楊 娟,黃 靖,程開宇

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310014)

1 項(xiàng)目概況

1.1 河道概況

錢塘江是浙江省第一大河,北源新安江發(fā)源于安徽省休寧縣西南皖、贛兩省交界的懷玉山脈主峰六股尖東坡,南源蘭江發(fā)源于安徽省休寧縣南部的青芝埭尖北坡,南北兩源蘭江和新安江在建德市梅城匯合后稱為富春江,下界在與浦陽(yáng)江匯合的三江口處,三江口以下稱為錢塘江,錢塘江于寧波市鎮(zhèn)海區(qū)外游山和上海市南匯蘆潮港連線斷面匯入東海,干流全長(zhǎng)668 km,流域面積55 558 km2。

1.2 工程概況

富春江船閘位于富春江水電站及其下游。富春江船閘原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100噸級(jí)單級(jí)雙向運(yùn)行船閘,設(shè)計(jì)最低通航流量為130 m3/s,船閘最大過(guò)閘能力為80萬(wàn)t/a。由于航道下切、船閘下游人字門內(nèi)外側(cè)水位平衡困難等原因,航運(yùn)通航要求流量高達(dá)750 m3/s,船閘開閘運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。目前船閘運(yùn)行僅2次/d,年貨運(yùn)量受到限制,制約了錢塘江中上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,解決富春江航運(yùn)“瓶頸” 問(wèn)題,實(shí)施富春江船閘改造工程已迫在眉睫[1]。

根據(jù)《浙江省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》,擬建富春江船閘按Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),兼顧1 000噸級(jí)船舶的過(guò)閘要求。為此,提出了對(duì)富春江水電站船閘擴(kuò)建改造的方案[2-3]。

船閘擴(kuò)建改造工程方案為:保留原有船閘,在其下游重新建造1座Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)船閘,原有船閘作為上游引航渠道,新建船閘布置在右岸岸坡,上閘首與原有船閘下閘首緊密相連,新建船閘總長(zhǎng)356 m,閘室為300 m×23 m×4.5 m(閘室長(zhǎng)×寬×門檻水深);船閘下游導(dǎo)航墻總長(zhǎng)375 m,其中直線段長(zhǎng)160 m,頂高程15 m;在導(dǎo)航段下游布置長(zhǎng)300 m的停泊靠船段。船閘擴(kuò)建改造工程設(shè)計(jì)方案見圖1[4]。現(xiàn)狀樞紐下游河道有唐家洲江心島,其左側(cè)為主河道,右側(cè)為通航河道,在汛期左右河道共同參與行洪。船閘工程擴(kuò)建后,下游引航道延長(zhǎng)與唐家洲江心島相連,且為滿足航道防洪要求,導(dǎo)航墻高度由原10.0 m增加至15.0 m。

圖1 船閘擴(kuò)建改造工程設(shè)計(jì)方案示意圖

2 船閘擴(kuò)建改造工程影響分析

船閘擴(kuò)建改造后占用富春江電站下游河道過(guò)水面積,必然對(duì)電站下游河道水位、流速、流態(tài)等造成影響,從而對(duì)富春江電廠發(fā)電、大壩廠房安全、航道運(yùn)行安全以及下游河道堤防防洪安全造成影響,因此有必要對(duì)船閘擴(kuò)建改造工程影響進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型

本文采用MIKE21C二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型具體分析船閘擴(kuò)建改造后下游河道水位、流速、流態(tài)變化。MIKE21C是丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研制的,經(jīng)國(guó)內(nèi)外諸多工程的實(shí)際應(yīng)用,證明其精度高、守恒性好,使用方便,尤其適合內(nèi)河水動(dòng)力環(huán)境的研究。MIKE21C基于貼體坐標(biāo)系的有限差分法,可以較好的模擬不規(guī)則邊界?？刂品匠屉x散時(shí),變量在網(wǎng)格上采用交錯(cuò)布置,水位定義在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,單寬流量定義在各自方向的相鄰網(wǎng)格的中部,采用交替方向隱格式 (ADI)求解方程,方程矩陣采用雙消除法 (Double Sweep)求解,該格式具有二階精度。

