水口水电站坝下水位治理工程上引航道水流条件研究

王庆龙，陈野鹰，扈晓雯，彭 凯

(1.重庆交通大学河海学院，重庆400074;2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)

0 引言

水口水电站建成后，由于清水下泄和无序采沙，致使坝下河床下切，河道水位逐年下降，当电站下泄基荷流量(Q=308 m3/s)时，坝下水位仅为3.2 m，比设计值7.64 m低4.44 m，水位降低造成水口水电站通航建筑物下游门槛水深不足，通航条件恶劣，也严重影响机组的正常运行［1-3］。水口水电站坝下水位治理工程便是为解决水口水电站枢纽通航建筑物下游门槛水深及电站尾水吸出高度不足而设置的无闸壅水堰［4］。工程实施后可抬高枯水期水口电站至坝下水位治理工程河段的水位，满足通航水深及电站尾水吸出高度要求［5］。

然而壅水堰是无闸溢流坝，坝高较低，当水口枢纽下泄流量小时坝前能呈现水库水流特征，随来流量的增加，其水库特征逐渐消失，溢流坝蜕变成潜坝，水流条件近似天然河道，造成该枢纽的通航水流条件难以满足通航要求。为解决上述问题，笔者结合水口水电站坝下水位治理工程水工模型试验，对上引航道的布置及水流条件进行了研究分析，提出水位治理工程优化布置方案和改善通航水流条件的技术方法，并通过模型试验验证了优化布置的合理性与技术方法的正确性。

1 工程概况

闽江水口枢纽坝下水位治理工程位于其坝下游约9.1 km处，工程的主要任务是满足通航要求。该工程枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、通航建筑物及护坡建筑物等组成。泄洪消能建筑物布置在主河床;通航建筑物为双线船闸，布置在右岸;泄洪消能建筑物与左岸岸坡连接采用护坡建筑物相连接。枢纽建筑物全长约512 m，其中溢流坝段长约332 m，采用无闸门控制的自由溢流式，剖面型式为WES堰，堰顶高程6.97 m;船闸段长86 m，为整体坞式结构，闸首顶高程为27.0 m;挡水坝段长55.5 m，坝顶高程为 27.0 m。

原设计方案的上游外导航墙左侧长180 m，右侧(岸侧)长120 m;导航墙至靠船墩170 m间距上无隔流墙;左侧布置10个独立靠船墩，右侧布置15个独立靠船墩，靠船墩尺寸为8 m×10 m，中心间距为 23 m(图 1)［6］。

图1 原设计方案布置Fig.1 Layout of original design

2 模型概况

根据工程的规模与试验的特点，确定模型比尺采用λL=100的正态模型，模型设计按重力相似准则设计。模型各项比尺要素为:流速比尺λν=10，流量比尺λQ=100 000，时间比尺λt=10，河床糙率比尺λn=10。通过验证试验对河道糙率进行适当调整，使得模型达到了阻力相似的要求。

3 原方案上引航道通航水流条件

试验观测了1 530～16 900 m3/s共6级流量下的上引航道的水流流速及流态情况，在小流量时水流条件较好，基本满足安全通航的要求，但随流量增大，水流条件变差，船舶通航安全难以保证。

当流量较小时(Q=1 530 m3/s)，坝前水位与工程未实施相比壅高较多，上引航道内及口门区水流平稳、流速小，通航及停泊水流条件均较好。但由于靠船墩和调顺段均无隔流建筑物，随着上游来流量增大，越来越多的水流由引航道内从停泊段和调顺段流入河道，在引航道内出现了较强的斜向流。在Q=2 550 m3/s时，调顺段水流条件指标已超出规范要求，随流量的增大其水流条件进一步变差。另外，航道内有一部分水流透过靠船墩之间的空隙流出航道，流量较大时，在停泊段局部区域出现明显漩涡水流，其范围随流量增大而增大，特别是左侧停泊段，停泊条件很差。当水口下泄流量Q≥7 000 m3/s时流速指标也超出了规范要求。

由试验结果看出，原布置方案中存在的主要问题是调顺段及停泊段的通航水流条件差。由于没有隔流墙的阻挡，进入航道的水流直接从调顺段斜向流出，在调顺段产生了较大的纵横流和回流，造成调顺段通航水流条件恶劣，即使在较小流量下，其最大纵横向流速依然超出规范要求。另外相当一部分水流从靠船墩的间隙中流出，在停泊段产生了较大的横流，又由于靠船墩的扰流作用，使得左侧靠船墩附近区域在稍大流量时，水流流态紊乱、停泊条件差。

4 优化方案Ⅰ上引航道试验研究

4.1 优化方案Ⅰ上引航道布置

原设计方案中上引航道通航的主要限制条件是调顺段水流条件和停泊段的停泊条件，为此优化方案Ⅰ在调顺段增设隔流墙、在停泊段的靠船墩上悬挂隔流板，消除河道水流对引航道内通航的影响。为了减小引航道口门区横向流速，靠船墩间的隔流板底端距河底保留一定距离，形成透水孔洞，根据理论分析计算，布设了9个透水孔，为使引航道内水流平稳渐进变化，沿水流方向透水孔高度逐渐降低(图2)。

