◎沈科 湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司
五強(qiáng)溪水電站位于沅水下游的湖南省沅陵縣境內(nèi),水電站承擔(dān)防洪、航運(yùn)等多種功能,整個(gè)水電站樞紐建筑物主要有河床溢流壩、壩后式廠房和三級(jí)船閘組成,壩頂長(zhǎng)度719.7m,壩頂高程117.5m,正常蓄水位108.0m。緊挨原實(shí)體導(dǎo)航墻布置的透空式導(dǎo)流屏是從上游至下游分別平行錯(cuò)位布置連系墩和插板,各聯(lián)系墩與原導(dǎo)航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°,總長(zhǎng)218.523m。
分析沅水五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)通航現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析模型并分級(jí)模擬,收集不同流量等級(jí)下的下游引航通航水流流速、流態(tài)以及是否存在不良流態(tài)。根據(jù)模擬試驗(yàn)分析結(jié)果,受到地形與河床形態(tài)的影響,枯水流量下水電站尾水水流方向會(huì)發(fā)生偏移,向左偏轉(zhuǎn)到河道礁石地帶,并且在水流形態(tài)的影響下存在部分的水流繞過礁石帶后繼續(xù)向?qū)Ш綁ν鈧?cè)沖刷,產(chǎn)生旋渦、泡漩水等不良流態(tài),最終進(jìn)入船閘下游引航道口門區(qū);而在流量為中洪水時(shí),水流同樣發(fā)生偏轉(zhuǎn),最后繞過堤頭進(jìn)入船閘下游引航道口門區(qū)。
以模擬試驗(yàn)與實(shí)際測(cè)量為參考,可發(fā)現(xiàn)當(dāng)上游來(lái)流量Q<1500m3/s時(shí),船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件良好,流態(tài)穩(wěn)定;當(dāng)上游來(lái)流量Q為2500m3/s時(shí),堤頭下100~200m航中線右側(cè)橫向流速較大,超出了船舶航行安全標(biāo)準(zhǔn)范圍,通航條件不穩(wěn)定;當(dāng)上游來(lái)流量Q≥3500m3/s時(shí),五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)橫向流速較大、水流流態(tài)穩(wěn)定性較差,船舶在進(jìn)出口門區(qū)難度系數(shù)較大;當(dāng)上游來(lái)流量Q>6500m3/s時(shí),船舶無(wú)法進(jìn)出下游口門區(qū),無(wú)法實(shí)現(xiàn)航行。
綜合分析試驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn),沅水五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)存在影響通航的主要原因包括:其一,該下游口門區(qū)下方深槽會(huì)使水流在此集中,同時(shí)受到下游導(dǎo)流堤長(zhǎng)度(275m)的影響,主流斜穿阻力較大;其二,下游河道寬度呈現(xiàn)逐漸收縮的狀態(tài),同時(shí)受到河床形態(tài)的限制,即下游河道左側(cè)為深槽,右側(cè)為邊灘,這就使得下游口門區(qū)航道與主流流向交角角度較大,進(jìn)一步增加了下游口門區(qū)橫向流速與回流流速。
開展船閘實(shí)際通航試驗(yàn)分析,根據(jù)計(jì)劃場(chǎng)區(qū)的各巖土層的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)編制透空式方案,確定工程基礎(chǔ)持力層所在的巖層與位置。具體分析如下:(1)沖填土,厚度難以滿足持力層設(shè)計(jì)需要,松散性強(qiáng),分布情況較復(fù)雜,故不考慮作為持力層并清除;(2)強(qiáng)風(fēng)化巖板,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),結(jié)合巖體實(shí)測(cè)擊數(shù)>50擊的實(shí)際情況確定巖體等級(jí),具體為V級(jí),可作為工程基礎(chǔ)持力層,且經(jīng)反復(fù)研究與確定,持力層承載力設(shè)計(jì)數(shù)值fd=350kPa。
導(dǎo)流屏是一種安裝在河床上的導(dǎo)流建筑設(shè)施,可以根據(jù)整治工程的實(shí)際需要調(diào)整安裝角度,使其與水流形成一定角度,其中導(dǎo)流屏與水流相交面為導(dǎo)流屏內(nèi)側(cè),與水流不迎面的一側(cè)稱之為導(dǎo)流屏外側(cè)。根據(jù)沅水五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)實(shí)際情況,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)布置導(dǎo)流屏,控制導(dǎo)流屏角度,具體將其控制在15~25°,同時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)流屏高度與長(zhǎng)度。
在不同位置設(shè)計(jì)導(dǎo)流屏的作用有所不同,選擇在河道彎道段布置導(dǎo)流屏的主要目的是激發(fā)次生環(huán)流,使其與做曲線運(yùn)動(dòng)的水流相抵觸,控制橫向環(huán)流,調(diào)整剪應(yīng)力分布;選擇在河道順直段設(shè)置導(dǎo)流屏的主要目的是激發(fā)次生環(huán)流,帶動(dòng)近地含沙量較大的水流,改變河道淤積情況。同時(shí),設(shè)置導(dǎo)流屏還能夠增加局部水流阻力,降低通航區(qū)的橫向流速,便于開展河道泥沙清淤。
