山区河道低水头航电枢纽的水力学问题研究

吴文凤， 张绍培， 张家兴， 徐 红

(1. 四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都610017；2. 重庆交通大学， 西南水运工程科学研究所， 重庆400016)

低水头航电枢纽是以航运开发为主[1]， 兼有防洪、 发电、 灌溉和保护等综合利用功能的拦河建筑物， 其工程布置考虑因素多、 难度大。 目前， 国内低水头航电枢纽普遍具有单宽流量大、弗劳德数小、 下泄水流动能高、 引航道口门斜流较大等特点[2-3]， 导致低水头航电枢纽布置后，存在泄洪、 消能和通航等方面的水力学问题。 针对低水头航电枢纽存在的水力学问题， 国内外学者进行了诸多研究， 主要集中在枢纽的泄流能力、 消能防冲、 通航水流3 个方面。 在枢纽的泄洪能力方面， 有关学者研究发现， 枢纽泄洪能力与泄流宽度， 堰体高度， 堰前进水段水头损失，水流侧收缩、 相对淹没度等有关[4]； 在枢纽消能防冲方面， 低水头枢纽消能多采用底流消能来消除高动能的下泄水流， 其消能率受消能设施布置的影响。 工程中消能设施常布置有消力池(包括消力池内辅助消能工、尾槛等)、 海漫、 防冲槽等[5]； 在通航水流条件方面， 低水头枢纽的通航水流条件受河势条件影响[6]， 存在引航道口门区纵横水流超标情况， 其改善措施一般采用调整隔流墙长度、 透空隔流墙等[7]。

随着山区内河航运的发展， 当低水头航电枢纽布置于山区河道中下游时， 由于山区河道中下游河流比降大、 水流湍急、 河道宽浅、 浅滩较多、水流条件复杂[8]， 布置难度增大， 航电枢纽的泄洪、 发电、 通航等方面亟须进一步研究。 由于山区河道水深小， 易导致下泄水流消能率降低[9-10]，形成不良流态， 加重下游河床冲刷。 枢纽尾水下泄时， 下游水位出现壅高现象， 降低发电水头。同时， 河道过流断面在近坝段收缩， 全闸敞泄时，上、 下引航道口门区斜流增强， 通航水流条件变差[11]。 因此， 需要对山区河道的低水头航电枢纽布置中存在的水力学问题进行深入研究， 以优化枢纽布置， 改善枢纽水流条件。

本文以四川省岷江干流汤坝航电枢纽布置为例， 通过物理模型试验， 重点研究山区河道低水头航电枢纽的水流条件， 针对布置中存在的水力学问题提出相应的改善措施， 为今后山区河道的航电枢纽布置提供技术支撑。

1 枢纽概况

汤坝航电枢纽位于岷江中游眉山市， 以航运、 发电为主， 兼顾城市水环境建设、 防洪、 灌溉。 所在河段顺直微弯， 浅滩较多， 平面形态起伏不平， 是典型的山区河道。 河床高程395 ～400 m， 比降约0.8‰。 河道断面呈 “U”形， 宽480 ～560 m， 两岸为防洪堤， 堤顶高程417.19 ～419.86 m。 受防洪堤限制， 岸线较为稳定。 枢纽上游0.6 ～1.5 km的河段中心处有1 个较大的卵石江心洲， 最宽处约250 m， 洲面高程401 ～404 m。 枯水期， 河水走江心洲左侧主槽；中水期时， 江心洲右侧河道开始分流； 洪水期时， 河流淹没江心洲。 再上游约1. 7 km 处为岷江一桥， 其主通航孔布置在靠河道左侧的主汊道上， 与主流同侧布置。 而坝下游河道微弯，距弯顶约0. 8 km， 受弯道制约， 水流条件较为复杂。

受河势条件影响， 汤坝航电枢纽采用河床式开发方式， 集中式布置， 自左向右依次布置为左岸非溢流坝、 船闸、 泄洪冲砂闸、 厂房、 右储门槽坝段、 右岸非溢流坝段、 鱼道， 坝轴线全长544.71 m。 枢纽正常蓄水位414.80 m， 枢纽设计洪水位50 a 一遇， 校核洪水位500 a 一遇。 所在河段为Ⅳ级航道， 可通行500 吨级船舶。 枢纽所在河段河势见图1。 由于枢纽布置在山区河道， 河道顺直微弯， 宽浅， 坡降较陡， 洪水期水流流速大， 流态复杂。 枢纽布置后， 改变了山区河道原有的水流条件， 存在坝下游水位偏低影响枢纽消能、 敞泄时河道主流偏左引起的上游引航道口门区斜流强、 下游引航道位于弯道凸岸上游等问题。 因此采用正态物理模型试验研究山区河道低水头航电枢纽的泄流、 消能、 发电和通航等水流条件， 并对枢纽布置中存在的水力学问题提出改善措施。

