湘江土谷塘航电枢纽车江坝址通航水流条件分析

刘 臣，闫建英，李君涛，普晓刚

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

湘江土谷塘航电枢纽车江坝址通航水流条件分析

刘 臣，闫建英，李君涛，普晓刚

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

采用delft 3d技术，建立了湘江土谷塘车江坝址河段二维正交曲线水流数学模型。计算中，首先采用天然实测资料对模型进行率定，通过有关参数调整，使数值计算成果与天然实测资料达到精度要求。利用率定好的模型，模拟了湘江土谷塘航电枢纽车江坝址河段9种典型泄流方式的水流情况，分析了各泄流方式的河道流速分布特征，给出了引航道口门区和引航道内部纵向流速和横流分布及大小等通航相关参数，结合《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）要求，对枢纽通航水流条件进行了评定。

航电枢纽；电站；船闸；引航道；口门区

Biography：LIU Chen（1964-），male，professor.

湘江土谷塘航电枢纽工程位于湘江中游，是以航运为主，兼有发电、交通、灌溉、供水与养殖等综合利用的工程。湘江土谷塘航电枢纽上有近尾洲枢纽、下有大源渡航电枢纽。土谷塘航电枢纽工可阶段拟定了上、中、下3个坝址，其中上、中坝址相距约9 km,分别位于近180°的急弯的上、下游。车江坝址位于中坝址下游6.2 km。坝轴线上游顺直段长4 km，坝轴线下游800 m为90°弯道，坝址处河宽约520 m，河道底高程在44.0～46.0 m，河道两侧防洪大堤堤顶高程约62.0 m。本文采用数学模型，对车江设计方案进行通航水流条件分析。

图1 土谷塘航电枢纽坝址河段河势Fig.1 Sketch of Tugutang Junction reach

1 规划设计方案

土谷塘航电枢纽车江坝址平面设计方案建筑物布置从左至右依次为4台机组电站、1孔排污闸、17孔泄水闸和一座III（2）级单线单级船闸。船闸最小通航流量443 m3/s，电站全负荷发电流量1 772 m3/s，最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s，枢纽设计洪水（50 a一遇）17 300 m3/s，校核洪水（500 a一遇）22 100 m3/s，设计正常蓄水位58.0 m，最低运行水位55.2 m。

2 数学模型的建立与验证

研究采用正交曲线二维水流数学模型［1-5］，模型进口布于2006年水文测量的Q4测流断面，河道全长11.1 km，其中枢纽上游8.1 km，枢纽下游3.0 km，涵盖车江坝址和中坝址。模型水平为曲线（ξ，η）网格，H为水位，水流运动方程如下：

水流平面动量方程

式中：u和v分别为ξ和η方向水深平均流速分量；f为柯氏力；Fξ和Fη分别为ξ和η方向的应力梯度；Pξ和Pη分别为ξ和η方向的压力梯度；Mξ和Mη分别为源（汇）在ξ和η方向的动量分量；Q为源（汇）项；Cξ和Cη分别为坐标转换系数。

模型率定与验证采用2006年实测沿程水位及断面流速资料，进口给流量，出口由与流量对应的实测水位进行控制。模型率定后，水位最大偏差0.024 m，大部分偏差小于0.01 m；断面流速分布趋势与大小计算成果基本反映了实测资料规律（图2）。模型可用于模拟工程与水流的相互作用。

图2 Q5断面模型与原型流速分布验证Fig.2 Velocity verification along section Q5

3 设计方案通航水流特征分析

综合枢纽建成后调度情况，对枢纽建成后控制水位、流量和调度方式，概化了9种泄流方式进行通航水流条件研究［6］。

表1 枢纽规划方案枢纽泄流典型组合方式Tab.1 Typical discharge ways of the junction layout plan

3.1 枢纽单纯发电泄流

电站单机组发电泄流量为443 m3/s，电站4机组（全负荷）发电泄流量为1 772 m3/s。

3.1.1 枢纽上游

枢纽上游水流平顺，只有到枢纽附近，由于电站发电引流，水流向电站流动。（1）泄流443 m3/s时，河道流速基本在0.2 m/s；（2）泄流1 772 m3/s时，只有电站进水口小范围内有大于0.5 m/s流速；引航道口门区最大流速0.34 m/s，最大横流0.07 m/s，水流流向基本平行于航道走向；引航道内流速小于0.1 m/s，基本为静水。

3.1.2 枢纽下游

水流流出电站后立即扩散，在电站右侧、泄水闸下游和下引航道导堤围成的三角形水域形成大的回流区，回流区开边界为电站出水口与引航道导堤头部的连线，大流速基本位于电站尾水段。（1）航道口门区，泄流443 m3/s时，水流平顺，基本沿布置航道走向流动，流速值小于0.3 m/s；泄流1 772 m3/s、下游水位不受大源渡调度影响时，流速小于0.8 m/s，最大横流小于0.3 m/s，下游受大源渡50.1 m蓄水位控制时，合成流速小于0.5 m/s，最大横流小于0.2 m/s；（2）引航道口门内部流速小于0.1 m/s，基本为静水。

