王振華

（永州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院永州市425000）

低水頭水利樞紐常修建于平原河流，工程施工導(dǎo)流方案一般選擇分期圍堰法，各期圍堰布置型式對(duì)束窄河段的行洪與通航有著重要影響。初步設(shè)計(jì)中常利用施工期束窄河段過流面積估算其平均流速，并根據(jù)不同圍堰布置型式的側(cè)收縮系數(shù)及流速系數(shù)估算上下游水位落差，從而分析導(dǎo)流方案對(duì)行洪與通航的影響。但對(duì)于平原地區(qū)常見的微彎分汊河流，施工期分流比發(fā)生改變，河床寬淺不一，邊界復(fù)雜，不易確定主汊流量，很難利用經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確計(jì)算汊道束窄河段平均流速及水位差，無法分析流場(chǎng)分布對(duì)通航的影響。雖然可進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，但其存在周期長(zhǎng)、成本高、不易修改邊界的缺點(diǎn)。

針對(duì)上述問題，下面以某擬建水利樞紐工程為背景（樞紐河段河勢(shì)如圖1所示），通過數(shù)學(xué)模型分析不同的圍堰布置方案對(duì)壩址處微彎分汊河段洪水期水位壅高及束窄河段流場(chǎng)的影響，為施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 樞紐河段河勢(shì)圖

1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算及結(jié)果分析

1.1 控制方程

工程所在河段為寬淺水域，水力參數(shù)在垂直方向的變化明顯小于水平方向的變化，故忽略垂向流速及垂向加速度，使水壓力接近靜壓分布，并根據(jù)Boussinesq假定將三維N-S方程沿水深方向積分平均即可得平面二維淺水運(yùn)動(dòng)控制方程。忽略科氏力及水面風(fēng)應(yīng)力，其在笛卡爾坐標(biāo)系下可表示為：

水流連續(xù)方程：

式中h——水深；ux和uy——分別為沿水深積分的平均流速在x、y方向的分量；z0——河床高程；g——重力加速度；vt——紊動(dòng)粘性系數(shù)；ρ——水的密度；n——曼寧糙率系數(shù)。

離散方法采用有限單元法，運(yùn)用Galerkin加權(quán)余量法把淺水方程離散成非線性代數(shù)方程，然后采用Newton-Raphson方法求解。離散區(qū)域內(nèi)采用三角形6節(jié)點(diǎn)等參單元和四邊形8節(jié)點(diǎn)等參單元相混合。網(wǎng)格步長(zhǎng)為（10～50）個(gè)萬單位。

1.2 模型的計(jì)算分析

1.2.1 模型的率定

模型采用樞紐河段實(shí)測(cè)地形，模擬范圍包括壩址上游4 km及下游8 km河段。并利用原型洪、中、枯三級(jí)流量觀測(cè)資料率定和驗(yàn)證模型，結(jié)果表明模型水面線、斷面流速分布及分流比均與原型吻合較好，可應(yīng)用于施工期水動(dòng)力模擬。

1.2.2 模型計(jì)算方案的確定

樞紐河道深泓線位于左汊左岸一側(cè)，形成寬約300 m的深槽，河床平均高程約為15 m左右。左汊靠近江心洲一側(cè)為寬約400 m的漫灘，高程在（20～30）m之間。為提高樞紐河段行洪能力，計(jì)算模型將左汊漫灘開挖至20 m高程，且右汊工程可在枯水期完成，洪水期過水。在此基礎(chǔ)上分析主汊束窄河段行洪能力。計(jì)算洪水流量采用該河段兩年一遇洪水流量。

計(jì)算內(nèi)容從以下兩方面考慮確定：

（1）由于河床深槽靠近左汊左岸，因此需分析在過流面積相等情況下，漫灘開挖后束窄河段分別位于左汊左側(cè)和左汊右側(cè)時(shí)（圖2）對(duì)水位壅高的影響，以便于合理設(shè)計(jì)微彎分汊河道各期圍堰位置。根據(jù)河床地形計(jì)算得，束窄河段位于左汊左側(cè)、寬度分別為200 m和250 m時(shí)，其過流面積與束窄河段位于左汊右側(cè)、寬度分別為250 m和320 m時(shí)相等。故對(duì)此四種方案進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 兩種圍堰布置方案（左：方案1，右：方案2）