立足五強(qiáng)溪樞紐船閘具體情況,綜合考量船閘下游的地形地質(zhì)情況、河床變化方向、河床糙率以及河道特征等實(shí)際,確定模擬試驗(yàn)的模型,按照1∶100的比例設(shè)計(jì)定床正態(tài)模型。根據(jù)工程概況調(diào)查可確定模擬河道原長(zhǎng)度為5.2km,壩址上下游分別為1.2km與4km,河道寬度變化范圍為400~900m。根據(jù)1∶100比例可確定模型河道長(zhǎng)度應(yīng)為52m,并設(shè)計(jì)梅花加糙,確保模型與原河道的一致性。完成模型制作后進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收,并且模型左右河岸水面線與原河道天然水面線相似,水流運(yùn)動(dòng)與原河道水流情況基本一致,阻力、斷面流速分布與原河道相似度較高。
采用浸入邊界法作為模型建立方法,在沅水五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)設(shè)計(jì)建造三維水流模型,最大橫向流速為0.3m/s,并基于樁基透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與參數(shù)設(shè)置,判別船閘下游引航口通航水流條件。
為了滿足船舶進(jìn)入口門區(qū)的通航與安全需要,應(yīng)將下游引航道口門區(qū)表面橫向流速控制在0.3m/s范圍內(nèi),并且滿足縱向流速≤2m/s的通航安全標(biāo)準(zhǔn),回流流速≤0.4m/s的通航安全要求,還要保證船舶的操舵角≤20°,船舶的航行漂角≤10°。
確定導(dǎo)流屏設(shè)計(jì)方案后先布置導(dǎo)流敦,選擇在堤頭下游位置布置菱形導(dǎo)流敦,數(shù)量共為9個(gè),導(dǎo)流墩的規(guī)格為20×3m,1~6號(hào)導(dǎo)流墩的布置間距為10m,6~9號(hào)導(dǎo)流敦的布置間距為20m,同時(shí)開展堤頭附近深槽回填作業(yè),保證回填后高程達(dá)到45m。經(jīng)過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同導(dǎo)流墩布置方案與導(dǎo)流屏導(dǎo)流效果密切相關(guān),對(duì)改善下游口門區(qū)的航道水流條件也存在差異。本工程根據(jù)導(dǎo)流屏設(shè)計(jì)方案確定導(dǎo)流敦的位置并實(shí)施回填,若上游來(lái)流量Q≤3500m3/s,下游口門區(qū)的通航條件得到了顯著改善,符合船舶通航安全標(biāo)準(zhǔn),而當(dāng)上游來(lái)流量Q>3500m3/s,下游口門區(qū)的水流條件無(wú)法滿足通航需要,最大橫向超出0.3m/s的設(shè)計(jì)值。
在五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)應(yīng)用樁基式透空導(dǎo)流屏后,下引航道口門區(qū)回流范圍與回流速度得到了控制,堤頭附近與下引航道口門區(qū)的橫向流速也有所降低,具體體現(xiàn)為:當(dāng)上游來(lái)流量Q在6500m3/s時(shí),下引航道口門區(qū)最大橫向流速符合設(shè)計(jì)規(guī)范值,當(dāng)上游來(lái)流量Q為7800m3/s時(shí),下引航道口門區(qū)只有航中線右側(cè)個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速超出0.3m/s的安全通航范圍,但由原0.6m/s降低至0.52m/s。
山區(qū)河流地形起伏大,水利水電樞紐上下游水頭差值較大,受到上下游水頭差的影響船閘下引航道口門區(qū)流速速度較快,僅設(shè)計(jì)垂向二維底部透空式隔流堤對(duì)改善漩渦、泡漩水等不良流態(tài)的能力有限,船舶通航安全無(wú)法保證。樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu),兼顧擋流與導(dǎo)流兩種功能,設(shè)計(jì)橫向插板,布置垂向底部透空導(dǎo)流通道,阻礙分散斜向水流,控制水流動(dòng)力強(qiáng)度,進(jìn)而達(dá)到控制水流的目的,降低流速對(duì)船舶航行的影響。同時(shí)在縱向上設(shè)計(jì)豎向?qū)Я鞯溃軌蚋淖冃毕蛩鞣较?,使其順著縱向插板方向流動(dòng),同時(shí)激發(fā)次生環(huán)流,使得其與曲線運(yùn)動(dòng)的上升水流相抵觸,控制橫向環(huán)流,消除不良流態(tài)。
在船閘口門區(qū)設(shè)計(jì)樁基式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)能夠改善下游引航道口門區(qū)的水流條件,降低橫向流速,增強(qiáng)流態(tài)穩(wěn)定性。經(jīng)過對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),在五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)中設(shè)計(jì)樁基式導(dǎo)流屏,并優(yōu)化導(dǎo)流屏參數(shù)設(shè)計(jì),顯著改善了下游口門區(qū)的水流條件,確??陂T區(qū)最大橫向流速不超出0.3m/s的船舶通行安全規(guī)范,極大提升了水運(yùn)能力,推動(dòng)綜合交通體系的發(fā)展。