2.2 計(jì)算條件與參數(shù)

二維模擬的范圍為壩址下游—航道疏浚末端桐廬分水江口的河道,計(jì)算范圍河道總長(zhǎng)度約11 km,計(jì)算范圍內(nèi)包括4座橋梁 (杭新景高速公路富春江大橋、渡濟(jì)大橋、富春江大橋以及富春江二橋),橋梁斷面網(wǎng)格采用局部加密方法,直接模擬橋墩。計(jì)算采用的地形資料由1∶1 000地形圖及1∶500地形圖拼接而成。

趙三倉(cāng)皇著臉回來(lái)，王婆沒(méi)有理他走向后面柴堆那兒。柴草不似每年，那是燒空了！在一片平地上稀疏地生著馬蛇菜。她開始掘地洞；聽村狗狂咬，她有些心慌意亂，把鐮刀頭插進(jìn)土去無(wú)力拔出。她好像要倒落一般：全身受著什么壓迫要把肉體解散了一般。過(guò)了一刻難忍昏迷的時(shí)間，她跑去呼喚她的老同伴?？墒钱?dāng)走到房門又急轉(zhuǎn)回來(lái)，她想起別人的訓(xùn)告：

為具體研究船閘擴(kuò)建改造后對(duì)電廠廠房、大壩防洪安全、兩岸堤防安全等的影響,主要計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)頻率洪水流量下水文情勢(shì)變化。二維數(shù)值模型上邊界采用流量峰值,清渚港、分水江為支流入流,下邊界采用桐廬水文站相應(yīng)設(shè)計(jì)水位。上下邊界設(shè)置見表1[5]。

表1 二維模型邊界情況表

計(jì)算域采用正交曲線網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格步長(zhǎng)×方向網(wǎng)格步長(zhǎng)最小為2m,最大步長(zhǎng)約為15 m,y方向步長(zhǎng)最小為5 m,最大約為30 m。計(jì)算網(wǎng)格平面圖見圖2(由于網(wǎng)格太密,圖中1個(gè)網(wǎng)格代表模擬中的4個(gè)網(wǎng)格)。

為保證模型計(jì)算的連續(xù)性,采用 “干濕判別”來(lái)確定計(jì)算區(qū)域由于水位漲落產(chǎn)生的動(dòng)邊界。當(dāng)計(jì)算區(qū)域水深小于0.2 m時(shí),記為“干”,不參予計(jì)算;當(dāng)水深大于0.3 m時(shí),記為 “濕”,重新參予計(jì)算。根據(jù)Smagorinsky公式確定渦黏系數(shù),Cs取為0.25。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖 單位:m

圖3 測(cè)流點(diǎn)位置示意圖

2.3 驗(yàn)證計(jì)算

2008年7月11日上午,富春江電廠發(fā)電流量約500 m3/s。在富春江大壩下游1.3 km河道范圍內(nèi)分別測(cè)了25點(diǎn)水面流速。測(cè)流方法為流速儀法,測(cè)點(diǎn)位置見圖3,驗(yàn)證結(jié)果見表2。

1997年7月9日和1955年6月22日是建國(guó)以來(lái)發(fā)生的兩次特大洪水,其中1997年7月洪水,富春江出庫(kù)流量為14 800 m3/s(介于10%～20%),桐廬站最高水位13.32 m,其間歷史調(diào)查洪痕位于壩下1 332 m及壩下4 665 m,選其作為初步實(shí)測(cè)水面線進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)測(cè)水位分別為15.09,14.24 m,計(jì)算水位為15.04,14.34 m,計(jì)算與實(shí)測(cè)吻合較好。另外,計(jì)算過(guò)程中,糙率系數(shù)再根據(jù)已有的壩下水位流量調(diào)整,不同流量級(jí)采用不同系數(shù),保證壩下水位計(jì)算成果的代表性。率定結(jié)果見表3。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好,本模型滿足精度要求,可以用于工況計(jì)算。

