程 艷，吳禮國，徐 紅，李 維

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

樞紐在運行過程中，閘壩的調(diào)度運行方式是根據(jù)上游來流量及電站發(fā)電需求進行調(diào)節(jié)，一般運行方式為小流量時調(diào)度閘壩控制下泄流量，船閘通航，流量增大至分界流量后閘壩敞泄，船舶停航。閘壩的調(diào)度運行方式不同，樞紐上下游的水流條件會有所不同，而船閘引航道口門區(qū)水流特性是影響船舶航行安全和通航效率的重要因素[1]。

船閘通航主要集中在小流量情況下，此時樞紐通過開啟不同閘孔數(shù)及閘孔高度，控制下泄流量，維持壩前正常蓄水位，使電站正常發(fā)電。而泄水閘有多種開啟方式，包括集中、分散、均勻、區(qū)段、局部(均勻)或分段間隔等[2]。泄水閘不同的開啟方式，使河道水能量再分配，改變水流流速和流向，造成回流范圍和強度的差異，影響船閘引航道及口門區(qū)的水流和航行條件，尤其是下引航道。本文以數(shù)學(xué)模型為依托，研究風(fēng)洞子航運樞紐工程泄水閘調(diào)度運行方式對船閘下引航道口門區(qū)的通航條件影響。

1 模型建立與驗證

1.1 模型基本原理

河道水流一般可視為不可壓縮牛頓流體，其水流運動規(guī)律可用Navier-Stokes方程組描述，對該方程進行時均化得到其Reynolds形式，包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[3]。從Reynolds方程出發(fā)，考慮到工程所在河段水平尺度遠大于垂直尺度，水力參數(shù)在垂直方向的變化明顯小于水平方向的變化，可忽略垂向加速度，設(shè)定壓強服從靜水分布；不計垂直方向的流動時間和空間的微分，將方程沿水深積分，得到平面二維的河道水流運動控制方程[4]。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

(3)

式中：Zw為水面高度；Zb為床面高度；t為時間；H為水深；q1、q2為x、y方向的單寬流量；qm為單位面積的旁側(cè)入流流量(為正)或出流流量(為負)，式(1)假定水流密度在整個模擬區(qū)域內(nèi)保持不變[5]；β為各向同性的動量修正系數(shù)；ρ為水流密度；pa為水面大氣壓力；Ω為科里奧利力參數(shù)；τbx、τby分別為x、y方向的河床剪切應(yīng)力；τsx、τsy分別為x、y方向的表面風(fēng)剪切應(yīng)力；τxx、τxy、τyx、τyy為由紊流引起的剪切應(yīng)力。

1.2 模型建立與驗證

本文選用風(fēng)洞子航運樞紐工程壩軸線以下1.8 km范圍內(nèi)的實測地形，采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散，既可以較好地描述河道邊界和河道中建筑物邊界，又能達到較高精度，網(wǎng)格最大長度約20 m，模型中對船閘引航道、電站、閘壩區(qū)等部位進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最小長度約2 m。研究區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 研究區(qū)網(wǎng)格劃分

為保證模型參數(shù)選取的合理性，在模型建立后對其進行驗證，驗證資料為實測流量1 150 m3/s時沿程瞬時水位，驗證結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，模型水位與原型最大水位偏差為0.06 m，差值較小，建立的模型可做進一步研究。

圖2 模型與原型沿程水位

2 方案擬定

2.1 風(fēng)洞子航運工程常規(guī)調(diào)度方式

渠江風(fēng)洞子航運樞紐工程泄洪沖沙閘布置于主河槽，為開敞式寬頂平底閘。共布置20孔泄水沖沙閘，從左岸至右岸為1#～20#，單孔凈寬15 m，堰頂高程230.0 m，閘頂高程260.6 m。本樞紐為徑流式日調(diào)節(jié)運行，樞紐運行調(diào)度方案主要考慮電站本身的日調(diào)節(jié)作用和樞紐沖排泥沙的要求。樞紐擬定的調(diào)度運行方式為：當(dāng)入庫流量小于發(fā)電引用流量843 m3/s時，水庫水位在242.6 m(死水位)～243.0 m(正常蓄水位)之間消落發(fā)電；當(dāng)入庫流量大于843 m3/s且小于6 500 m3/s時，電站引用流量以外多余流量通過沖沙閘下泄，水庫水位維持正常蓄水位243.0 m發(fā)電；當(dāng)入庫流量大于6 500 m3/s時，水庫閘門逐步開啟泄洪沖沙，電站停機，樞紐平面布置見圖3。

2.2 研究方案

圖3 風(fēng)洞子航運樞紐工程平面布置(單位：m)

根據(jù)樞紐調(diào)度運行方式，選取流量小于6 500 m3/s、泄水閘控泄時的4級流量進行研究，此時電站滿發(fā)，電站下泄流量843 m3/s。為全面分析泄水閘開啟方式對船閘下游引航道口門區(qū)及連接段水流條件的影響，從閘壩開啟位置和閘壩開啟孔數(shù)兩方面進行研究，各方案及邊界條件見表1。

表1 風(fēng)洞子航運樞紐工程閘壩調(diào)度方案

3 結(jié)果與分析

在船閘下引航道口門區(qū)及連接段布置17個斷面，共148個測點(圖4)，用以觀測各工況條件下測點范圍內(nèi)的最大縱向、最大橫向及回流流速，探討泄水閘不同開啟方式對下引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件影響。根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》[6]規(guī)定，Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)的最大流速限值為：平行于航線的縱向流速vy≤2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速vx≤0.30 m/s，回流流速v0≤0.4 m/s。

