水口水電站水位治理工程研究
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模型概況
根據(jù)工程的規(guī)模與試驗的特點，確定模型比尺采用100L的正態(tài)模型，模型設(shè)計按重力相似準則設(shè)計。模型各項比尺要素為：流速比尺10，流量比尺100000Q，時間比尺10t，河床糙率比尺10n。通過驗證試驗對河道糙率進行適當調(diào)整，使得模型達到了阻力相似的要求。
原方案上引航道通航水流條件
試驗觀測了1530～16900m3/s共6級流量下的上引航道的水流流速及流態(tài)情況，在小流量時水流條件較好，基本滿足安全通航的要求，但隨流量增大，水流條件變差，船舶通航安全難以保證。當流量較小時（Q=1530m3/s），壩前水位與工程未實施相比壅高較多，上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn)、流速小，通航及停泊水流條件均較好。但由于靠船墩和調(diào)順段均無隔流建筑物，隨著上游來流量增大，越來越多的水流由引航道內(nèi)從停泊段和調(diào)順段流入河道，在引航道內(nèi)出現(xiàn)了較強的斜向流。在Q=2550m3/s時，調(diào)順段水流條件指標已超出規(guī)范要求，隨流量的增大其水流條件進一步變差。另外，航道內(nèi)有一部分水流透過靠船墩之間的空隙流出航道，流量較大時，在停泊段局部區(qū)域出現(xiàn)明顯漩渦水流，其范圍隨流量增大而增大，特別是左側(cè)停泊段，停泊條件很差。當水口下泄流量Q≥7000m3/s時流速指標也超出了規(guī)范要求。由試驗結(jié)果看出，原布置方案中存在的主要問題是：調(diào)順段及停泊段的通航水流條件差。由于沒有隔流墻的阻擋，進入航道的水流直接從調(diào)順段斜向流出，在調(diào)順段產(chǎn)生了較大的縱橫流和回流，造成調(diào)順段通航水流條件惡劣，即使在較小流量下，其最大縱橫向流速依然超出規(guī)范要求。另外相當一部分水流從靠船墩的間隙中流出，在停泊段產(chǎn)生了較大的橫流，又由于靠船墩的擾流作用，使得左側(cè)靠船墩附近區(qū)域在稍大流量時，水流流態(tài)紊亂、停泊條件差。
優(yōu)化方案Ⅰ上引航道試驗研究
1優(yōu)化方案Ⅰ上引航道布置
原設(shè)計方案中上引航道通航的主要限制條件是調(diào)順段水流條件和停泊段的停泊條件，為此優(yōu)化方案Ⅰ在調(diào)順段增設(shè)隔流墻、在停泊段的靠船墩上懸掛隔流板，消除河道水流對引航道內(nèi)通航的影響。為了減小引航道口門區(qū)橫向流速，靠船墩間的隔流板底端距河底保留一定距離，形成透水孔洞，根據(jù)理論分析計算，布設(shè)了9個透水孔，為使引航道內(nèi)水流平穩(wěn)漸進變化，沿水流方向透水孔高度逐漸降低（圖2）。
2優(yōu)化方案Ⅰ的上引航道通航水流條件
對通航建筑實施優(yōu)化后，河道的水流波動與流速大小不再影響引航道內(nèi)的通航水流條件；隔流板底部設(shè)置透水孔后，既能減少通航建筑物對水流的頂托、降低口門區(qū)橫向流速[7]，同時流入引航道內(nèi)的水流由隔流板底部的透水孔流向河道，又能減少水流對表面流態(tài)的不利影響，可有效的改善引航道內(nèi)的停泊條件。通過模型試驗看出，對引航道建筑物設(shè)計實施優(yōu)化后，上引航道內(nèi)及口門區(qū)的流速、流態(tài)在相同流量下較原方案有了明顯改善。在流量較小時，上引航道內(nèi)及口門區(qū)水流平穩(wěn)，調(diào)順段基本為靜水。隨著流量的增大，調(diào)順段并未受較大影響，仍保持了較好的通航水流條件。各級典型流量下，調(diào)順段水流條件均滿足通航要求。停泊段獨立靠船墩之間采取增加隔流板的工程措施后，航道內(nèi)的水流透過靠船墩間的底孔流入河道，相比原方案，通過停泊段流出引航道的水流大幅降低，引航道內(nèi)的縱橫流速也隨之減小。