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徑流式電站通航水流條件優(yōu)化措施研究

2021-07-03 06:24:58段宛玥董俊君陳立華
中國農(nóng)村水利水電 2021年6期
關(guān)鍵詞:泄水閘引航道口門

段宛玥,董俊君,陳立華

(1.廣西大學土木建筑工程學院,南寧530004;2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司,昆明650000)

0 前 言

我國水運歷史悠久,水路具有運輸成本低、運量大,投資效益高,污染小等優(yōu)點。在通航河流上修建水利樞紐,需要保證或改善其通航能力。引航道的相對靜止的水流與主河道中運動的水流在口門區(qū)交匯,電站的泄水建筑物與導航分水建筑物等都對口門區(qū)水流產(chǎn)生影響。電站建成后下游水流自泄水閘向下流動過程中在口門處河道放寬,且同一河流過水斷面上流速分布不均,正對泄水閘泄水孔區(qū)域流速往往較大,靠近岸邊區(qū)域流速往往較小,這使得水流彎曲變形,形成了斜向水流,斜向水流對周邊水域的進一步作用產(chǎn)生了回流和漩渦。較大的斜向水流產(chǎn)生的橫流和回流,會造成航向船舶的橫向漂移和扭轉(zhuǎn),嚴重時船舶失控造成事故[1-3]。因此,修建水利樞紐布置船閘引航道時應(yīng)關(guān)注下游口門區(qū)的水流條件,提前進行論證,并提出改善下游口門區(qū)水流條件的措施。

工程措施主要分為:①設(shè)置防護設(shè)施。如楊宇等[3]依托城景水電站設(shè)置不同體型的透水墩。余凱等[4]通過建立水工整體定床模型,提出縮短隔流墻并增設(shè)透水段的措施。周勤等[5]以古頂水利樞紐二線船閘通航水力學試驗為例,得出布置70 m外挑導航墻的措施。②提出改道疏挖措施。如李茜希等[6]以橄欖壩樞紐工程為例,通過改變運行調(diào)度方式對口門區(qū)通航水流條件進行優(yōu)化。趙家強等[7]針對潮州供水樞紐東溪水閘段的不良流態(tài),提出降低通航標準、優(yōu)化航線、開挖與調(diào)整凸岸岸線等措施。陸峰[8]通過采用支流改道的方法,減小回流流速。③多種措施相結(jié)合。如:王建平[9]、劉曉平[10]在工程中均提出了將疏挖與防護相結(jié)合的措施。另一方面,基于圣維南方程的平面二維水動力數(shù)值模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于模擬天然或工程后河道水流運動的模擬[11-14]。

因樞紐的位置、河勢、來水來沙情況不同,樞紐及通航建筑物布置方式不同,可以采取不同的措施或者多種措施組合改善通航水流條件,并從工程效果及工程量的角度優(yōu)化措施。本文以漢江某徑流式電站通航水流條件為研究對象,建立水電站二維水動力數(shù)學模型模擬論證電站建成后通航水流條件,分析論證其優(yōu)化措施,為工程設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

1 平面二維水動力數(shù)學模型

基于該徑流式水電站現(xiàn)壩址位置和工程布置,采用CCHE2D軟件建立二維水動力模型對電站建成后的不同流量下下游口門區(qū)通航水流條件進行模擬分析,并擬采用河床疏挖的方法改善下游口門區(qū)通航水流條件。

1.1 基本方程

笛卡爾坐標系下平面二維水流運動基本方程為:水流連續(xù)方程:

水流運動方程:

式中:Z為水位,m;h為水深,m;u、v分別為x、y方向的流速,m/s;C為謝才系數(shù),m1/2/s;γt為紊動黏性系數(shù);g為重力加速度,m/s2。

為擬合不規(guī)則河道邊界,模型采用正交曲線網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分。正交曲線坐標系下水流基本方程如下:

