李茜希，韓昌海，李艷富，楊 宇

(1.南京水利科學(xué)研究院 交通運(yùn)輸部通航建筑物建設(shè)技術(shù)行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水利水電工程砂石料場(chǎng)的類型分為巖石料場(chǎng)和天然砂石料場(chǎng)，而天然砂石料場(chǎng)又包括陸地料場(chǎng)、河灘料場(chǎng)和河床料場(chǎng)。砂石料場(chǎng)的選擇和布置在施工中發(fā)揮極為關(guān)鍵的作用，與工程的質(zhì)量、投資及工期有直接關(guān)系［1］。瀾滄江橄欖壩樞紐附近河床天然礫石具有抗剪強(qiáng)度高，壓縮性強(qiáng)等特點(diǎn)，開(kāi)采工藝要求不高，且運(yùn)輸方便，是很好的筑壩材料，因此確定河床料場(chǎng)是橄欖壩樞紐最佳料場(chǎng)。河床取料場(chǎng)可導(dǎo)致河床地質(zhì)、水文情況發(fā)生很大變化，取料場(chǎng)上游可能會(huì)出現(xiàn)跌水曲線，因此，通過(guò)模型分析取料場(chǎng)對(duì)通航條件影響具有重要意義。本文基于SMS軟件的數(shù)值模擬方法，對(duì)上下游河床有無(wú)采料場(chǎng)的水流流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并通過(guò)1∶50比尺的整體物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析采料場(chǎng)對(duì)水流流場(chǎng)和樞紐通航水流條件的影響。

1 工程概況

橄欖壩梯級(jí)電站是瀾滄江中下游水電規(guī)劃兩庫(kù)八級(jí)中的第七級(jí)，壩址控制流域面積約15.18萬(wàn)km2，多年平均流量1870m3/s。工程采用河床式開(kāi)發(fā)，由攔河壩、泄水建筑物、電站廠房、船閘及過(guò)魚(yú)建筑物組成，最大壩高60.5m，壩頂高程▽558 m，壩頂總長(zhǎng)458 m，樞紐建筑物按“一”字型布置，為Ⅱ等大(2)型工程。通航建筑物為單線單級(jí)船閘，船閘級(jí)別Ⅳ級(jí)，布置在右岸，上游引航道主導(dǎo)航墻長(zhǎng)約250m，下游引航道主導(dǎo)航墻長(zhǎng)約323m。設(shè)計(jì)最大通航流量8640m3/s，最小通航流量504 m3/s。樞紐上下游取料場(chǎng)沿河道左岸布置為不規(guī)則多邊形。上游采料場(chǎng)最大寬度97m，長(zhǎng)500m，開(kāi)挖面積70500m2，開(kāi)挖深度15m，距上游引航道最短距離100m;下游采料場(chǎng)最大寬度150m，長(zhǎng)870m，開(kāi)挖面積106300m2，開(kāi)挖深度15m，距下游引航道最短距離33m，如圖1所示。

圖1 橄欖壩樞紐及取料坑布置Fig.1 General layout of Ganlanba hydropower complex

2 基于SMS軟件的數(shù)值模擬方法

本次工程所在區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算采用SMS中的RMA2模塊。RMA2為平面二維有限元水動(dòng)力分析模型，該模塊是計(jì)算非恒定流、恒定流條件下水位和二維流速的通用模塊。RMA2模塊是以雷諾形式Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，以加權(quán)余量伽遼金有限元為基本求解方法［2］，計(jì)算出整個(gè)研究區(qū)域的水位，流量及二維流速。其基本控制方程采用沿水深積分的二維連續(xù)方程和動(dòng)量，形式如下［3－4］:

連續(xù)方程:

x，y方向動(dòng)量方程:

式中:h為水深;u，v分別為x，y方向流速;g為重力加速度;ρ為水的密度;E為渦黏系數(shù);z為河床高程;n為曼寧系數(shù);ζ為風(fēng)應(yīng)力系數(shù);Vα為風(fēng)速;ψ為風(fēng)向;ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為緯度。

根據(jù)所研究問(wèn)題確定模型為樞紐壩址上下游局部模型，上、下游模擬長(zhǎng)度應(yīng)包括壩址石料場(chǎng)開(kāi)采范圍，不影響工作段流態(tài)和上、下游引航道口門區(qū)流態(tài)的范圍，最終確定上游模型范圍為從壩軸線以上1.0km，下游模型范圍為從壩軸線以下1.5km。上、下游計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。橄欖壩樞紐的入流和出流邊界為開(kāi)邊界，陸地邊界為閉邊界，出口邊界條件由天然情況下壩址處水位流量關(guān)系確定。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Calculation grids of a tidal current model