同時大大消除了靠船墩附近的不良流態(tài)，改善引航道的停泊條件，有效地提升通航建筑物的最大通航流量。由表1可以看出，優(yōu)化方案Ⅰ調(diào)順段水流條件能滿足通航要求，引航道內(nèi)的停泊段停泊條件亦得到改善，但水口電站下泄流量Q>10000m3/s后，僅內(nèi)側(cè)（岸側(cè)）引航道的停泊條件滿足要求，而且口門區(qū)水流條件也較差。若要保證通航建筑物在最大通航流量Q=16900m3/s時滿足安全通航要求，需采取進一步的工程優(yōu)化措施來改善停泊段及口門區(qū)的水流條件。
優(yōu)化方案Ⅱ上引航道試驗研究
1優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道布置
為改善引航道內(nèi)的水流條件，優(yōu)化方案Ⅱ?qū)⒏袅鲯彀鍙目看涨岸讼蛏嫌窝娱L215m、透水孔設(shè)置位置亦上移同樣的距離，透水孔的大小與變化規(guī)律同優(yōu)化方案Ⅰ，為降低大流量下口門區(qū)橫向流速的大小，延長段隔流掛板的頂高程降低3m，由17.00m降至14.00m，船閘上引航道其余布置同優(yōu)化方案Ⅰ（圖3）。
2優(yōu)化方案Ⅱ上游引航道水流條件
模型試驗顯示，引航道隔流掛板向上游延伸后，引航道內(nèi)的靜水范圍亦向上游推移約200m，引航道內(nèi)水流流態(tài)更加平穩(wěn)，在來流量Q≤16900m3/s下，引航道內(nèi)的全部靠船泊位的水流條件均滿足規(guī)范要求。由于隔流建筑物延伸段高程由17.00m降低至14.00m，當來流量Q>10000m3/s后，部分來流量開始由隔流建筑物頂部溢出流入河道，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態(tài)。同時進入引航道內(nèi)的水流全部由延伸段隔流掛板的底部透水孔和板頂缺口溢出，停泊段內(nèi)除受上游段水流運動慣性影響存在回流外，水面基本靜止，水流條件滿足正常停泊要求，具體數(shù)據(jù)見表2。
結(jié)語
1）無閘溢流壩上游引航道水流條件較差，來流量對安全通航影響明顯，若采用獨立靠船墩結(jié)構(gòu)，停泊條件難于滿足規(guī)范要求；同時，在調(diào)順段外側(cè)（河道側(cè)）需要設(shè)置隔流建筑物將引航道與河流隔開，否則調(diào)順段的水流紊亂、流態(tài)差、縱橫流速大，當上游來流量Q>7000m3/s后其水流條件不符合安全通航要求。2）通過調(diào)順段增設(shè)隔流墻和靠船墩上掛隔流板，可使引航道調(diào)順段與河道主流之間隔開，減少水流進入引航道，降低其縱橫流速，改善停泊條件，有利于船舶安全停泊。設(shè)置于隔流掛板底部的透水孔，能夠弱化通航建筑物對來流的阻礙作用，減小口門區(qū)橫流流速，增強船舶進出閘的安全性，優(yōu)化方案Ⅰ實施后可抬高最大通航流量至Q=10000m3/s。筆者在靠船墩上掛隔流板的方法，不僅能有效地改善引航道的通航條件，而且造價低廉，施工簡單高效，在同類工程具有廣泛的應(yīng)用前景。3）延長上游引航道隔流板（墻）是改善無閘溢流壩上游引航道停泊水流條件的有效方法，通過延長隔流板，可使停泊段遠離口門區(qū)，受來流慣性作用的水流也很難到達此處，明顯地改善了停泊水流條件。降低口門區(qū)段隔流板高度的方法，即可增加引航道口門段流量，又可減弱通航建筑物對水流的頂托、阻擾作用，降低橫向流速，改善水流流態(tài)，通過優(yōu)化原設(shè)計方案后，壩下水位治理工程上游引航道的安全通航流量可提高至Q=16900m3/s，滿足了該河段的通航要求。（本文作者：王慶龍、陳野鷹、扈曉雯、彭凱 單位：重慶交通大學(xué)、中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院）