楊忠超，耿 磊

(重慶交通大學(xué)內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引 言

我國許多水電站在施工期和運(yùn)行后尾水河床均存在程度不同的堆渣問題。堆渣使尾水位抬高，影響建筑物的泄流能力，進(jìn)而對建筑物的安全構(gòu)成威脅并加大了河流沿岸不安全因素，同時(shí)由于達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成了電量損失，最后通過采取尾水渠清挖清渣措施，提高了發(fā)電效益。例如，劉家峽水電站[1]通過尾水渠清挖清渣，清除堆渣約6萬m3，尾水位降低2 m左右，每年增發(fā)電量在1億kW·h以上；丹江口水電站尾水渠完成清挖清渣工程量12.9萬m3，尾水位下降18 cm，年均增發(fā)電量1 121萬kW·h，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]；水布埡水電站先后進(jìn)行了2次尾水河道清渣清挖工程，第1次尾水河道清渣清挖工程量為27.2萬m3，尾水位降低0.6～1.9 m，年均發(fā)電量增加0.27億kW·h，第2次尾水河道清渣清挖方量為5.0萬m3，尾水位降低0.3～1.1 m，年均發(fā)電量可增0.15億kW·h[3]。

近年來數(shù)值模擬技術(shù)不斷完善，已成為庫尾河道清淤重要的研究手段。林勁松等[4]應(yīng)用一維河床沖淤變形計(jì)算模型，通過尾水河道不同疏挖方案比較，研究龍羊峽水庫回水影響下的羊曲水電站尾水疏挖效果。趙忠文[5]采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方法，研究了太平灣電廠尾水河道清淤效果。因此，通過數(shù)值模擬研究草街水電站尾水渠段擴(kuò)挖清淤工程是有效可行的。

1 工程概況

草街水電站位于重慶市合川區(qū)草街鎮(zhèn)附近的嘉陵江上，距嘉陵江河口68 km。樞紐按三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)船閘一座，可通過2×1 000噸級(jí)船隊(duì)。草街水電站自建成以來，由于上、下游開發(fā)，對清挖的廢土廢渣處理不當(dāng)，巖石、雜物等沖到下游造成河床淤塞，使目前運(yùn)行尾水位較設(shè)計(jì)尾水位(175.5 m)偏高，流道水頭損失增大，導(dǎo)致水輪機(jī)工作水頭降低，機(jī)組長期不能在高效率區(qū)工作或洪水期不能在額定出力運(yùn)行。此外，在電站建設(shè)施工期間，尾水渠擴(kuò)挖段亂石清淤不徹底，在機(jī)組下泄流量影響下，水流相當(dāng)紊亂。草街水電站尾水渠擴(kuò)挖段露出水面部分的孤石共有19個(gè)(高于175.5 m)，在亂石突出區(qū)域，形成跌水等現(xiàn)象(見圖1)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的工作水頭，降低了機(jī)組的發(fā)電量。因此，對草街水電站尾水渠進(jìn)行擴(kuò)挖清渣，既能改善尾水渠流態(tài)，保證下泄暢通，又能降低尾水位，提高發(fā)電水頭，增加發(fā)電出力，改善水電站經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 草街水電站尾水渠現(xiàn)場圖片

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 研究河段網(wǎng)格剖分

采用淺水方程建立二維水流數(shù)學(xué)模型，選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)樯掀痣娬鞠掠挝菜當(dāng)嗝?，下至溫塘峽口，全長約6 km。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格共劃分44 224個(gè)單元、20 303個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2；對局部區(qū)域網(wǎng)格加密，見圖3。

圖2 工程計(jì)算網(wǎng)格剖分

圖3 計(jì)算網(wǎng)格局部

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 水位驗(yàn)證

取水流量Q=627 m3/s，計(jì)算尾水位結(jié)果見表1。由表1可知，測點(diǎn)計(jì)算水位值與實(shí)測水位(嘉陵江2018年3月9日)比較吻合，說明數(shù)學(xué)模型水流阻力與原型比較相似，數(shù)學(xué)模型參數(shù)選擇基本合理。

表1 水位驗(yàn)證 m

2.2.2 流速流向驗(yàn)證

圖4為典型斷面的流速驗(yàn)證，可見計(jì)算流速與實(shí)測流速誤差在0～0.1 m/s。圖5表明計(jì)算流向與實(shí)測浮標(biāo)流向基本一致。因此水流數(shù)模計(jì)算的流速分布及其大小與實(shí)際水流基本吻合。

圖4 流速驗(yàn)證

圖5 流向驗(yàn)證

3 尾水渠清挖方案優(yōu)化研究

3.1 數(shù)模計(jì)算工況

本次數(shù)值模擬計(jì)算考慮了7級(jí)流量，如表2所示。數(shù)值模擬計(jì)算尾門水位根據(jù)草街水電站2018年調(diào)度日報(bào)表給出的逐日平均流量及實(shí)測水位關(guān)系推求，如圖6所示。