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

4.2 优化方案Ⅰ的上引航道通航水流条件

对通航建筑实施优化后，河道的水流波动与流速大小不再影响引航道内的通航水流条件;隔流板底部设置透水孔后，既能减少通航建筑物对水流的顶托、降低口门区横向流速［7］，同时流入引航道内的水流由隔流板底部的透水孔流向河道，又能减少水流对表面流态的不利影响，可有效的改善引航道内的停泊条件。

通过模型试验看出，对引航道建筑物设计实施优化后，上引航道内及口门区的流速、流态在相同流量下较原方案有了明显改善。在流量较小时，上引航道内及口门区水流平稳，调顺段基本为静水。随着流量的增大，调顺段并未受较大影响，仍保持了较好的通航水流条件。各级典型流量下，调顺段水流条件均满足通航要求。停泊段独立靠船墩之间采取增加隔流板的工程措施后，航道内的水流透过靠船墩间的底孔流入河道，相比原方案，通过停泊段流出引航道的水流大幅降低，引航道内的纵横流速也随之减小。同时大大消除了靠船墩附近的不良流态，改善引航道的停泊条件，有效地提升通航建筑物的最大通航流量。

表1 优化方案Ⅰ与原方案的水流流速对比Table 1 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand the original program /(m·s－1)

由表1可以看出，优化方案Ⅰ调顺段水流条件能满足通航要求，引航道内的停泊段停泊条件亦得到改善，但水口电站下泄流量Q ＞10 000 m3/s后，仅内侧(岸侧)引航道的停泊条件满足要求，而且口门区水流条件也较差。若要保证通航建筑物在最大通航流量Q=16 900 m3/s时满足安全通航要求，需采取进一步的工程优化措施来改善停泊段及口门区的水流条件。

5 优化方案Ⅱ上引航道试验研究

5.1 优化方案Ⅱ上游引航道布置

为改善引航道内的水流条件，优化方案Ⅱ将隔流挂板从靠船墩前端向上游延长215 m、透水孔设置位置亦上移同样的距离，透水孔的大小与变化规律同优化方案Ⅰ，为降低大流量下口门区横向流速的大小，延长段隔流挂板的顶高程降低3 m，由17.00 m降至14.00 m，船闸上引航道其余布置同优化方案Ⅰ(图3)。

5.2 优化方案Ⅱ上游引航道水流条件

模型试验显示，引航道隔流挂板向上游延伸后，引航道内的静水范围亦向上游推移约200 m，引航道内水流流态更加平稳，在来流量Q≤16 900 m3/s时，引航道内的全部靠船泊位的水流条件均满足规范要求。由于隔流建筑物延伸段高程由17.00 m降低至14.00 m，当来流量Q ＞ 10 000 m3/s后，部分来流量开始由隔流建筑物顶部溢出流入河道，即可增加引航道口门段流量，又可减弱通航建筑物对水流的顶托、阻扰作用，降低横向流速，改善水流流态。同时进入引航道内的水流全部由延伸段隔流挂板的底部透水孔和板顶缺口溢出，停泊段内除受上游段水流运动惯性影响存在回流外，水面基本静止，水流条件满足正常停泊要求，具体数据见表2。

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

表2 优化方案Ⅱ与优化方案Ⅰ的流速对比Table 2 Contrast of flow rate between optimization program Ⅰand Ⅱ /(m·s－1)

6 结论

1)无闸溢流坝上游引航道水流条件较差，来流量对安全通航影响明显，若采用独立靠船墩结构，停泊条件难于满足规范要求;同时，在调顺段外侧(河道侧)需要设置隔流建筑物将引航道与河流隔开，否则调顺段的水流紊乱、流态差、纵横流速大，当上游来流量Q＞7 000 m3/s后其水流条件不符合安全通航要求。

2)通过调顺段增设隔流墙和靠船墩上挂隔流板，可使引航道调顺段与河道主流之间隔开，减少水流进入引航道，降低其纵横流速，改善停泊条件，有利于船舶安全停泊。设置于隔流挂板底部的透水孔，能够弱化通航建筑物对来流的阻碍作用，减小口门区横流流速，增强船舶进出闸的安全性，优化方案Ⅰ实施后可抬高最大通航流量至Q=10 000 m3/s。笔者在靠船墩上挂隔流板的方法，不仅能有效地改善引航道的通航条件，而且造价低廉，施工简单高效，在同类工程具有广泛的应用前景。

3)延长上游引航道隔流板(墙)是改善无闸溢流坝上游引航道停泊水流条件的有效方法，通过延长隔流板，可使停泊段远离口门区，受来流惯性作用的水流也很难到达此处，明显地改善了停泊水流条件。降低口门区段隔流板高度的方法，即可增加引航道口门段流量，又可减弱通航建筑物对水流的顶托、阻扰作用，降低横向流速，改善水流流态，通过优化原设计方案后，坝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，满足了该河段的通航要求。

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