表 2 各工況的恢復(fù)距離Tab. 2 Recovery distance of each working condition

圖 4 恢復(fù)距離隨流量的變化Fig. 4 Recovery distance varies with flow

3.2 全斷面泄流工況與極限泄流工況下水流條件對(duì)比

由表 2 可知，Q=504，1 500，3 000，5 000，7 100 和 8 967 m3/s時(shí)的恢復(fù)距離分別為 423.6，473.8，540.4，602.2，675.5和739.3 m。由表3可以看出，Q=504，1 500和3 000 m3/s時(shí)，=1.0和=0.2工況的最大縱流、最大橫流及最大回流是基本一致的，此時(shí)的水流恢復(fù)距離小于引航道長度，所以無論上游泄流工況如何改變，引航道口門區(qū)的通航水流條件都不會(huì)受其影響。Q=5 000，7 100和8 967 m3/s時(shí)，=1.0和=0.2的最大縱流、最大橫流及最大回流變化甚為明顯，此時(shí)的水流恢復(fù)距離大于引航道長度，所以上游泄流工況的變化會(huì)引起引航道口門區(qū)的通航水流條件明顯改變。

表 3 =1.0與=0.2的水流條件對(duì)比Tab. 3 Comparative analysis table of flow conditions as=1.0 and =0.2

表 3 =1.0與=0.2的水流條件對(duì)比Tab. 3 Comparative analysis table of flow conditions as=1.0 and =0.2

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4 結(jié) 語

(1)本文基于平面二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算了景洪電站不同泄流工況下的水流恢復(fù)距離，結(jié)果表明，兩側(cè)泄流的恢復(fù)距離均大于中段泄流的恢復(fù)距離，泄流寬度占的比例越大，恢復(fù)距離越短，泄流流量越大，恢復(fù)距離越長。通過對(duì)全斷面泄流工況和極限泄流工況在引航道口門區(qū)水流條件的對(duì)比可知，當(dāng)水流恢復(fù)距離大于引航道長度時(shí)，相對(duì)應(yīng)的工況會(huì)造成引航道口門區(qū)水流條件的明顯變化，此時(shí)需考慮電站泄流方式對(duì)下游通航的影響。

(2)計(jì)算工況相較于景洪電站的調(diào)度計(jì)劃而言顯得“極限”，這種“極限”體現(xiàn)在與電站的調(diào)度運(yùn)行方式相比泄流邊界更為集中，通航水流條件更為復(fù)雜，所以電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行方式的水流恢復(fù)距離比計(jì)算工況得出的水流恢復(fù)距離要短，對(duì)通航的影響也應(yīng)更微弱。同時(shí)本文計(jì)算得到的水流恢復(fù)距離可為景洪電站的調(diào)度運(yùn)行是否對(duì)下游引航道口門區(qū)的通航水流條件造成影響提供參考。