表2 流速驗(yàn)證結(jié)果表m/s

表3 二維模型驗(yàn)證表 (壩下水位) m

2.4 船閘擴(kuò)建改造影響分析

2.4.1 壩下水位影響

現(xiàn)狀工況下,河道左側(cè)主河道和右側(cè)航道之間的水位差不明顯。船閘工程擴(kuò)建改造后,左側(cè)主河道和右側(cè)航道之間的水位差明顯。主要由于擴(kuò)建后新建導(dǎo)航墻的擋水作用,進(jìn)入右側(cè)航道的水量減少,航道水位受下游控制,水位比左側(cè)主河道要低。

壩下溢洪道側(cè)和廠房側(cè)各設(shè)計(jì)頻率現(xiàn)狀水位及水位壅高值見表4,分布圖見圖4(a)(以10 a一遇洪水為例)。與現(xiàn)狀工況相比較,船閘工程擴(kuò)建改造后,壩下水位壅高最大,最大值出現(xiàn)在10%洪水流量下,溢洪道側(cè)、廠房側(cè)壅高值平均值分別為0.67,0.58 m。至0.10%洪水,溢洪道側(cè)水位壅高值為0.55 m。

可見,船閘擴(kuò)建改造,占用下游近1/3河道,造成泄洪時(shí)壩下水位升高,特別是溢洪道側(cè)水位壅高值會(huì)降低溢洪道泄流量,對(duì)大壩安全產(chǎn)生影響,同時(shí),水位的壅高也將對(duì)電廠發(fā)電造成影響。

表4 壩下溢洪道側(cè)和廠房側(cè)各設(shè)計(jì)頻率水位壅高值表 m

圖4 10%洪水水位變化分布圖

2.4.2 流速影響

現(xiàn)狀流場(chǎng)分布圖見圖5(a)(以20%洪水為例)?，F(xiàn)狀工況下,遭遇20%洪水,主河道最大平均流速為2.91 m/s,發(fā)生在壩下1 332 m附近。右側(cè)航道內(nèi)流速最大平均流速為2.26 m/s,發(fā)生在壩下1 845m附近,流速超過(guò)2.0 m/s,對(duì)航行不利。且在遭遇50%、33%洪水時(shí)航道側(cè)流速最大值分別為1.94,2.16 m/s。

圖5 20%洪水流場(chǎng)分布圖

船閘工程擴(kuò)建改造后見圖5(b),當(dāng)遭遇50%、33%和20%洪水時(shí)右側(cè)航道內(nèi)水流流速較小,在壩下3 000 m范圍內(nèi)水流流速最大值分別為0.41,0.46,0.48 m/s均不超過(guò)1 m/s,有利于船舶航行。且船閘下閘首至下游800 m范圍內(nèi),處于靜水區(qū)。主河道內(nèi)流速較大,最大流速分別為3.31,3.56,3.75 m/s,發(fā)生在壩下1 332 m附近。遭遇2%及以上洪水時(shí),水流將漫過(guò)唐家洲,左右側(cè)河道形成一個(gè)整體。

船閘擴(kuò)建改造后,流速變化見圖6(a)。從大壩至壩下400 m范圍內(nèi)流速略有所減小,主要是因?yàn)閴蜗掠螖U(kuò)建工程造成壩下水位壅高,此處流速略有降低。自壩下400 m至壩下4 500 m范圍內(nèi),表現(xiàn)為左側(cè)主河道流速增加,右側(cè)航道內(nèi)流速減小,隨著洪水流量的增加,河道內(nèi)流速增加和減小的幅度也在增加。遭遇50%、33%、20%洪水,主河道流速增加最大分別為0.79,0.82,0.84 m/s,發(fā)生在壩下1 332 m附近;航道側(cè)流速減小平均值分別為1.65,1.97,1.90 m/s,發(fā)生在壩下1 332 m航道斷面附近。工程后壩下3 000m以下河道流速變化不大,可以說(shuō)工程的擴(kuò)建對(duì)其影響不大。