式中:U、V分別為ξ、η方向流速分量,m/s;Z、h分別為水位和水深,m;n為糙率系數(shù);f為柯氏力系數(shù),f=2ωsinΦ;ω為地球自轉(zhuǎn)角速度,m/s,Φ為評價河段所處緯度;σξξ、σηη、σξη、σηξ為應(yīng)力項,Pa;Γξ、Γη表示正交曲線坐標系中的拉梅系數(shù),Γξ=表示紊動黏性系數(shù)vt=α u h,α=0.5~1,u*為摩阻流速,m/s。

1.2 計算方法

為保證水流模型中水量和動量有較好的守恒性,采用有限體積法進行數(shù)值離散。方程離散采用了自動迎風格式。為了避免水位鋸齒波采用交錯網(wǎng)格技術(shù)。

1.3 計算概化

用的兩種方法。

水電站工程水工建筑物主要有擋水壩、船閘、電站廠房、泄水閘,計算中考慮擋水壩及船閘不過水,電站廠房泄水發(fā)電、泄水閘過水擔負泄洪的任務(wù),在電站廠房、泄水閘所在位置相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點,依據(jù)建筑物高度修改河底高程。局部加糙是指增加各水工建筑物附近的二維計算網(wǎng)格節(jié)點的局部糙率。局部阻力系數(shù)通過下式計算:

式中:A為過水面積;ζ為局部阻力系數(shù)。

在實際估算中,將局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為糙率:

式中:H為水工建筑物以外的河道水深。

概化后工程區(qū)域所在網(wǎng)格的局部綜合糙率系數(shù)為:

根據(jù)水電站布置及結(jié)構(gòu)型式、河道地形等對工程進行合理概化才能使數(shù)學模型計算能反映擬建工程對河道水流運動的影響。局部地形修正和局部糙率修正是目前工程概化較為常

本文采用局部地形修正法,當網(wǎng)格尺寸建筑物尺寸相當時,直接將網(wǎng)格節(jié)點高程調(diào)整為建筑物高度對應(yīng)高程,當網(wǎng)格尺寸大于建筑物尺寸時,調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點高程使其滿足,建筑物高程引起流量變動值與該處網(wǎng)格高程引起流量變動值相同即可。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程基本概況

應(yīng)用實例中的漢江某徑流式水電站為Ⅱ等大(2)型工程。工程主體建筑物由泄水閘、河床式電站廠房、連接重力壩段、船閘及魚道等組成,壩軸線總長2 202.4 m,大壩壩頂高程79.30 m。電站正常蓄水位為76.23 m,校核洪水位為77.70 m,設(shè)計洪水位為76.23 m,死水位為75.93 m,上游最高通航水位76.23 m,下游最低通航水位64.12 m,最大水頭差12.11 m。采用單線一級船閘,上、下游引航道為人工航道采用不對稱方式布置,過閘方式為直線進閘、曲線出閘。樞紐附近航道、上下游引航道及船閘設(shè)計平面布置見圖1。上下游航道及船閘等級均為Ⅲ級。

根據(jù)《內(nèi)河通航標準》(GB 50139-2014)[15],船閘引航道口門區(qū)水流表面最大流速限縱向流速2.0 m/s、橫向流速0.3 m/s、回流流速0.4 m/s。

參照《三峽船舶航行標準》(JTJ305-2001)[16]及其他船舶航行標準,一般要求:設(shè)計船舶噸級為1 000 t,雙線通航,設(shè)計船隊為雙排雙列一頂四艘1 000 t級分節(jié)駁,船隊尺度167 m×21.6 m×2.0 m,航道水深不小于2.4 m(2.0 m 船舶吃水加0.4 m 富余水深)。

2.2 邊界條件

在平面二維水流模型中,通常河道開邊界、閉邊界及動邊界條件具體如下:

開邊界:進、出口水邊界,通常在計算中取上游一遠離研究區(qū)域的斷面給定河道來流流量作為進口,同樣在下游取一遠離研究區(qū)域的斷面給定相應(yīng)水位作為出口。本次計算在模型驗證階段結(jié)合資料,取壩上游約4 km 距上游口門區(qū)約3.5 km 作為進口給定來流流量,取壩下游約6 km 距下游口門約5.2 km 作為出口給定相應(yīng)水位;在進行營運期通航水流條件計算中,上游段取距壩約4.0 km 作為進口,泄水閘作為出口,下游段取泄水閘作為進口,取距壩下游6.0 km作為出口。

閉邊界:計算區(qū)域的河道岸邊界,模型中將設(shè)置為無法向流速。

動邊界:因流量不同時而過水,時而不過水的區(qū)域,若被淹沒則不做改變,糙率取正常值,若不過水就將其糙率取一無窮大正數(shù)。

2.3 水流計算條件驗證

選取3 個斷面CS1、CS2、CS3 進行水位測量,見圖1。計算范圍從水電站壩上游4.0 km 到壩下游6.0 km 共10 km,沿水流方向網(wǎng)格尺寸為10~20 m,垂直水流方向網(wǎng)格尺寸為5~15 m。通過調(diào)整主河槽和灘地的糙率結(jié)果為:主槽的糙率取值為0.016~0.018,灘地的糙率取值為0.021~0.024。水位及流速計算值與實測值吻合良好,計算水位值與實測水位值的誤差最大為0.02 m,流速及流量誤差在±5%以內(nèi),見表1。說明數(shù)學模型建立正確,參數(shù)選取合理,可用于該水電站引航道口門區(qū)水流條件計算模擬研究。

表1 斷面計算水位與實測水位對比表Tab.2 Comparison table of calculated water level and measured water level of cross section

2.4 計算方案

因該水電站下游引航道口門區(qū)附近右側(cè)河床為原河道深泓,地形高程較低約61.0~62.5 m,左側(cè)地形高程相對較高約63.0~67.0 m,有灘地和江心洲分布,該水電站的泄水閘和電站廠房均位于引航道左側(cè),由泄水閘和電站廠房下泄的水流因地形原因在下游引航到口門區(qū)附近可能會形成橫流、回流等不利于船舶通航的情況。以降低口門區(qū)水流流速,減小水流流向與航道中軸夾角為原則,擬定四種疏挖方案如圖2所示,計算各方案下水流運動情況,論證其是否滿足通航條件。疏挖范圍一是通過無疏挖方案預(yù)試驗結(jié)合下游地形確定,疏挖范圍二則是在疏挖范圍一試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過水流條件的分析確定。其中,“疏挖方案一”為將“疏挖范圍一”疏挖至64.0 m 高程,如圖2(b)所示;“疏挖方案二”為將“疏挖范圍一”疏挖至63.5 m 高程,如圖2(b)所示;“疏挖方案三”為將“疏挖范圍二”疏挖至63.5 m高程,如圖2(c)所示;“疏挖方案四”為將“疏挖范圍二”疏挖至63.5 m,下游部分區(qū)域疏挖至62.0 m高程,如圖2(d)所示。

根據(jù)水電站泄水建筑物調(diào)度運用原則,選取下泄流量為350 m3/s(最小通航流量)、1 570.4 m3/s(4 臺機組滿發(fā)流量)、6 200 m3/s(近期最大通航流量,6 孔控泄)、12 000 m3/s(遠期最大通航流量,12 孔控泄),研究上下引航道口門區(qū)通航水流條件。