3 模型驗(yàn)證

水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型能否準(zhǔn)確反映水流的各項(xiàng)特性，主要取決于該數(shù)學(xué)模型所得的水位和流速與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否吻合。水位驗(yàn)證采用流量4870和8640m3/s兩個(gè)工況計(jì)算值與物理模型進(jìn)行比較(表1);而流速驗(yàn)證將流量8640m3/s上下游采料場(chǎng)均保留時(shí)，上游口門區(qū)、距上游口門150m、下游口門區(qū)、距下游口門150m共4個(gè)斷面的物理模型(1∶50實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))與數(shù)學(xué)模型(計(jì)算數(shù)據(jù))相比較(圖3)。其結(jié)果表明:計(jì)算水位與實(shí)測(cè)值差別較小，最大誤差為0.06m;大部分計(jì)算水面流速與實(shí)測(cè)值能夠吻合，部分有一定差異，尤其是下游主流流速誤差稍大，這是因?yàn)橄掠稳肓鲾嗝嫔辖o定的是流速均勻分布的邊界條件，與實(shí)際流速分布有一定差距［5］，但仍在合理范圍內(nèi)。因此該數(shù)學(xué)模型適用于橄欖壩樞紐的水流流場(chǎng)數(shù)值模擬。

表1 水位驗(yàn)證Tab.1 Verification results of water level

圖3 流量8640m3/s流速驗(yàn)證Fig.3 Verification of velocity for discharge of 8640m3/s

4 取料場(chǎng)對(duì)通航水流條件影響分析

通航水流條件主要是指:水流的表面流速、流態(tài)。水流條件影響船舶運(yùn)動(dòng)形態(tài)，轉(zhuǎn)舵、剎車等操作的效果。若表面流速過(guò)大，上行船舶(隊(duì))的推力將不能克服逆流阻力而上行;下行船舶(隊(duì))的舵效也難以發(fā)揮，造成船舶操縱困難［6］。開(kāi)采取料場(chǎng)可能會(huì)對(duì)通航水流條件產(chǎn)生重大影響。根據(jù)船閘設(shè)計(jì)通航要求，Ⅳ級(jí)航道上下游引航道口門區(qū)的流速應(yīng)滿足:口門區(qū)水流條件控制指標(biāo):縱向流速≤2.0m/s，橫向流速≤0.3m/s，回流流速≤0.4 m/s［7］。橄欖壩梯級(jí)電站主要承擔(dān)反調(diào)節(jié)、通航、發(fā)電任務(wù)，設(shè)計(jì)最低通航流量為504 m3/s，最大通航流量為8640m3/s，當(dāng)來(lái)流量超過(guò)8640m3/s時(shí)，泄水閘閘門敞開(kāi)泄洪，基本恢復(fù)天然行洪，河道不再通航，因此數(shù)學(xué)模型選用504，2625.5，4870和8640m3/s 4個(gè)典型流量進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 上游有無(wú)采料場(chǎng)對(duì)比分析

圖4對(duì)比了流量8640m3/s閘門敞泄情況下上游有無(wú)采料場(chǎng)的水流流態(tài)，由圖可知，上游取料場(chǎng)存在與否對(duì)主流流向、口門區(qū)回流范圍大小無(wú)大的影響。圖5對(duì)比了流量8640m3/s閘門敞泄情況下，上游有無(wú)采料場(chǎng)時(shí)口門附近斷面流速變化規(guī)律，由于取料場(chǎng)的存在使有效過(guò)水面積增大，斷面流速會(huì)有所降低，但變化幅度不大。

圖4 流量8640m3/s上游流態(tài)Fig.4 Flow fields of 8640m3/s

圖5 流量8640m3/s時(shí)上游有無(wú)采料場(chǎng)口門附近斷面流速變化Fig.5 Velocity variation of entrance area and nearby area

4.2 下游有無(wú)取料坑對(duì)比分析

本文對(duì)比分析了閘門敞泄時(shí)流量504和8640m3/s兩種工況有無(wú)取料場(chǎng)時(shí)口門附近水面比降，其結(jié)果表明:口門區(qū)及其及連接段附近水面比降不大，不同工況有無(wú)取料場(chǎng)變化均不明顯，取料場(chǎng)開(kāi)挖前后口門區(qū)及連接段水面平順，對(duì)通航?jīng)]有不利影響。

