遥田水电站下游航道整治方案数值模拟研究

戴阳豪, 郭穗丰2, 马利军， 陈艳春

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410008；2.湖南省水利电力工程建设监理咨询有限公司, 湖南 长沙 410007)

0 引言

遥田水电站工程[1]属于耒水(湘江主要支流)13个梯级开发中的第12个梯级，位于遥田镇建新村。上承珠矶滩水电站工程(即原耒阳水电站工程)，距离耒阳市26 km，距离东江水电站118 km。下接白鱼潭水电站工程，距离衡阳市73 km。遥田电站位于耒水下游丘陵区，坝址控制流域面积为10 470 km2，占总流域面积(11 905 km2)的87.95%。电站利用耒水自龙颈上至双和圩之间“S”形弯道，裁弯取直，获得天然落差6.2 m，加上建坝雍水，共获得11.8 m水头。电站以发电为主，兼有通航及灌溉等综合效益。电站总装机容量为5万kW，年发电量为2.028 3亿kW·h，船闸年货运量为100万t。

上世纪七、八十年代，修建遥田电站时，裁掉该河段内的2个弯道。第1次是对遥田至新市段1个近16 km长的弯道进行裁弯取直，直道长约2.4 km，直道内建有1个水电站(遥田电站)，装4台发电机组，并配套建了1座100 t船闸，弯道内建1座拦河坝，以抬高电站中、枯水期上游水位，增大电站的发电水头，拦河坝中、枯水期露出水面，洪水期坝顶溢流泄洪[2]。过后，又进行了第2次裁弯，对枢纽下游1个长约11 km弯道进行了裁弯取直，直道长不到200 m，进、出口与河道几乎正交。第2次裁弯的目的是降低电站下游中枯水期的水位，增大电站的有效水头[3]。航道整治地理位置示意图见图1。

2个裁弯取直工程完工后，本河段的水流结构变得比较复杂，中、枯水期，第1个弯道断流，水流由遥田电站下泄，而对下游第2个弯道来说，直道比弯道短很多，河床高程又比较低，大部分水流由直道下泄，弯道过流很小。洪水期水位上涨，上弯道内的拦河坝过流泄洪，对下游第2个弯道段来说，由于直道底宽较窄，边坡又比较陡，随着水位的升高，河宽和过流面积的增幅还不如老河道(弯道)大。也就是说，洪水期，弯道的流程虽然还是比直段长，但过流面积也比直道大很多，与中枯水期相比，弯道洪水期的分流比会明显增大。

图1 航道整治地理位置示意图

1 研究对象

工程完工后至今，2段裁弯取直河段发生了几次船舶安全事故，据调查分析，事故主要是遥田电站发电机组发电放水引起的不良水流流态造成的。中、枯水期电站发电，船闸正常运行，1台机组发电的流量为117.9 m3/s，对应的水位为船闸下游最低通航水位58.34 m；当4台机组全部发电时，对应的流量为468.2 m3/s，水位为60.32 m，大于船闸下游最高通航水位60 m，船闸不通航，船舶不运营。综合分析，本项目主要解决中、枯水期不同数量(1、2、3台)机组发电时尾水流量下对船舶航行的影响。

2 工程方案设计与数值模型计算

2.1 工程方案设计

河流中的滩险可分为浅滩、急滩[4]和险滩3类,就山区河流而言,很多的滩都是这3种的组合。急流滩的整治原则与整治方法有多种[5]。

分析已建枢纽船闸下游引航道口门区急流碍航[6-7]以及石质急流滩航道整治的原则与方法[8]，工程段按Ⅵ级航道实施整治，布置30 m宽航线，并将其浅段疏通，考虑到本项目主要目的是减缓第2次裁弯取直直段流速，因此通过将航槽断面(K0+000～K0+454)航道宽度由30 m拓宽至45 m，拓深航槽断面(K0+000～K0+360)至设计河底高程以下0.3 m(满足1.5 m的水深)及K0+360～K0+454断面至设计河底高程以下0.5 m(满足1.7 m的水深),见图2。同时对于滩尾以下流速较缓的、过流断面较大的平直河段的航道外的深槽，可利用上游弃渣土进行填充,以减缓滩上比降和流速，见图3。

图2 航道整治方案布置图(单位： m)

图3 工程前后航道河床纵断面图

2.2 数值模型验证

将整个河道建立为1个二维恒定流计算模型[9]，模型长15 km，采用三角数值网格，第2次裁弯区域局部加密。采用遥田电站最小下泄流量(1台机组发电)117.9 m3/s，对应的坝下水位为58.34 m，按实测枯水比降推算沿程各段设计水位并分别验证。数值模型验证结果表明，模型水位与原河道实测水位误差均在允许范围内，满足规程要求。

2.3 模型结果分析

水位验证后，分别在1、2、3台机组发电的尾水流量下进行模拟。

工程前，2、3台机组发电流量下直段航道内均存在水流速度大于3 m/s的航段，尤其为D02所处的位置(见表1)，流速非常大，为急流，船舶航行较为危险，且往上游行驶的船舶存在上行困难等问题。

表1 工程前各级流量下流速值(m·s-1)点号不同流量(m3·s-1)下流速117.9242.2355.2D011.872.513.06D022.93.714.15D032.063.243.93

工程后，由数值模拟计算结果显示，在各个流量下的流速与初始状态下的流速有较大的缓解。在1台机发电的流量下，直段最大流速可以控制在2 m/s以下，工程河段流速减缓0.12～0.91 m/s，流速减缓程度较大，取得较明显的工程效果；在2台机组同时发电的流量下，直段最大流速可以控制在3 m/s以下，工程河段流速减缓0.01～ 0.79 m/s，流速减缓较明显，取得一定的工程效果；但在3台机组同时发电的流量下，直段处的流速均大于3 m/s，通过本次简单的疏浚措施无法解决3台机组同时发电的流量下的通航问题，从安全角度来讲，船舶此时不宜通航，以减少安全事故。

因此该工程方案实施后，分别在1、2台机组发电流量下能保证安全通航，流速为3 m/s以下，见表2。

表2 工程后各级流量下流速值(m·s-1)点号不同流量(m3·s-1)下流速117.9242.2355.2D011.752.503.04D021.992.923.31D031.782.763.15

3 结论

1) 电站尾水航道同以往滩险整治条件不同，整治设计时要充分认识滩险水流条件，以及电站的调度情况，有针对性地布置整治方案。

2) 分别在1、2、3台发电机组发电流量下，对工程河段采取分段布置不同疏挖断面来设计方案。方案实施前、后进行数值模拟，得出1、2台机组发电流量下，方案实施对比实施前流速取得了较大的改善，控制在3 m/s以下，同时流态相对较好，有利于船舶航行。

3) 通过本次简单的疏浚措施无法解决3台机组同时发电流量下尾水航道通航问题。结合电站调度情况，对船舶采用集中放行，禁止2台以上机组同时发电的情况下船舶过闸，该方案能缓解尾水航道通航难的现状问题。

4) 对于电站下游航道，电站应与当地海事局保持紧密联系，海事局将电站调度的情况及时通知各船长，同时加强管理，将海损事故降至最低。