圖6 草街樞紐壩下實(shí)測水位流量關(guān)系

表2 計(jì)算工況

3.2 測點(diǎn)布置

圖7為統(tǒng)計(jì)分析電站尾水渠內(nèi)水位沿程變化，

圖7 測點(diǎn)布置示意

在電站尾水渠及以下布置水位測點(diǎn)共3×30個(gè)，垂線間距34.5 m，測點(diǎn)間距40.3 m。

3.3 清挖設(shè)計(jì)方案成果分析

3.3.1 清挖設(shè)計(jì)方案

根據(jù)草街壩下尾水渠實(shí)測地形，清挖設(shè)計(jì)方案如圖8所示，對尾水渠進(jìn)行大范圍清挖，開挖起點(diǎn)樁號(hào)為壩0+215.00，保留現(xiàn)狀鋼筋混凝土底板，樁號(hào)壩0+215.00～壩0+661.51為水平段開挖，長446.51 m，設(shè)計(jì)河底高程為175.50 m。壩0+661.51～壩0+683.51為斜坡段，長22 m，從175.50 m高程開挖至173.30 m高程，斜坡坡比為1∶10。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床。總清挖方量60 000 m3。

圖8 清挖設(shè)計(jì)方案

3.3.2 清挖設(shè)計(jì)方案對電站下游水位的影響分析

圖9為清挖設(shè)計(jì)方案清淤后尾水池沿程水位變化。表3統(tǒng)計(jì)了實(shí)施后各級(jí)流量尾水位(第1個(gè)測點(diǎn))水位降幅。

圖9 尾水渠水位沿程分布

表3 各清挖方案下游尾水位下降值

由圖9和表3可知：

(1)尾水渠清挖后，草街水電站尾水位均會(huì)出現(xiàn)不同幅度的降落。

(2)下泄流量越小，尾水渠清挖后電站尾水位降幅越大，出庫流量350～2 400 m3/s時(shí)，尾水位降低約16～27 cm。當(dāng)出庫流量高于6 000 m3/s，尾水渠清挖導(dǎo)致尾水位的降低不明顯，小于3 cm。其原因是流量越小，尾水池水位越低，方案實(shí)施后改變的過水面積越大，跌水越明顯。

(3)當(dāng)出庫流量小于1800 m3/s時(shí)，壩下300 m范圍內(nèi)水位明顯下降；300 m后水位變幅不大。當(dāng)出庫流量介于1 800～13 000 m3/s時(shí)，水位降低范圍限于壩下100 m內(nèi)。

3.4 清挖優(yōu)化方案成果分析

3.4.1 清挖優(yōu)化方案

鑒于清挖設(shè)計(jì)方案尾水池水位變化范圍在壩下300 m范圍內(nèi)。因此為了節(jié)省工程量，提出了2種優(yōu)化方案。分別是：①優(yōu)化方案1。尾水渠及下游河道樁號(hào)0+170.42～0+604.82清淤邊界線內(nèi)超出175.50 m高程部分。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床?？偳逋诜搅考s40 000 m3。②優(yōu)化方案2。尾水渠及下游河道樁號(hào)0+170.42～0+523.78清淤邊界線內(nèi)超出175.50 m高程部分。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床。總清挖方量約30 800 m3。

3.4.2 清挖優(yōu)化方案對電站下游水位的影響分析

從圖9和表3給出的兩個(gè)優(yōu)化方案水位沿程分布和水位降幅統(tǒng)計(jì)可知，優(yōu)化方案水位沿程變化與設(shè)計(jì)方案變化規(guī)律一致，水位降幅基本相當(dāng)，表明優(yōu)化方案縮小開挖范圍，降低工程量，可達(dá)到與設(shè)計(jì)方案一樣的降低尾水位的效果。同時(shí)，2種優(yōu)化方案的水位降幅基本相當(dāng)。

3.4.3 尾水渠清挖對電站下游流速分布的影響分析

圖10為尾水渠清挖前后的流場，圖11為方案實(shí)施前后沿程流速分布。

圖10 計(jì)算流場(Q=1 800 m3/s)

圖11 尾水渠沿程流速分布

比較清挖實(shí)施前后尾水渠流場和流速分布，由圖10和圖11可知：

(1)清挖前，由于電站下游于尾水渠內(nèi)亂石、孤石、堆積物分布較多，河床沿程高低起伏，導(dǎo)致沿程流速分布比較紊亂，尾水渠清挖后，河床表面比較平整，沿程流速變得更加平順，流態(tài)更加平穩(wěn)。

(2)當(dāng)流量小于1 200 m3/s時(shí)，由于尾水渠優(yōu)化方案后部沒有開挖，存在阻水和壅水作用，因此在樁號(hào)K+700前流速減??；設(shè)計(jì)方案全部清挖，流速分布更加平緩。當(dāng)流量大于1 800 m3/s時(shí)，3個(gè)方案的流速分布均較清挖前變得平緩。

(3)比較優(yōu)化方案的流場圖和測點(diǎn)流速分布，優(yōu)化方案1由于較優(yōu)化方案2開挖范圍更大，流速分布更為均勻、平順。

4 結(jié) 語

草街水電站建設(shè)施工期間，尾水渠擴(kuò)挖段亂石清淤不徹底，河床淤塞，運(yùn)行尾水位偏高，且在亂石突出區(qū)域，形成跌水、亂流等現(xiàn)象，導(dǎo)致水輪機(jī)工作水頭降低，影響機(jī)組的發(fā)電量。本文基于淺水方程建立了草街水電站下游河段二維水流模型，流速和水位驗(yàn)證表明計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好，可用于清挖方案效果比選。數(shù)值模擬計(jì)算表明，清挖工程實(shí)施后可有效降低尾水位，尾水渠水流更加平順，增加發(fā)電效益。清挖后尾水渠水位變化限于壩下300 m范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化降低尾水位的效果基本相當(dāng)。綜合考慮清挖工程量和尾水渠內(nèi)流速分布，推薦優(yōu)化方案1。