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        青山樞紐改造工程整體布置方案

        2022-04-18 10:59:46林志遠(yuǎn)江詩(shī)群程永舟
        水運(yùn)工程 2022年4期
        關(guān)鍵詞:泄水閘引航道口門(mén)

        劉 領(lǐng),王 能,林志遠(yuǎn),江詩(shī)群,4,程永舟,4

        (1.湖南省湘水集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙410000;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙410008;3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410114;4.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

        泄水建筑物是水利樞紐工程的重要組成部分,其泄流能力和結(jié)構(gòu)布置對(duì)工程中其他水工建筑物的安全使用起著十分重要的作用。胡旭躍等[1]對(duì)水利樞紐引航道及口門(mén)區(qū)通航水流條件進(jìn)行了研究,闡述了引航道及口門(mén)區(qū)水流條件的影響因素。李君濤等[2]為論證和優(yōu)化漢江雅口擬建航運(yùn)樞紐總體布置,對(duì)樞紐泄流能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉達(dá)等[3]基于整體定床模型試驗(yàn),對(duì)飛來(lái)峽水利樞紐船閘通航水流條件進(jìn)行試驗(yàn)研究。鄔年華等[4]基于物理模型試驗(yàn)對(duì)峽江水利樞紐引航道口門(mén)區(qū)水流條件進(jìn)行試驗(yàn)研究,并給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置方案。楊文浩等[5]通過(guò)整體定床物理模型試驗(yàn),對(duì)白石窯水利樞紐引航道布置及通航水流條件進(jìn)行研究,并給出了修改方案。本文對(duì)青山樞紐改建工程進(jìn)行整體物理模型試驗(yàn)研究,對(duì)比分析樞紐現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方案的泄流能力、上游口門(mén)區(qū)水流通航條件變化,提出改造布置優(yōu)化方案。

        1 工程概況

        青山樞紐位于湖南省常德市澧縣境內(nèi),建于20世紀(jì)60年代,為日調(diào)節(jié)水庫(kù),是一個(gè)以提水灌溉為主,兼顧航運(yùn)、發(fā)電等綜合利用的水利工程。澧水在樞紐上游約1.5 km分為兩汊,右汊為澧水干流,左汊繞至臨澧縣新安鎮(zhèn),轉(zhuǎn)向東南向,于芭茅渡與右汊匯合,兩汊之間為洞子坪洲。青山樞紐壩址控制流域面積15 415 km2,多年平均徑流量485 m3/s,水庫(kù)正常蓄水位48.20 m(1985國(guó)家高程系統(tǒng))。見(jiàn)圖1。

        圖1 青山樞紐現(xiàn)狀

        青山樞紐處澧水右汊河道向右彎曲,右汊主壩址處河寬約600 m,從右至左主要建筑物為水輪泵站、100噸級(jí)船閘(已廢棄)、青山電站1(旁側(cè)引水)、中加電站、副壩、20×13 m泄水閘和青山電站2。

        青山樞紐左汊壩址段河道較為順直,河寬約430 m,從左至右主要建筑物為滾水壩、12孔泄水閘、滾水壩。滾水壩采用挑流方式消能;12孔泄水閘凈寬96 m(12×8 m);青山樞紐右汊原船閘為VI級(jí)船閘,由于樞紐的上下水位不銜接,船閘過(guò)船設(shè)施簡(jiǎn)陋、標(biāo)準(zhǔn)低,維護(hù)和管理跟不上,己造成青山船閘事實(shí)上的斷航。

        青山樞紐改造工程保持右汊建筑物不變,拆除左汊現(xiàn)有建筑物,新建1 000噸級(jí)船閘和泄擋水建筑物。本研究通過(guò)整體模型試驗(yàn)研究樞紐整體布置方案,要求改建后泄流能力不低于改造前,且能夠滿足船舶通航要求。

        2 物理模型

        2.1 模型設(shè)計(jì)

        基于幾何相似、重力相似等準(zhǔn)則,結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地大小、模型最小水深要求等,物理模型幾何相似采用1:110正態(tài)比尺,水尺布置及左汊樞紐布置見(jiàn)圖2、3。

        圖2 青山樞紐整體模型及水尺布置

        2.2 模型加糙

        根據(jù)實(shí)測(cè)樞紐河段沿程水位及流量資料,通過(guò)計(jì)算可知樞紐河段綜合糙率為0.031~0.068,其中上游河段綜合糙率大于下游河段、枯水期大于洪水期。

        由于樞紐河段綜合糙率為0.031~0.068,根據(jù)糙率比尺λn=2.189可知,物理模型綜合糙率為0.014~0.031。

        2.3 模型驗(yàn)證

        2.3.1水面線驗(yàn)證

        經(jīng)過(guò)對(duì)模型配糙反復(fù)調(diào)整后,實(shí)測(cè)3級(jí)流量枯水136 m3/s、中水822 m3/s、洪水4 631 m3/s條件下水面線,模型中水水位水面線(左汊)與原型水面線對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4。