口門區(qū)及連接段位于引航道靜水與河道動(dòng)水的交界處，受引航道邊界的影響，河道在下口門區(qū)過(guò)水?dāng)嗝嫱貙?，?dǎo)致河道水流擴(kuò)散，形成斜向水流［8］，斜向水流的橫向流速分量過(guò)大會(huì)使航行船舶(隊(duì))產(chǎn)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，威脅船舶(隊(duì))安全進(jìn)出引航道，從而造成礙航或斷航［9］，斜流長(zhǎng)期沖擊淘蝕河岸，可能會(huì)影響河岸邊坡穩(wěn)定。圖6對(duì)比了流量504，2615，4870和8640m3/s共4個(gè)工況閘門敞泄情況下下游有無(wú)采料場(chǎng)的水流流態(tài)。結(jié)果表明，無(wú)采料場(chǎng)時(shí)口門區(qū)出口處斜流偏向右岸，4種流量工況下，最大斜流流速分別約0.6，1.4，2.3 和3.0m/s。

各級(jí)流量下有無(wú)采料場(chǎng)流速變化情況詳見(jiàn)表2。由于下游采料場(chǎng)都具有較大規(guī)模(最大寬度150m，長(zhǎng)度870m，開(kāi)挖面積106300m2，開(kāi)挖深度15m)，明顯改變河道的地形條件，降低了部分河床高程，增大了水流有效過(guò)水面積，致使整個(gè)斷面流速稍有降低，各工況下游口門區(qū)回流范圍有所縮小，橫向流速略微減小。以上由采料場(chǎng)引發(fā)的水流條件變化有利于船舶航行。有采料場(chǎng)時(shí)拓寬了主河道水流過(guò)水?dāng)嗝娓叱?，使得水流主流偏向主河道方向，故采料?chǎng)對(duì)水流表現(xiàn)出一定的吸附作用;無(wú)采料場(chǎng)各工況下口門區(qū)及其附近水流較為平順，僅在中、大流量(流量4870和8640m3/s)時(shí)存在較小范圍的回流，這主要是由下游引航道以及河道右岸邊界條件變化引起的;而有采料場(chǎng)時(shí)流量4870和8640m3/s兩個(gè)工況在距離口門區(qū)330m左右的河岸右側(cè)形成明顯回流，回流位置下移，回流范圍及強(qiáng)度均隨流量的增大而增大，減少了河道右岸的沖刷。這是由于采料場(chǎng)存在時(shí)，采料場(chǎng)進(jìn)口斷面水流發(fā)生局部擴(kuò)散，會(huì)產(chǎn)生水流分離現(xiàn)象。在水流分離面上出現(xiàn)摩擦力，在摩擦力作用下，分離面水體隨主流一起向下游運(yùn)動(dòng)，為了填補(bǔ)留下來(lái)的空隙，岸邊附近的水體必將流進(jìn)來(lái)補(bǔ)充，由此將主流方向引向主河道而在岸邊附近形成一個(gè)封閉的水流系統(tǒng)即回流［10］，此時(shí)的回流主要控制因素為采料場(chǎng)的邊界條件。

圖6 各流量下游有無(wú)取料場(chǎng)水流流態(tài)Fig.6 Downstream flow fields with and without material excavating field

表2 各級(jí)流量下流速對(duì)比Tab.2 Comparison of velocities of entrance area under different discharges

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于流體計(jì)算軟件SMS，以橄欖壩樞紐為例，模擬其上下游河道有無(wú)采料場(chǎng)所引起的流態(tài)、流速分布變化，結(jié)果表明:

(1)有無(wú)采料場(chǎng)對(duì)上下游口門區(qū)通航水流條件有一定影響，但對(duì)上游影響較小，對(duì)下游影響較為明顯;其影響主要體現(xiàn)在口門區(qū)流速、流態(tài)變化，而水面比降變化不大。

(2)有無(wú)上游采料場(chǎng)對(duì)主流流向、口門區(qū)回流范圍大小沒(méi)有明顯影響，斷面流速有所降低。

(3)下游采料場(chǎng)對(duì)下游口門區(qū)流態(tài)有一定調(diào)整作用，具體表現(xiàn)在:使主流向左岸偏離;流量較大時(shí)在距離口門區(qū)330m左右的河岸右側(cè)形成回流;減小口門區(qū)回流范圍，平順口門區(qū)水流;口門區(qū)橫向流速略微減小，有利于船舶航行。

(4)橄欖壩樞紐河床取料對(duì)通航有利，從通航角度考慮此方案可行。

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