2.5 計算成果

2.5.1 通航水流條件分析

疏挖范圍位于下游引航道左側(cè),未對樞紐上游產(chǎn)生影響,因此各疏挖方案上游情況一致。本文主要針對下游引航道及附近區(qū)域水流條件展開分析。由于河段并非完全順直,且船閘無論采用何種布置方式都會出現(xiàn)不利于航行的復雜流態(tài)“斜向流”,可將其分解為縱向流、橫向流和回流進行研究,這樣也便于為通航水流條件提供參考限值。需對下游引航道口門區(qū)附近水流條件進行計算流場分析,因此下文中選取如圖1所示下游口門區(qū)范圍內(nèi)水流條件進行分析。

根據(jù)本文口門區(qū)定義選取五個斷面分析不同方案的水流情況,并比較不同方案的優(yōu)缺點。以疏挖方案減小橫向流速效果最佳的350 m3/s 流量為例,在原設(shè)計方案、疏挖方案一、二、三、四時下游口門區(qū)流態(tài)速分布見圖3。

從圖3可知,下泄流量為350 m3/s 時,原方案圖3(a)在X3~X4 斷面間水流流向與航跡線夾角較大,基本表現(xiàn)為橫流,主流靠近口門區(qū);疏挖方案一圖3(b)、疏挖方案二圖3(c)在X3~X4 斷面的橫流區(qū)域上移,主流較原方案略遠離口門區(qū),在左、右航跡線區(qū)域內(nèi)流速變小,但水流流向與航跡線夾角仍較大,表現(xiàn)為流速較小的橫流;疏挖方案三圖3(d)、疏挖方案四圖3(e)在X3~X4 斷面的橫流區(qū)域上移,主流較原方案進一步遠離口門區(qū)在左、右航跡線區(qū)域內(nèi)流速變小,且水流流向與航跡線夾角變小,X1~X5 區(qū)域內(nèi)均表現(xiàn)出,流向與航跡基本一致的流態(tài)。

當下泄流量為350~12 000 m3/s 各流量級時,在航跡線內(nèi)各方案口門區(qū)各斷面最大縱向、橫向、回流流速如表2所示。

表2 各流量級各方案下流速對比 m/sFig.3 Comparison of flow velocities in different flow stages and schemes

縱觀以上數(shù)據(jù)知,疏挖方案一、二對改善口門區(qū)通航水流條件具有積極作用,在小流量條件下,即350 m3/s、1 570.4 m3/s時,能降低橫向流速,在大流量條件下能使主流遠離口門區(qū),降低縱向流速,但并不能達到通航要求;疏挖方案三、四對改善口門區(qū)通航水流條件具有積極作用,在小流量條件下,即350、1 570.4 m3/s 時,能降低橫向流速,在大流量條件下能使主流遠離口門區(qū),降低縱向流速,能達到通航要求。

2.5.2 最小通航水深及航寬

由以上分析可知疏挖方案一、二水流流速未達到要求,因此不考慮其最小通航水深問題。當下泄流量為350 m3/s(下游水位64.6 m)時,疏挖方案三:在原疏挖范圍外下游200~400 m段航道水深小于2.4 m,需對該部分進行疏挖方能通航,如圖4(a)所示;疏挖方案四:下游引航道口門區(qū)及疏挖航道內(nèi)的水深及航寬均滿足要求,如圖4(b)所示。

3 結(jié) 論

本文建立了某徑流式電站工程河段平面二維水動力數(shù)學模型,對比論證原設(shè)計方案及各疏挖方案情況下通航水流條件,提出推薦的工程措施。主要成果如下:

(1)下游口門區(qū)左、右地形高程差是造成橫向流速過大的主要原因。

(2)由于疏挖改變河道的地形條件,降低了下游引航道及口門區(qū)左側(cè)部分河床高程,自泄水閘下泄的水流能相對平順向下游流動,而不是在口門區(qū)流向右側(cè)形成斜流。

(3)疏挖方案四,與疏挖方案三疏挖范圍基本一致,但為解決最小通航流量下水深問題,對水深不足區(qū)域進行了疏挖,最終計算結(jié)果表明,疏挖方案四能有效的改善下游口門區(qū)通航條件的方案。

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