图1 河段河势条件及枢纽位置

2 模型设计与验证

模型按重力相似准则进行设计， 采用几何比尺为1∶100 的正态模型。 模拟范围从坝轴线上游约2.2 km 至坝轴线下游约1.8 km 处， 总长约4.0 km。 包括枢纽上下游已建和拟建的堤防、 岷江一桥， 以确保工程河段水流条件的相似性。 河道模型的制作以断面板法为主， 同时辅以等高线法相配合。 试验过程中的流速主要采用XKVMS-03表面流场测量和分析系统观测。

结合枢纽的运行调度方式、 防洪标准和通航要求， 试验主要流量级共13 级， 分别为248 m3∕s(单机 引 用 流 量)； 496 m3∕s(2 台 机 组 引 用 流量)； 744 m3∕s (3 台 机 组 满 发 引 用 流 量)；2 500 m3∕s(敞泄临界流量)； 4 170 m3∕s(常年洪水)； 5 000、 6 580 m3∕s(P=50%)； 7 720 m3∕s(P= 33.3%)； 8 990(P= 20%)； 12 000 m3∕s(P=5%)； 13 800 m3∕s(P= 2%)； 15 100 m3∕s(P=1%)； 18 000 m3∕s (P=0.2%)。

模型与原型进行水位、 流速、 流向验证试验，结果表明与原型的水位相差均在±0.1 m 以内， 见图2。 模型断面流速分布规律与原型基本一致， 实测流量偏差在5%以内。 模型浮标的运动轨迹与原型浮标基本一致， 流线基本重合。 验证试验结果表明模型达到了几何相似、 河床阻力相似和水流运动相似的要求， 符合相关规范要求[12]。

图2 模型水位验证

3 方案布置及存在的水力学问题

3.1 方案布置

枢纽泄水建筑物位于河床中央， 布置为16 孔泄洪(冲沙)闸(图3)。 泄洪(冲沙)闸段总长284 m， 占据断面河宽约50%， 每个泄洪(冲沙)闸孔净宽14 m。 下游侧以1∶4 斜坡与消力池相连。 消力池采用底流消能方式， 其中靠左岸11 孔泄洪闸后采用一级消力池布置， 消力池底板高程393.5 m， 深4.5 m， 长60 m； 靠右岸5 孔冲沙闸后采用两级消力池布置， 第一级消力池底板高程394 m， 深4 m， 长55 m， 第二级底板高程394.5 m， 深3.5 m， 长40 m。 消力池下游均接长45 m 的混凝土海漫， 海漫后接防冲槽。

图3 枢纽平面布置(单位: m， 下同)

电站前池位于厂房进水口上游库内， 由拦沙槛分隔河道而成， 拦沙槛上游与右岸防洪堤相接，以26°角的折线延至排漂闸。

电站尾水渠宽55.58 m， 电站尾水出流后以1∶5的反坡从底高程为394.32 m 上升至下游河床高程397.5 m， 为使尾水渠水流平顺， 避免冲沙闸局部开启时下泄水流对电站尾水出流的影响， 在尾水渠和冲沙闸之间设一隔水墙， 该隔水墙长53.74 m。

船闸设计等级为Ⅳ级， 布置在河道左岸， 与坝上河道主流同侧。 船闸轴线与坝轴线交角87°，船闸上、 下游引航道采用半开敞式布置， 向左侧岸边扩展， 呈不对称形式布置。 上引航道外侧直线导墙长150 m， 内侧曲线扩展段长121.5 m， 下引航道外侧直线导航墙长150 m， 内侧曲线扩展段长160.1 m。

枢纽为日调节电站， 其主要运行方式如下:

1)当入库流量Q＜2 500 m3∕s 时， 库水位在正常蓄水位414.8 m 和消落水位414.3 m 之间消落发电；

2)当流量Q＞2 500 m3∕s 时， 河道停航、 电站停机， 闸门全开敞泄。

3.2 存在的水力学问题

1)枢纽敞泄或控开时， 由于下游河道宽阔，水深较小， 消力池及下游河道水深不足， 导致冲沙闸下游二级消力池消能率低， 下泄水流流速整体偏大， 出现急流冲刷段， 尤其在三孔开启3 m时， 消力池末端、 海漫末端和海漫下游75 m 处最大底流流速均超过5.00 m∕s； 泄洪闸后的一级消力池消能不充分， 池内未形成完整水跃， 下游河段出现不良流态， 实测坝轴线下游240 m 处最大流速可接近4 m∕s。