（2）工程中常采用鋼筋混凝土材料將縱向圍堰做成直墻型，并作為永久建筑物與閘墩相結(jié)合。但圍堰附近會(huì)形成回流區(qū)，不利于束窄段的行洪與通航。改善回流區(qū)的方法之一是改變縱向圍堰線型，使束窄河段水流過渡平緩。因此，需分析不同縱向圍堰型式對(duì)水位壅高及通航的影響程度，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)施工導(dǎo)流方案。計(jì)算選取束窄寬度分別為200，250，300，350，400 m情況下，兩種不同縱向圍堰型式（圖3）的水位壅高及通航水流條件。

圖3 兩種縱向圍堰型式（左：直線型，右：流線型）

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）不論束窄河段位于左汊左側(cè)（方案1）還是右側(cè)（方案2），當(dāng)束窄河段溢流面積相等時(shí)，水位壅高值基本一致（表1）。說明左汊漫灘開挖以后，洪水期微彎河道及河床深槽對(duì)主流影響不大。因此，當(dāng)各施工期主汊束窄河段溢流面積相近時(shí)，即可保證各期水位壅高較均衡，從而使施工期水位壅高值達(dá)到最低。

表1 不同圍堰布置方案對(duì)水位壅高影響m

（2）從表2可看出，隨著溢流寬度的增加，水位壅高逐漸減小。在相同溢流寬度下，流線型縱向圍堰能夠降低水位壅高，尤其是在溢流寬度較小時(shí)，水位壅高降幅較大。說明溢流寬度較小時(shí)回流區(qū)對(duì)上游水位壅高影響較大。因此，在工程中當(dāng)溢流寬度受通航要求、工程量、施工強(qiáng)度等因素影響，調(diào)整范圍受限時(shí)，可通過優(yōu)化縱向圍堰線形來有效提高行洪能力。

表2 不同圍堰布置型式的水位壅高m

（3）由各工況流場(chǎng)分析可知，左汊主流在進(jìn)入束窄河床時(shí)，即在上游縱向圍堰端部處，由于水流急劇束窄擠壓，產(chǎn)生較大橫流，影響范圍較大。當(dāng)束窄河床位于左汊右側(cè)時(shí)，對(duì)于不同的溢流寬度和縱向圍堰線形，河床束窄處水面橫向流速分布如圖4所示。流線型圍堰使水流過渡更加平緩。在靠近圍堰處，最大可使橫流降低1.0 m/s左右，且橫流大于0.3 m/s的寬度約為（150～200）m，比直線形縱向圍堰工況減少（50～100）m。當(dāng)束窄河床位于左汊左側(cè)時(shí)，同樣具有類似規(guī)律。因此，為保證航行安全，應(yīng)優(yōu)化縱向圍堰線形，同時(shí)應(yīng)使航道距離圍堰150 m以上。

2 工程實(shí)例分析

2.1 導(dǎo)流方案的確定

（1）各期圍堰布置設(shè)計(jì)。擬建樞紐工程經(jīng)可行性論證，其主要建筑物布置為：左汊從左至右依次為船閘、泄水閘及電站廠房，右汊為泄水閘。左汊27孔泄水閘堰頂高程19.00 m，孔口凈寬20 m，右汊19孔泄水閘堰頂高程25.00 m，孔口凈寬14 m。

圖4 不同工況河床束窄處水面橫向流速分布

工程主要開發(fā)目標(biāo)為改善航運(yùn)條件與水環(huán)境，電站發(fā)電效益主要為解決運(yùn)行期的運(yùn)行成本，因此，施工導(dǎo)流方案選擇的總原則是確保施工期不斷航、盡量減少施工期庫區(qū)水位壅高?？紤]優(yōu)先對(duì)船閘施工，圍堰布置方案為：一期圍堰圍左汊左側(cè)船閘及部分泄水閘，束窄河段臨時(shí)航道通航，并利用枯水期對(duì)右汊泄水閘施工。二期圍堰圍左汊右側(cè)，已建船閘通航。