3.1 閘門開啟位置對船閘下游水流條件的影響

圖4 研究區(qū)測點布置

流量3 000 m3/s、閘門開啟不同位置時下游河道的流速流態(tài)分布見圖5?？梢钥闯?，閘門集中開啟位置不同，下引航道口門區(qū)及連接段的流速流態(tài)有所不同。當(dāng)集中開啟左岸1#～4#閘門時，下游流場如圖5a)所示，下泄水流集中在左岸，水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下，右側(cè)有大范圍的回流。水流在導(dǎo)航堤頭開始向右偏轉(zhuǎn)，口門區(qū)及連接段大部分處于回流區(qū)，流速較小，河道斷面流速分布不均勻，主流偏右岸。當(dāng)集中開啟中間9#～12#閘門時，下游流場如圖5b)所示，下泄水流集中在中部，兩側(cè)各形成一個小范圍的回流區(qū)，口門區(qū)有小范圍的回流，流速較小。當(dāng)集中開啟右岸17#～20#閘門時，下游流場如圖5c)所示，開啟閘孔遠離電站，下泄水流集中在右岸，在河道中間形成一個小范圍的回流，兩股水流在導(dǎo)航堤處匯合后順流而下，主流仍在右岸，口門區(qū)及連接段大部分處于回流區(qū)，流速較小。

圖5 Q=3 000 m3/s時風(fēng)洞子航運樞紐下游流速流態(tài)分布

開啟不同位置閘門時船閘下引航道口門區(qū)及連接段測點流速對比見圖6。各級流量下集中開啟左岸閘孔的最大流速與開啟中間閘孔相差不大，開啟右岸閘孔的較小，最大流速值都沒有超過規(guī)范限值，見圖6a)；集中開啟左岸閘孔的橫向最大流速小于集中開啟右岸閘孔，開啟中間閘孔的最大，其中當(dāng)流量等于6 000 m3/s，開啟中間和右岸8孔閘門時，橫向最大流速超過規(guī)范規(guī)定的限值，最大值為0.328 m/s，見圖6b)；各級流量下的回流流速相差不大，開啟左岸和中間閘孔時基本一致，開啟右岸時稍大，但都在規(guī)范限值以內(nèi)，見圖6c)。

圖6 不同閘門開啟位置測點流速對比

綜合分析，當(dāng)流量小于6 500 m3/s，風(fēng)洞子閘壩集中開啟左岸閘門時，橫向流速整體較小，沒有超過規(guī)范限值，下引航道口門區(qū)及連接段的流速流態(tài)更有利于船舶安全航行。

3.2 閘門開啟數(shù)量對船閘下游水流條件的影響

流量4 500 m3/s、左岸閘門開啟不同數(shù)量時下游河道的流速流態(tài)分布見圖7?？梢钥闯?，下游流速流態(tài)基本都滿足船舶安全航行的要求。但閘門開啟數(shù)量不同，下游河道及口門區(qū)的回流范圍有所不同，流速流態(tài)也有所差別。下泄水流集中在左岸，水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下。泄水閘下游右側(cè)河槽是回流區(qū)，主流在導(dǎo)流墩處穿入航道，從船閘口門區(qū)以下逐漸向右過渡，口門區(qū)及連接段的航道左側(cè)處于回流區(qū)，連接段最大回流流速為0.293 m/s。

圖7 Q=4 500 m3/s風(fēng)洞子航運樞紐下游流速流態(tài)分布

開啟左岸不同數(shù)量閘門時船閘下引航道口門區(qū)及連接段測點流速對比見圖8?？梢钥闯?，各級流量下開啟閘門數(shù)量越多，測點范圍內(nèi)的最大流速和橫向最大流速越大，回流流速越小。當(dāng)流量為6 000 m3/s，開啟8孔閘門時最大流速為1.329 m/s，橫向最大流速為0.298 m/s，接近規(guī)范限值；開啟9孔閘門時最大流速為1.391 m/s，橫向最大流速為0.316 m/s，超過規(guī)范限值要求。造成這種現(xiàn)象的主要原因為水流出閘孔后與電站尾水匯合順流而下，開啟閘門越多泄水閘單寬流量越小，閘孔下游水位越平穩(wěn)，與電站出水水流的相互抵沖作用越弱，此時電站出流對船閘引航道口門區(qū)及引航道的水流條件影響越明顯，從而造成開啟閘門越多，測點范圍內(nèi)水流流速和橫向流速較大。

圖8 不同閘門開啟數(shù)量測點流速對比

綜合分析，當(dāng)流量小于6 500 m3/s，風(fēng)洞子閘壩在滿足閘孔過流條件時，開啟閘門孔數(shù)越少，下游引航道口門區(qū)及連接段的最大流速和橫向流速越小，沒有超過規(guī)范限值，水流條件更有利于船舶安全航行。

4 結(jié)論

1)風(fēng)洞子航運樞紐工程閘門調(diào)度運行方式不同，下游引航道口門區(qū)及連接段的水流條件不同。相同流量級下，集中開啟左側(cè)閘門時，下游引航道口門區(qū)及連接段的水流條件最優(yōu)。相比于集中開啟中間閘孔和右側(cè)閘孔，橫向流速更小，更有利于船舶安全航行。

2)相同流量級下，在滿足閘孔過流條件時，開啟左側(cè)閘門孔數(shù)目越少，下游引航道口門區(qū)及連接段的最大流速和橫向流速越小，水流條件更有利于船舶安全航行。

3)在樞紐設(shè)計過程中，可通過建立數(shù)學(xué)模型，不斷試驗閘孔調(diào)度方式對下游引航道口門區(qū)及連接的水流條件影響，為初步擬定閘壩調(diào)度運行方式、保證船舶順利安全通航提供依據(jù)。