2.4.3 分流比影響

從表5中可以看出船閘工程擴(kuò)建改造后,右側(cè)航道內(nèi)分流明顯減少,當(dāng)遭遇50%洪水時(shí),工程實(shí)施后右側(cè)航道分流較現(xiàn)狀降低21%。隨著流量的增加工程后右側(cè)河道分流比略有增加。當(dāng)遭遇50 a一遇及以上洪水時(shí),水流均漫過(guò)沙洲,不再分析分流比問(wèn)題。

圖6 20%洪水流速變化分布圖

表5 工程前后左側(cè)河道和右側(cè)航道分流比變化表%

綜上分析,船閘工程擴(kuò)建改造后,占用下游部分行洪斷面,同時(shí)由于下游導(dǎo)航墻的阻擋作用,使得河道右汊分流比減小,左側(cè)主河道分流量增加;壩下及其以下河道水位升高;左側(cè)主河道流速增加,對(duì)富春江大壩、廠房安全、發(fā)電尾水位以及下游河道防洪安全造成影響。需要采取一定的措施,降低影響。

2.4.4 改造措施影響分析

現(xiàn)狀樞紐下游河道有唐家洲江心島,其左側(cè)為主河道,右側(cè)為通航河道,汛期時(shí)均參與行洪。通過(guò)對(duì)船閘擴(kuò)建后工程影響分析,河道原有行洪斷面減少為造成河道水文情勢(shì)變化的主要原因,因此考慮在船閘擴(kuò)建改造的基礎(chǔ)上增加左側(cè)主河道的切灘疏浚,以增加行洪斷面;同時(shí)考慮環(huán)境影響,適當(dāng)減少切灘疏浚量,在新建導(dǎo)航墻與沙洲交界處預(yù)留行洪渠道,增加右側(cè)航道分流量,行洪渠道寬45 m,底高程5 m;另外,為滿足大洪水(20%以上流量)泄洪要求,壩下650 m處設(shè)置泄洪閘,20%以上流量洪水泄洪閘開閘放水,洪水分流進(jìn)入右側(cè)航道。

改造措施實(shí)施后,河道水位壅高值見表4,水位壅高值分布見圖4。從表4中可以看出,50.00%、33.33%和20.00%洪水為保證通航,閘門不開啟,主河道疏浚和行洪渠道措施有效的降低了壩下水位。超過(guò)20%洪水泄洪閘開啟,10%洪水壩下水位下降明顯,相比于船閘擴(kuò)建工程工況,平均壅高值降低0.46 m?？梢娦购殚l的開啟能有效降低壩下水位壅高。

改造措施后,當(dāng)遭遇50%、33%和20%洪水時(shí)右側(cè)航道內(nèi)水流流速較小,見圖5(b)。壩下3 000 m范圍內(nèi)水流流速最大平均值分別為0.53,0.55,0.69 m/s,船閘下閘首至下游800 m范圍內(nèi)基本處于靜水區(qū),有利于船舶行使[8]。導(dǎo)航墻出口處,有一定的橫流,至航道中心橫向流速小于0.3m/s[8],可以保證航行安全。采取了主河道切灘疏浚,設(shè)置閘門及預(yù)留行洪渠道措施,增加了河道過(guò)洪斷面,相比船閘擴(kuò)建工況左側(cè)主河道流速減小,降低主河道沖刷強(qiáng)度。