2)受尾水渠出口地形较高影响， 尾水渠内水位壅高， 导致电站发电水头较低， 影响了枢纽发电效益， 实测尾水渠末端(坝下150 m)与坝下480 m处的水位相差达到1.62 m(Q=744 m3∕s，电站满发)。

3)受山区河道河势条件的影响， 来流量为2 500 m3∕s(敞泄临界流量)时， 电站停止发电， 枢纽敞泄运行， 河段恢复山区天然河道运动状态，坝上江心滩露出， 不良流态出现， 航道内水流流速急剧增加， 导致枢纽船闸上下引航道通航水流条件均不满足GB 50139—2014《内河通航标准》中规定的最大纵向流速不超过2 m∕s， 最大横向流速不超过0.3 m∕s 的要求[13]。 最高通航流量远小于规范规定的设计最高通航流量(3 a 一遇洪水)。

因此， 本文针对枢纽设计方案中存在的水力学问题， 结合河段河势条件， 对工程的消能、 尾水水流条件和船闸通航水流条件提出相应的改善措施， 解决山区河道低水头枢纽布置过程中出现的水力学问题。

4 消能条件改善研究

4.1 修改方案1

4.1.1 方案布置

结合电站尾水渠下游流态改善与河道整治及施工方便， 减少消力池后期维护的需要， 首先对冲沙闸消力池的布置及下游河床开挖整治进行适当调整， 调整布置见图4。

图4 消力池修改方案1 布置

1)为降低工程施工难度， 变多级消力池为单级消力池。 取消冲沙闸后两级消力池之间的消力坎， 使两级消力池合并为一级消力池， 池底板高程由原设计的394 m 降低至393 m， 合并后的消力池长95 m， 深4 m。

2)取消冲沙闸段右侧隔墙。

3)降低冲沙闸消力池下游海漫高程(海漫长度保持原设计方案不变)， 并对下游河床进行开挖整治， 冲沙闸下游海漫高程及河道高程由398 m 疏浚整治至397 m， 整治范围从海漫末端至坝下游400 m 处为止。

4.1.2 水流条件结果

冲沙闸消力池内依旧难以形成完整稳定的水跃， 消力池下游仍出现急流冲刷段， 特别是多孔同时开启较大时， 消力池下游水深浅、 流速大，消能效果较原设计方案更差。

在电站满负荷发电、 坝前水位保持正常蓄水位414.8 m 运行时， 当冲沙闸中孔单独分别开启2、 3、 4 m 时， 消力池末端、 海漫末端和海漫下游75 m 处最大底流流速分别较原设计方案均增大，增幅在0.62～1.78 m∕s。 当两孔冲沙闸(13#和15#)同时分别开启2、 3、 4 m 时， 底流流速较原设计方案增加0.47 ～2.17 m∕s； 当三孔冲沙闸(12#、14#、16#)同时分别开启2、 3、 4 m 时， 底流流速较原设计方案最大可增加至2.57 m∕s。

4.2 修改方案2

4.2.1 方案布置

尽管降低了消力池底部高程和下游河道高程各1 m， 但由于取消了原设计方案消力池内的消力坎， 将两级消力池合并为一级消力池， 在冲沙闸单孔和多孔局部开启较大时， 冲沙闸消力池内均难以形成完整稳定的水跃， 下游亦出现急流冲刷段。 消力池下游水深依旧较浅， 因此须进一步增加消力池深度， 布置见图5。

1)将冲沙闸下游消力池池身段长度缩短至80 m，池深增加到5 m， 池底板高程进一步降至392 m。

2)11 孔泄洪闸下游消力池池身段长度由原设计方案的60 m 加长至70 m， 池深由4.5 m 加深到5 m， 相应的池底板高程降至392 m。

图5 消力池修改方案2 布置

4.2.2 水流条件结果

对比设计方案和修改方案1， 修改方案2 在坝上游保持正常蓄水位， 冲沙闸单孔和多孔局部开启条件下(单孔开启3 m 及以内)， 消力池下游(特别是海漫末端及以下河床)的流速较原设计方案、修改方案1 明显减小。 以冲沙闸三孔开启3 m 为例， 修改方案2 海漫末端和海漫下游最大底流流速分别为4.80 和3.91 m∕s， 低于修改方案1 相同位置的流速6.44 和4.39 m∕s 及设计方案相同位置流速5.29 和5.10 m∕s， 亦低于相同位置天然河段20 a 一遇洪水(Q=12 000 m3∕s)时的流速。 不同试验流量下， 修改方案2 消力池内水跃明显、 紊动充分， 水流出消力池后急流段均基本控制在海漫段内， 出池水流扩散和流速递减均很快， 该方案消能效果较原设计方案、 修改方案1 得到明显改善。

