水口水電站壩下水位治理工程上引航道水流條件研究

王慶龍，陳野鷹，扈曉雯，彭 凱

(1.重慶交通大學河海學院，重慶400074;2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州310014)

0 引言

水口水電站建成后，由于清水下泄和無序采沙，致使壩下河床下切，河道水位逐年下降，當電站下泄基荷流量(Q=308 m3/s)時，壩下水位僅為3.2 m，比設計值7.64 m低4.44 m，水位降低造成水口水電站通航建筑物下游門檻水深不足，通航條件惡劣，也嚴重影響機組的正常運行［1-3］。水口水電站壩下水位治理工程便是為解決水口水電站樞紐通航建筑物下游門檻水深及電站尾水吸出高度不足而設置的無閘壅水堰［4］。工程實施后可抬高枯水期水口電站至壩下水位治理工程河段的水位，滿足通航水深及電站尾水吸出高度要求［5］。

然而壅水堰是無閘溢流壩，壩高較低，當水口樞紐下泄流量小時壩前能呈現水庫水流特征，隨來流量的增加，其水庫特征逐漸消失，溢流壩蛻變成潛壩，水流條件近似天然河道，造成該樞紐的通航水流條件難以滿足通航要求。為解決上述問題，筆者結合水口水電站壩下水位治理工程水工模型試驗，對上引航道的布置及水流條件進行了研究分析，提出水位治理工程優化布置方案和改善通航水流條件的技術方法，并通過模型試驗驗證了優化布置的合理性與技術方法的正確性。

1 工程概況

閩江水口樞紐壩下水位治理工程位于其壩下游約9.1 km處，工程的主要任務是滿足通航要求。該工程樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、通航建筑物及護坡建筑物等組成。泄洪消能建筑物布置在主河床;通航建筑物為雙線船閘，布置在右岸;泄洪消能建筑物與左岸岸坡連接采用護坡建筑物相連接。樞紐建筑物全長約512 m，其中溢流壩段長約332 m，采用無閘門控制的自由溢流式，剖面型式為WES堰，堰頂高程6.97 m;船閘段長86 m，為整體塢式結構，閘首頂高程為27.0 m;擋水壩段長55.5 m，壩頂高程為 27.0 m。

原設計方案的上游外導航墻左側長180 m，右側(岸側)長120 m;導航墻至靠船墩170 m間距上無隔流墻;左側布置10個獨立靠船墩，右側布置15個獨立靠船墩，靠船墩尺寸為8 m×10 m，中心間距為 23 m(圖 1)［6］。

圖1 原設計方案布置Fig.1 Layout of original design

2 模型概況

根據工程的規模與試驗的特點，確定模型比尺采用λL=100的正態模型，模型設計按重力相似準則設計。模型各項比尺要素為:流速比尺λν=10，流量比尺λQ=100 000，時間比尺λt=10，河床糙率比尺λn=10。通過驗證試驗對河道糙率進行適當調整，使得模型達到了阻力相似的要求。

3 原方案上引航道通航水流條件

試驗觀測了1 530～16 900 m3/s共6級流量下的上引航道的水流流速及流態情況，在小流量時水流條件較好，基本滿足安全通航的要求，但隨流量增大，水流條件變差，船舶通航安全難以保證。

當流量較小時(Q=1 530 m3/s)，壩前水位與工程未實施相比壅高較多，上引航道內及口門區水流平穩、流速小，通航及停泊水流條件均較好。但由于靠船墩和調順段均無隔流建筑物，隨著上游來流量增大，越來越多的水流由引航道內從停泊段和調順段流入河道，在引航道內出現了較強的斜向流。在Q=2 550 m3/s時，調順段水流條件指標已超出規范要求，隨流量的增大其水流條件進一步變差。另外，航道內有一部分水流透過靠船墩之間的空隙流出航道，流量較大時，在停泊段局部區域出現明顯漩渦水流，其范圍隨流量增大而增大，特別是左側停泊段，停泊條件很差。當水口下泄流量Q≥7 000 m3/s時流速指標也超出了規范要求。

由試驗結果看出，原布置方案中存在的主要問題是調順段及停泊段的通航水流條件差。由于沒有隔流墻的阻擋，進入航道的水流直接從調順段斜向流出，在調順段產生了較大的縱橫流和回流，造成調順段通航水流條件惡劣，即使在較小流量下，其最大縱橫向流速依然超出規范要求。另外相當一部分水流從靠船墩的間隙中流出，在停泊段產生了較大的橫流，又由于靠船墩的擾流作用，使得左側靠船墩附近區域在稍大流量時，水流流態紊亂、停泊條件差。

4 優化方案Ⅰ上引航道試驗研究

4.1 優化方案Ⅰ上引航道布置

原設計方案中上引航道通航的主要限制條件是調順段水流條件和停泊段的停泊條件，為此優化方案Ⅰ在調順段增設隔流墻、在停泊段的靠船墩上懸掛隔流板，消除河道水流對引航道內通航的影響。為了減小引航道口門區橫向流速，靠船墩間的隔流板底端距河底保留一定距離，形成透水孔洞，根據理論分析計算，布設了9個透水孔，為使引航道內水流平穩漸進變化，沿水流方向透水孔高度逐漸降低(圖2)。