（2）縱向圍堰位置確定。左汊總溢流寬度約為700 m左右，根據(jù)數(shù)模結(jié)論①，當(dāng)各期束窄河段寬350 m時(shí)，可使過流面積基本相等，從而使施工期水位壅高值最小。但是，一期束窄河段需要開挖臨時(shí)航道及漫灘，考慮到施工進(jìn)度及工程量，為盡快完成臨時(shí)航道開挖，保證施工初期不斷航，臨時(shí)航道必須選在距離洲岸約300 m處。根據(jù)數(shù)模結(jié)論③，為保證通航安全，臨時(shí)航道應(yīng)至少距離縱向圍堰150 m左右。因此，將一期束窄河段寬度初步定為450 m。與此對(duì)應(yīng)的二期溢流凈寬僅為200 m，是施工期行洪能力的控制工況，且該溢流寬度受一期通航條件及工程量影響不益做大幅度增加。根據(jù)數(shù)模結(jié)論②，應(yīng)優(yōu)化二期縱向圍堰線形來提高束窄河段行洪能力。

2.2 物理模型試驗(yàn)分析

圍堰為土石過水圍堰，擋水標(biāo)準(zhǔn)為兩年一遇洪水流量。并采用該流量研究行洪與通航。

二期由左汊10孔已建泄水閘過流，凈寬為200 m。當(dāng)縱向圍堰設(shè)計(jì)為直線型作為閘墩的一部分時(shí)，閘前形成回流區(qū)（圖5左），水位壅高值為62 cm。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求不超過45 cm。故該方案行洪能力不滿足要求。然后試驗(yàn)增加了20 m、40 m溢流凈寬，壅高值降為：57 cm、52 cm，仍不符合要求?？梢妰H在局部范圍內(nèi)增加溢流寬度是不能有效提高行洪能力的。通過采用增加20 m凈寬并將縱向圍堰改為折線型方法，改善回流（圖5右），壅高值降為42 cm，符合設(shè)計(jì)要求?？梢娫谝缌鲗挾容^小時(shí)，調(diào)整縱向圍堰型式能夠有效降低水位壅高，與數(shù)模結(jié)論相吻合。

圖5 二期不同縱向圍堰線形閘前流場(chǎng)

與二期對(duì)應(yīng)的一期溢流寬度約為420 m，當(dāng)采用直線型縱向圍堰時(shí)，束窄河段形成寬約150 m的回流區(qū)，河床束窄處臨時(shí)航道局部橫流達(dá)到0.8 m/s，不利于船舶航行安全。改為流線型縱向圍堰后，回流區(qū)寬度僅為約70 m寬，局部橫流約0.45 m/s，基本不影響通航。因此，該圍堰布置方案滿足各期行洪與通航要求。

3 結(jié)論

（1）微彎河道主汊漫灘開挖后，施工期影響水位壅高的主要因素之一是束窄河段的過流面積，河床深槽及河道微彎特性對(duì)水位壅高影響較小。

（2）由圍堰造成的回流區(qū)影響通航安全，且在溢流寬度較小時(shí)對(duì)水位壅高影響較大。對(duì)縱向圍堰線形進(jìn)行優(yōu)化可有效降低水位壅高，減小束窄河道橫流。

（3）實(shí)際工程中，行洪與通航相互影響，增加了設(shè)計(jì)難度，因此，可首先采用數(shù)學(xué)模型分析施工進(jìn)度、通航水流條件、臨時(shí)航道工程量及防洪標(biāo)準(zhǔn)等因素對(duì)縱向圍堰位置及圍堰布置型式的影響，初步確定圍堰布置方案，然后利用物理模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化及驗(yàn)證，最終有效地降低設(shè)計(jì)周期與費(fèi)用。

1 郭子嵩.低水頭河床式電站施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討[J].施工組織設(shè)計(jì).1996，(1)：1-7.

2 肖煥雄.施工水力學(xué)[M].北京:水利電力出版社,1992.

3 SL 163.1-95.施工導(dǎo)流模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

4 DL/T 5114-2000.水電水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].