图3 泄流方式三枢纽近区流场Fig.3 Flow field of 3rd discharge way

3.2 泄水闸和电站联合调度泄流

枢纽电站发电运行的最大流量为6 300 m3/s，流量大于6 300 m3/s后，电站停止发电。

3.2.1 枢纽上游枢纽上游水流平顺，水流横向分布仅近坝区随泄流方式的不同而变化，对引航道区流速分布影响很小。（1）枢纽蓄水、4台机组发电与1～10#泄水闸联合泄流。引航道口门区最大流速小于1.19 m/s，最大横流出现在导堤头部上游25 m口门区左侧，为0.40 m/s，其余区域横流小于0.30 m/s。

（2）枢纽蓄水、4台机组发电与8～17#泄水闸联合泄流，最大合成流速小于1.20 m/s，最大横流出现在导堤头部上游25 m口门区左侧，为0.40 m/s,其余横流小于0.30 m/s。

两种泄流方式，引航道内流速均小于0.1 m/s，基本为静水。

图4 泄流方式四枢纽近区流场Fig.4 Flow field of 4th discharge way

图5 泄流方式五枢纽近区流场Fig.5 Flow field of 5th discharge way

3.2.2 枢纽下游

枢纽下游水流平顺，引航道导堤头部下游主流靠右岸，引航道口门区上部受引航道导堤掩护，为弱流区，处于水流主流边缘。

（1）枢纽蓄水、4台机组发电与1～10#泄水闸联合泄流：1～10#泄水闸和电站下游流速分布较为均匀。呈向右扩散趋势，在枢纽10#泄水闸与引航道导堤头部的连线右侧形成三角形流速基本小于0.5 m/s回流区；至引航道导堤头部水流主流基本过渡到右侧，主河道弯道窄口处、引航道导堤头部左侧和泄水闸下部河道中部存在2.0 m/s流速，其余区域主流流速基本介于1.5～2.0 m/s；引航道口门区最大合成流速小于1.80 m/s，坝址下游100 m河段后，横流普遍大于0.3 m/s，最大0.63 m/s，船舶进出引航道略有难度。

（2）枢纽蓄水、4台机组发电与8～17#泄水闸联合泄流：在8～17#泄水闸和电站发电泄流作用下，电站与10#泄水闸之间的河道中部形成回流区，至枢纽下游300 m处两股水流充分汇流；引航道导堤头部左侧有2.5 m/s流速区，主流区流速明显大于1～10#泄水闸和电站发电泄流调度方式；引航道口门区最大合成流速1.80 m/s；坝址下游100 m河段后横流普遍大于0.5 m/s，最大横流为0.6 m/s，船舶进出引航道略有难度。

2种泄流方式引航道内流速均小于0.1 m/s，基本为静水。

3.3 枢纽敞泄

泄水闸敞泄研究了6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s等流量，泄水闸敞泄时电站关闭。

3.3.1 枢纽上游

（1）河道水流沿岸平行流动，断面流速基本为等值分布。泄流6 300 m3/s时，只有接近枢纽大坝附近有大于2.0 m/s流速；泄流8 700 m3/s时，河道流速小于2.5 m/s；泄流11 700 m3/s时，河道流速小于3.0 m/s，且大于2.5 m/s流速主要发生在引航道导堤头部以下闸坝河段；泄流13 500 m3/s时，河道流速大于泄流11 700 m3/s时，但值亦小于3.0 m/s。

（2）引航道口门区。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于1.65 m/s，最大横流出现在导堤上游25 m口门区左侧，为0.41 m/s，其余取样点横流小于0.15 m/s；泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于1.78 m/s，最大横流出现在导堤上游25 m口门区左侧，为0.56 m/s，其余取样点横流小于0.3 m/s；泄流11 700 m3/s，最大合成流速小于2.1 m/s，最大纵向流速2.0 m/s，满足2.0 m/s的设计要求。最大横流出现在导堤上游25 m的口门区左侧，为0.65 m/s，其余取样点横流小于0.30 m/s；泄流13 500 m3/s，最大合成流速小于2.2 m/s，最大纵向流速2.18 m/s，略大于2.0 m/s；最大横流出现在导堤上游25 m的口门区左侧，为0.68 m/s，其余取样点横流小于0.30 m/s。

（3）引航道内基本为静水，流速小于0.1 m/s。

图6 泄流方式九枢纽近区Fig.6 Flow field of 9th discharge way

3.3.2 枢纽下游

枢纽下游水流平顺，电站下部产生小的回流。泄水闸下部断面流速基本为等值分布，至引航道导堤头部附近，主流靠右岸。

（1）河道主流流速，泄流6 300 m3/s基本介于1.5～2.0 m/s；泄流8 700 m3/s基本介于2.0～2.5 m/s；泄流11 700～13 500 m3/s基本介于2.5～3.0 m/s。大流速主要发生在引航道导堤头部的挑流区。