5 尾水水流条件改善研究

5.1 修改方案1

5.1.1 方案布置

由于原方案电站尾水渠下游河床地形较高，阻挡了电站尾水的顺利下泄， 使尾水渠内出现壅水， 尾水渠下游出现跌水、 急流和波状水流等不良流态， 影响了该电站水头的充分利用和发电效率。 为此， 在原设计方案的基础上， 采取以下改善措施(图6)。

图6 尾水渠修改方案1 布置

1)调整电站尾水渠的平面布置。 将电站尾水渠两侧的隔墙各向外扩展5.4°， 以改善电站尾水的扩散条件。

2)降低尾水渠下游河床高程。 在修改方案2的基础上从尾水渠末端开始至坝下游190 m 处为止， 疏浚整治高程至395 m。

5.1.2 水流条件结果

修改方案1 通过调整电站尾水渠的平面布置、整治降低尾水渠下游床面高程及左侧冲沙闸下游河床高程等措施， 有效地改善了电站尾水出流条件。 各级流量情况下， 电站尾水渠内原存在的壅水和下游跌水与急流问题得到基本消除， 电站尾水出流均匀， 尾水渠内无泡水、 乱流和回流等不良流态， 实测在电站单台机组发电、 2 台机组发电和3 台满发引用流量情况下， 电站尾水位分别降低1.96、 1.79、 1.59 m。 该方案达到了较好地改善电站尾水出流条件、 增大发电效益的目的。

5.2 修改方案2

5.2.1 方案布置

电站尾水渠修改方案2 是在修改方案1 的基础上的进一步微调， 其修改的主要内容是将电站尾水渠左侧隔墙再向外扩展5.2°， 使尾水渠出水口进一步增大， 水流得到进一步扩散。

5.2.2 水流条件结果

修改方案2 在各级发电流量情况下， 电站尾水渠内水流平稳、 出流均匀， 无泡水、 乱流和回流， 水位略有下降， 尾水渠下游无跌水、 急流、波状水流等不良流态， 水流扩散条件好。 与修改方案1 相比较， 修改方案2 电站尾水出流条件更优， 发电水头亦略有增大， 增大幅度在0.01 ～0.30 m， 各方案布置后水位对比见图7。

图7 尾水渠不同修改方案下水位变化

6 通航水流条件改善研究

由于枢纽蓄水运行时， 通航水流条件仍满足规范， 因此采取壅水通航措施来提高枢纽最高通航流量， 即当枢纽上游来流量大于2 500 m3∕s(原设计敞泄流量)时， 电站满发， 闸门控开泄流。

试验结果表明， 当流量Q＞2 500 m3∕s 时， 枢纽壅水运行后， 坝上水深较敞泄条件下明显增加，水流流速减小， 江心滩被淹没， 不良流态消失。船闸上引航道最高通航流量洪水重现期能够达到3 a一遇。 当Q=7 720 m3∕s(P=33.3%)， 电站满发， 闸门控开时， 上引航道口门区的最大纵横向流速分别为1.00、 0.29 m∕s， 无回流发生， 能够满足标准要求。

对于下引航道， 在上游来流量Q≤5 000 m3∕s、电站发电、 坝前保持正常蓄水位414.8 m 运行时，由于下游河床比降减小， 船闸下引航道口门区及下游附近河道的水流更加平顺， 回流范围和强度减小， 但纵向流速略有增大， 其口门区的最大纵向流速1.92 m∕s， 最大横向流速0.29 m∕s， 最大回流流速为0.35 m∕s， 其各项流速指标满足规范要求。 当流量Q＞5 000 m3∕s， 回流消失， 最大横向流速已超过规范规定标准， 下引航道口门区的通航水流条件已不能满足规范要求。

总体来说， 枢纽壅水运行情况下， 通航水流条件较设计方案得到了明显改善。

3 结论

1)山区中下游河道水流流速大、 流态复杂，局部常出现跌水与横流， 河道整体水深较小。 受河势条件影响， 低水头枢纽布置后， 容易出现坝下游水深小、 消力池的消能效果差、 尾水渠内水位壅高、 口门区通航水流条件恶化等水力学问题。

2)可通过增大消力池深度、 改变消力池长度和疏浚整治下游河床增强一级消力池消能效果，满足山区河道低水头枢纽底流消能要求， 有效改善枢纽下泄水流条件。

3)向外适当扩展尾水渠侧墙角度， 并分两级平台疏浚整治尾水渠下游河床地形， 能有效增大发电水头， 改善电站尾水的出流条件， 消除尾水渠下游水流不良流态。

4)采取壅水通航措施， 能有效地改善通航水流条件， 提高船闸最高通航流量和电站最大发电流量。