        圖4 中水水位驗(yàn)證結(jié)果

        模型沿程水位與實(shí)測(cè)水位基本一致,模型水位與原型水位的偏差均在規(guī)程規(guī)定的山區(qū)河流模型允許偏差0.10 m以內(nèi),滿足模型與原型阻力相似基本要求。

        2.3.2斷面流速驗(yàn)證

        為了保證模型與原型水流運(yùn)動(dòng)相似,模型制作完成后根據(jù)實(shí)際斷面流速分布資料進(jìn)行典型斷面流速分布驗(yàn)證。由于枯水Q=136 m3/s時(shí)原型觀測(cè)流速均小于0.15 m/s,模型流速小于1.43 cm/s,流速儀已無(wú)法測(cè)量,因此只對(duì)中水Q=822 m3/s、洪水Q=4 631 m3/s兩級(jí)流量的斷面流速分布進(jìn)行驗(yàn)證。原型觀測(cè)斷面較多,驗(yàn)證時(shí)選取左汊QCS5、右汊QCS6兩個(gè)典型斷面進(jìn)行驗(yàn)證,中水條件驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5。

        圖5 中水Q=822 m3/s斷面流速分布驗(yàn)證結(jié)果

        由模型斷面流速分布與原型實(shí)測(cè)斷面流速分布對(duì)比可以看出,模型兩級(jí)流量情況下斷面流速分布形態(tài)與原型相似,流速最大偏差絕對(duì)值不超過(guò)15%,滿足試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)要求。

        2.3.3分流比驗(yàn)證

        在進(jìn)行斷面流速分布驗(yàn)證時(shí),觀測(cè)分流前QCS2、左汊QCS5、右汊QCS6共3個(gè)典型斷面流速;通過(guò)計(jì)算斷面流量,斷面QCS2總流量、左汊QCS5流量、右汊QCS6流量與原型值進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,模型洪、中水期汊道分流比與原型接近,左汊流量偏差絕對(duì)值分別為2.56%和1.58%,小于規(guī)程規(guī)定的5%,滿足試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)要求。

        3 整體模型試驗(yàn)工況與方案

        3.1 試驗(yàn)工況

        由于樞紐河段兩岸大堤高程為54~55 m,因此,整體模型試驗(yàn)最大流量只能做到50 a一遇洪水。整體模型泄流能力試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

        表1 泄流能力試驗(yàn)工況

        3.2 研究方案

        該工程主要是改建左汊副壩建筑物及新建船閘,船閘、泄洪建筑改造后,調(diào)整了副壩各建筑物的布置,所涉及到的主要問(wèn)題如下:1)新建泄水建筑物泄流能力;2)施工導(dǎo)流;3)船閘上引航道進(jìn)口通航水流條件。該工程中主要改造對(duì)象為左汊,右汊在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行維護(hù),不做大的改動(dòng),因此以上所涉及的工程問(wèn)題主要在左汊。

        基于所涉及的主要問(wèn)題,進(jìn)行了樞紐現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2共4種工況下的樞紐泄流能力試驗(yàn),分析比較各方案的優(yōu)缺點(diǎn),并給出最優(yōu)布置方案。

        1)設(shè)計(jì)方案樞紐布置。拆除左汊原有副壩,壩軸線下移約300 m,新建船閘1座13孔泄水閘。設(shè)計(jì)方案自左至右建筑物分別為左岸接岸建筑物、船閘和泄水閘,船閘規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m,泄水閘每孔凈寬16 m、堰頂高程42.0 m、閘墩厚2.5 m、凈泄流寬度208 m。同時(shí),設(shè)計(jì)方案對(duì)左汊副壩下游開(kāi)挖到高程38.0 m;航道設(shè)計(jì)寬度60 m,下游航道范圍內(nèi)高程高于37.0 m的范圍開(kāi)挖到37.0 m高程,拆除左汊漫水橋。

        2)優(yōu)化方案1。壩左側(cè)2孔泄水閘改為2孔溢流壩(堰頂高程51.8 m,要求在最大通航流量14 200 m3/s以下不溢流),同時(shí)泄水閘上游開(kāi)挖到41.0 m高程(泄水閘上游由38.0 m高程按照1:20過(guò)渡到41.0 m)。上游導(dǎo)航墻頭部加長(zhǎng)34 m,并向河側(cè)外挑7°,在設(shè)計(jì)方案隔流墩的基礎(chǔ)上增加3個(gè)隔流墩,隔流墩長(zhǎng)度與原設(shè)計(jì)一樣為20 m,將隔流墩間距由原來(lái)的20 m縮小至10 m。其主要目的是使樞紐泄流能力與現(xiàn)狀接近、同時(shí)將左汊主流偏向左汊的中右部位,改善船閘口門(mén)區(qū)通航水流條件。

        3)優(yōu)化方案2。在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上,右汊壩上游2 000 m范圍河底高程疏浚至43 m,減少1孔泄水閘,即泄水閘左側(cè)第1孔改為連接壩段,進(jìn)一步改善通航水流條件。