（2）引航道口门区上部为受引航道导堤掩护的弱流区，下部处于主流边缘。泄流6 300 m3/s，最大合成流速小于2.0 m/s；航中线左侧20 m、引航道导堤下游50～150 m横流大于0.3 m/s，最大横流0.58 m/s，过引航道导堤下游150 m后，横流基本大于0.3 m/s。泄流8 700 m3/s，最大合成流速小于2.3 m/s、最大纵向流速2.25 m/s，纵向流速大于2.0 m/s的区域出现在航道左侧靠近河道主流区域，航中线右侧小于2.0 m/s；引航道导堤下游100 m后横流普遍大于0.5 m/s。泄流11 700 m3/s，航道左侧靠近河道主流区纵向流速基本在2.4 m/s左右；引航道导堤下游100 m后横流普遍大于0.5 m/s，最大为0.73 m/s。泄流13 500 m3/s，航道左侧靠近河道主流区纵向流速基本大于2.5 m/s。引航道导堤下游100 m后横流大于0.5 m/s，最大横流0.82 m/s。

（3）引航道口门内部基本为静水，流速小于0.1 m/s。

4 过流能力分析

对枢纽最大通航流量（10 a一遇）13 500 m3/s、5 a一遇洪水11 700 m3/s、2 a一遇洪水8 700 m3/s和电站最大发电流量6 300 m3/s等敞泄情况进行了研究。枢纽建成后，枢纽上游水位有所抬高，6 300 m3/s、8 700 m3/s、11 700 m3/s、13 500 m3/s水位分别升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，满足设计要求的0.3 m的要求。

5 结论

（1）各组合泄流方式，上下引航道内流速均小于0.1 m/s，满足规范要求。

（2）枢纽上引航道上口门区，流量小于1 772 m3/s时，航道纵、横向流速均远小于规范限制值，通航条件优良；流量介于6 300～8 700 m3/s时，航道纵向流速小于规范限制的2.0 m/s，横流只有在导堤上游25 m口门区左侧，略大于0.3 m/s，其余区域均小于0.3 m/s，水流条件良好；流量11 700 m3/s时,最大合成流速2.1 m/s，最大纵向流速2.0 m/s，为规范限制临界值，导堤上游25 m的口门区左侧的最大横流为0.65 m/s，水流对船舶正常进出引航道有一定影响；流量13 500 m3/s时，最大纵向流速2.18 m/s，大于2.0 m/s；导堤上游25 m的口门区左侧的最大横流为0.68 m/s，航道的纵、横向流速均不满足规范要求。

（3）枢纽下引航道口门区处于弯道转弯河段顶部，流量小于1 770 m3/s时，航道纵、横向流速均远小于规范限制尺度，通航条件优良；流量为6 300 m3/s时，航道纵向流速满足小于2.0 m/s的要求，横流大于0.3 m/s，水流对船舶正常进出引航道有一定影响；流量大于8 700 m3/s后，航道纵、横向流速均不满足规范要求。

（4）研究对电站最大发电流量6 300 m3/s进行了1～10#泄水闸控制泄流和8～17#泄水闸控制泄流两种工况研究，研究表明，下引航道口门区通航水流条件，采用1～10#泄水闸泄流和电站发电联合调度略好。

（5）枢纽建成后，枢纽上游水位有所抬高，6 300 m3/s,8 700 m3/s,11 700 m3/s,13 500 m3/s水位分别升高0.12 m、0.16 m、0.10 m、0.10 m，满足设计要求的0.3 m的要求。

［1］WL Delft Hydraulics.Delft3D-Flow User manual［R］.Netherland：WL Delft Hydraulics，2005.

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［6］JTJ305-2001，船闸总体设计规范［S］.

Study on Chejiang dam site navigational current conditions of Tugutang Navigation-power Junction on Xiangjiang river

LIU Chen，YAN Jian-ying，LI Jun-tao，PU Xiao-gang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

Using the technology of delft 3d software，the orthogonal curve two-dimensional current mathematical model for the reach close to Chejiang dam site of Tugutang on Xiangjiang river was established.First the model was verified with the natural current materials，and the calculated result of model was consistent with the natural data by adjusting some parameters.Then 9 typical discharge ways of the junction were simulated on the basis of the model，and the flow velocity distribution characteristics were analyzed.The related distribution parameters for longitudinal and cross flow in approach channel and the entrance area were given.Finally，the navigation current conditions were evaluated according toCode for Master Design of Shiplocks（JTJ305-2001）.

navigation-power junction；power station；ship lock；approach channel；entrance area

TV 61；TV131.61

A

1005-8443（2011）06-0418-05

2011-02-11；

2011-03-16

刘臣（1964-），男，天津市人，研究员，从事港口和航道设计与研究。