改造措施下,靠預(yù)留的行洪渠道進(jìn)入右側(cè)航道的洪水流量有所增加但增加量有限,當(dāng)遭遇洪水時(shí),河道過(guò)洪斷面仍小于現(xiàn)狀工況。當(dāng)遭遇50%、33%和20%洪水時(shí)右側(cè)航道分流比分別為7%、10%、10%,小于現(xiàn)狀工況,但相比船閘擴(kuò)建工況有所增加;當(dāng)遭遇10%以上洪水時(shí),泄洪閘閘門開啟,右側(cè)航道分流增加至18%,有利地增加了右側(cè)航道的行洪能力。

采取措施后,預(yù)留泄洪道和設(shè)置泄洪閘,可以增加右側(cè)航道的分流,對(duì)行洪安全有利,并且左側(cè)主河道切灘疏浚,增加了河道行洪斷面面積,降低了壩下左側(cè)主河道流速,有效降低了壩下水位。

3 結(jié) 論

(1)本文應(yīng)用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,研究了富春江船閘擴(kuò)建改造工程引起的壩下水位、流速及流場(chǎng)變化。以實(shí)測(cè)流速及1997年洪水做驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合良好。以多年實(shí)測(cè)壩下水位流量關(guān)系曲線核定糙率參數(shù),適當(dāng)調(diào)整不同流量級(jí)洪水的計(jì)算參數(shù)值,保證計(jì)算成果的代表性。

(2)通過(guò)數(shù)模計(jì)算分析,現(xiàn)狀工況下,遭遇20%洪水,右側(cè)航道內(nèi)流速最大平均流速為2.26 m/s,流速超過(guò)2.00 m/s,對(duì)航行不利。遭遇2%及以上洪水,水流將漫過(guò)唐家洲,左右側(cè)河道形成一個(gè)整體。數(shù)模成果較好的模擬現(xiàn)狀河道水文情勢(shì)。

(3)經(jīng)數(shù)學(xué)模型成果分析,船閘擴(kuò)建工程后,壩下3 000m范圍航道內(nèi)水流流速最大值為0.48 m/s,有利于船舶閘停靠及航行。但是由于船閘工程擴(kuò)建改造占用下游河道行洪斷面,壩下水位抬高,左側(cè)主河道流速增加,航道內(nèi)分流比減小,對(duì)大壩安全、電廠發(fā)電、下游防洪產(chǎn)生較大影響。

(4)文中通過(guò)對(duì)影響結(jié)果分析,提出增加主河道的切灘疏浚,預(yù)留行洪渠道,設(shè)置泄洪閘工程措施,通過(guò)數(shù)模分析,水流流態(tài)穩(wěn)定,可保證通航,改造措施有效地降低了壩下河道水位,主河道流速及航道內(nèi)分流比。有效降低船閘擴(kuò)建改造對(duì)電廠發(fā)電、大壩安全及下游防洪安全的影響。

工程實(shí)施將會(huì)引起工程段的流場(chǎng)變化,從而引起河床的沖淤變化,這部分內(nèi)容有待下一步補(bǔ)充與完善。

[1]程開宇,陳雪良,劉光保.二維水動(dòng)力模型在富春江電站下游航道水文分析中的應(yīng)用 [R].杭州:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2007.

[2]金國(guó)強(qiáng),董志軍.富春江航電樞紐通航瓶頸改造方案探討[J].水運(yùn)工程,2008(11):160-162.

[3]曹一中,張公略.富春江船閘擴(kuò)建改造工程總體布置方案[J].水運(yùn)工程,2009(9):136-141.

[4]浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程船閘總體設(shè)計(jì)方案 [R].杭州:浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2008.

[5]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程水文分析報(bào)告 [R].杭州:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

[7]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程防洪影響評(píng)價(jià)報(bào)告 [R].杭州:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

[8]董志俊,李君濤,郝媛媛.富春江船閘擴(kuò)建改造工程平面布置優(yōu)化研究 [J].水道港口,2009(10):357-360.