圖2 優化方案Ⅰ上引航道布置Fig.2 Layout of upper approach channel in optimization schemeⅠ

4.2 優化方案Ⅰ的上引航道通航水流條件

對通航建筑實施優化后，河道的水流波動與流速大小不再影響引航道內的通航水流條件;隔流板底部設置透水孔后，既能減少通航建筑物對水流的頂托、降低口門區橫向流速［7］，同時流入引航道內的水流由隔流板底部的透水孔流向河道，又能減少水流對表面流態的不利影響，可有效的改善引航道內的停泊條件。

通過模型試驗看出，對引航道建筑物設計實施優化后，上引航道內及口門區的流速、流態在相同流量下較原方案有了明顯改善。在流量較小時，上引航道內及口門區水流平穩，調順段基本為靜水。隨著流量的增大，調順段并未受較大影響，仍保持了較好的通航水流條件。各級典型流量下，調順段水流條件均滿足通航要求。停泊段獨立靠船墩之間采取增加隔流板的工程措施后，航道內的水流透過靠船墩間的底孔流入河道，相比原方案，通過停泊段流出引航道的水流大幅降低，引航道內的縱橫流速也隨之減小。同時大大消除了靠船墩附近的不良流態，改善引航道的停泊條件，有效地提升通航建筑物的最大通航流量。

表1 優化方案Ⅰ與原方案的水流流速對比Table 1 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand the original program /(m·s－1)

由表1可以看出，優化方案Ⅰ調順段水流條件能滿足通航要求，引航道內的停泊段停泊條件亦得到改善，但水口電站下泄流量Q ＞10 000 m3/s后，僅內側(岸側)引航道的停泊條件滿足要求，而且口門區水流條件也較差。若要保證通航建筑物在最大通航流量Q=16 900 m3/s時滿足安全通航要求，需采取進一步的工程優化措施來改善停泊段及口門區的水流條件。

5 優化方案Ⅱ上引航道試驗研究

5.1 優化方案Ⅱ上游引航道布置

為改善引航道內的水流條件，優化方案Ⅱ將隔流掛板從靠船墩前端向上游延長215 m、透水孔設置位置亦上移同樣的距離，透水孔的大小與變化規律同優化方案Ⅰ，為降低大流量下口門區橫向流速的大小，延長段隔流掛板的頂高程降低3 m，由17.00 m降至14.00 m，船閘上引航道其余布置同優化方案Ⅰ(圖3)。

5.2 優化方案Ⅱ上游引航道水流條件

模型試驗顯示，引航道隔流掛板向上游延伸后，引航道內的靜水范圍亦向上游推移約200 m，引航道內水流流態更加平穩，在來流量Q≤16 900 m3/s時，引航道內的全部靠船泊位的水流條件均滿足規范要求。由于隔流建筑物延伸段高程由17.00 m降低至14.00 m，當來流量Q ＞ 10 000 m3/s后，部分來流量開始由隔流建筑物頂部溢出流入河道，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態。同時進入引航道內的水流全部由延伸段隔流掛板的底部透水孔和板頂缺口溢出，停泊段內除受上游段水流運動慣性影響存在回流外，水面基本靜止，水流條件滿足正常停泊要求，具體數據見表2。

圖3 優化方案Ⅱ上引航道布置Fig.3 Layout of upper approach channel in optimization schemeⅡ

表2 優化方案Ⅱ與優化方案Ⅰ的流速對比Table 2 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand Ⅱ /(m·s－1)

6 結論

1)無閘溢流壩上游引航道水流條件較差，來流量對安全通航影響明顯，若采用獨立靠船墩結構，停泊條件難于滿足規范要求;同時，在調順段外側(河道側)需要設置隔流建筑物將引航道與河流隔開，否則調順段的水流紊亂、流態差、縱橫流速大，當上游來流量Q＞7 000 m3/s后其水流條件不符合安全通航要求。

2)通過調順段增設隔流墻和靠船墩上掛隔流板，可使引航道調順段與河道主流之間隔開，減少水流進入引航道，降低其縱橫流速，改善停泊條件，有利于船舶安全停泊。設置于隔流掛板底部的透水孔，能夠弱化通航建筑物對來流的阻礙作用，減小口門區橫流流速，增強船舶進出閘的安全性，優化方案Ⅰ實施后可抬高最大通航流量至Q=10 000 m3/s。筆者在靠船墩上掛隔流板的方法，不僅能有效地改善引航道的通航條件，而且造價低廉，施工簡單高效，在同類工程具有廣泛的應用前景。

3)延長上游引航道隔流板(墻)是改善無閘溢流壩上游引航道停泊水流條件的有效方法，通過延長隔流板，可使停泊段遠離口門區，受來流慣性作用的水流也很難到達此處，明顯地改善了停泊水流條件。降低口門區段隔流板高度的方法，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態，通過優化原設計方案后，壩下水位治理工程上游引航道的安全通航流量可提高至Q=16 900 m3/s，滿足了該河段的通航要求。

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