        4 試驗(yàn)結(jié)果分析

        4.1 水面線對(duì)比與分析

        為綜合比較分析工程前后及各方案泄流能力情況,對(duì)各方案上游水面線及變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2在各級(jí)特征洪水時(shí),模型試驗(yàn)范圍河段上游水面線均下降,圖6為各方案上游水面線對(duì)比。

        圖6 上游水面線對(duì)比

        分析各方案在各級(jí)特征洪水時(shí)上游水面線情況可知:

        1)各方案模型試驗(yàn)范圍上游河段水位與現(xiàn)狀相比均下降,說(shuō)明各方案左汊泄流能力均大于現(xiàn)狀左汊泄流能力,其中設(shè)計(jì)方案泄流能力最大,其次為優(yōu)化方案2。

        2)隨著流量增大,與現(xiàn)狀相比,模型試驗(yàn)范圍上游河段水位下降值減小,在設(shè)計(jì)洪水流量19 100 m3/s時(shí),優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2泄流能力只稍大于現(xiàn)狀泄流能力。主要原因是現(xiàn)狀副壩泄水建筑物由泄水閘與滾水壩組成,在總泄流寬度中滾水壩占72.4%,流量相對(duì)較小時(shí),滾水壩堰上水頭較小、泄流能力小(泄流能力與堰上水頭為1.5次方關(guān)系)。因此,改造方案全部設(shè)計(jì)為泄水閘方案后,在流量相對(duì)較小情況下其泄流能力遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀泄流能力、水位下降較大。

        4.2 上游口門(mén)區(qū)通航條件對(duì)比與分析

        4.2.1原設(shè)計(jì)方案通航條件

        2 a一遇洪水Q=8 910 m3/s情況下,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s,大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s,僅在口門(mén)上游約100 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,最大約0.45 m/s;存在一定安全隱患(圖7)。

        圖7 Q=8 910 m3/s時(shí)上引航道口門(mén)區(qū)局部橫流(單位:m/s)

        流量Q=12 100 m3/s下,口門(mén)區(qū)縱向流速最大值1.8 m/s、橫向流速超過(guò)0.3 m/s,存在安全隱患。上游連接段縱向流速最大不超過(guò)1.94 m/s,滿足通航水流條件要求。

        對(duì)應(yīng)10 a一遇洪水Q=14 200 m3/s情況,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大約1.8 m/s,大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s,在口門(mén)上游約180 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,最大可達(dá)0.55 m/s。上游連接段縱向流速最大不超過(guò)2.01 m/s,滿足通航水流條件要求。

        4.2.2優(yōu)化方案通航條件

        4.2.2.1優(yōu)化方案1

        Q=8 910 m3/s條件下,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s,大部分橫向流速不超過(guò)0.3 m/s;在口門(mén)上游約150~250 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,流速約為0.35 m/s。Q=14 200 m3/s條件下,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大約1.8 m/s,大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s;在口門(mén)上游約180 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,約為0.4m/s??梢?jiàn)兩級(jí)流量下,僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s,滿足航行要求,且優(yōu)于設(shè)計(jì)方案。見(jiàn)圖8。

        圖8 Q=8 910 m3/s時(shí)優(yōu)化方案1口門(mén)區(qū)局部橫流(單位:m/s)

        4.2.2.2優(yōu)化方案2

        Q=8 910 m3/s條件下,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速不超過(guò)1.2 m/s,大部分橫向流速不超過(guò)0.2 m/s,在口門(mén)上游約150~250 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,約為0.25 m/s;Q=14 200 m3/s條件下,上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大約1.4 m/s,大部分水域橫向流速不超過(guò)0.25 m/s,在口門(mén)上游約180 m范圍近引航道右邊線,局部橫向流速較大,最大約0.3 m/s。可見(jiàn)兩級(jí)流量下,僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s。滿足航行要求,且優(yōu)于設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案1。見(jiàn)圖9。

        圖9 Q=8 910 m3/s時(shí)優(yōu)化方案2口門(mén)區(qū)局部橫流(單位:m/s)

        5 結(jié)論

        1)各方案左汊泄流能力,在2 a一遇洪水至50 a一遇洪水期,均大于現(xiàn)狀左汊泄流能力。在流量相對(duì)較小時(shí),各方案左汊泄流能力與現(xiàn)狀左汊泄流能力差異較大,隨著流量增大,在設(shè)計(jì)洪水流量19 100 m3/s時(shí),優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2泄流能力只稍大于現(xiàn)狀泄流能力。

        2)設(shè)計(jì)方案泄流能力雖大于優(yōu)化方案,但設(shè)計(jì)方案施工成本較高,口門(mén)區(qū)通航條件不如優(yōu)化方案,且優(yōu)化方案2口門(mén)區(qū)通航條件優(yōu)于優(yōu)化方案1。

        3)綜合考慮各種因素,考慮副壩泄水建筑物設(shè)計(jì)的一致性、施工的方便性,推薦優(yōu)化方案2作為工程改造布置方案。

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