贛江象山樞紐閘門調度模型試驗研究

張廣明,胡雨涵,陳 斌,王志超,吳龍華,黃志文

(1.江西省水利科學院,江西 南昌 330029; 2.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098;3.國家電投江西電力有限公司江口水電廠,江西 新余 338025)

贛撫尾閭綜合整治工程是貫徹習近平生態文明思想、推進國家生態文明試驗區建設的重大工程。其中南昌水利樞紐是贛江尾閭綜合整治工程的關鍵項目,計劃在贛江尾閭的主支、北支、中支、南支新建閘控樞紐,主要任務為調控贛江枯期水位,改善南昌城區水環境及贛江通航條件,是關乎生態環境和社會民生重大工程。象山樞紐建于贛江下游尾閭河段主支之上,樞紐泄水閘均為多孔開敞式平底閘,下游附近河道束窄、彎急。因此在閘壩泄流過程中,閘門調度運行方式不當不僅影響船閘通航和魚道過魚,也容易造成下游河床嚴重沖刷,存在安全隱患。

20世紀以來,由于城市建設泥沙需求量巨大,導致贛江尾閭河道采沙活動更加頻繁,大規模采沙導致河道產生嚴重變形,破壞了河床的穩定性,改變了河道的演變規律,對贛江尾閭河床演變造成了不可逆轉的影響[1]。采沙使各支流河槽加深,斷面面積增大,地形不均勻下切導致河道內流速變化劇烈,主支下游流速增幅竟超過1 m/s[2]。陳珺等[3]對贛江尾閭東西河寬深比進行分析得出一致結論。另一方面,贛江上游修建的眾多水庫對河流泥沙具有攔截作用[4]。由于萬安水庫等梯級樞紐攔截上游泥沙,贛江尾閭河段輸沙量下降,導致該河段演變以沖刷為主[5]。羅蔚等[6]的研究證實了水庫群具有滯沙的作用。河道整治工程對河道的演變也具有一定的影響,主要體現在改變河流各支流的分流比,從而破壞分汊口河段的輸沙平衡,致使河道沖淤發生明顯變化[7]。除人類活動外,自然環境的變化對河道沖刷也起到了不可忽略的作用。近年鄱陽湖枯水期水位下降明顯,導致枯水期尾閭河道水面坡降增加,引起深槽沖刷[8]。以上人類活動和自然因素造成主支河道蜿蜒,深淺交錯,河道內水流流態復雜,水流不具備船只通航、魚類通過以及樞紐下游防沖的最適宜流速,存在一定的安全隱患,并且集中開啟單側閘門會導致閘下流速偏大,對下游沖刷較為嚴重,需要泄水閘聯合調度,因此針對象山樞紐面臨的問題展開系列試驗研究,通過調節閘門開啟的數量及方式,改善流態,從而制定最優閘門調度方案。

近年來眾多學者主要采用物理模型與數學模型的研究方法在樞紐調度方式、下游消能防沖、河道水流特性等方面取得了豐富的成果,如薛阿強等[9]采用物理模型試驗對不同工況下閘門開啟的組合方式進行研究,提出了流量由小到大或由大到小閘門單向性連續開啟或關閉的新型調度方式。朱瑞虎等[10]采用物理模型試驗研究船閘開通的安全運行條件,得出不同上下游潮位差條件下閘室及引航道區域的水流流態、流速和啟閉機受力規律。許興武等[11]在洪水期、豐水期、枯水期調度和降雨初期雨水污染調度等典型時段進行調水試驗,探究不同水閘調度方案對秦淮河水質改善的效果。田暢等[12]采用物理模型試驗的方法,分析不同閘門調度方式下多孔閘的流態情況,提出了用池尾擴散比量化多孔閘的調度方法。肖小玲等[13]采用物理模型試驗的方法,觀測不同洪水工況時不同閘門調度方案下下游河道水動力條件與邊坡沖刷影響的對應關系,分析閘門調度中影響下泄流量的各因素對下游河道內水流動力條件改變程度的敏感性,從而得到閘門調度對邊坡沖刷的影響規律。胡海松等[14]利用FLOW-3D建立數學模型,研究多閘孔溢流壩正常水位小流量下多閘門不同的組合開啟方式下的水流特性,總結閘門調度運行的水力學規律,給出小流量下的優化調度方式。托爾巴衣爾等[15]分析排沙設施閘門分流特征,擬定閘門調度運行方案,采用二維數學模型計算分析了不同方案下庫區的沖淤情況,提出排沙設施閘門調度運行方式。劉恒恒等[16]建立多閘聯合調度的裕溪河-牛屯河河網一維非恒定流模型,模擬分析巢湖洪水外排過程及閘門調度對裕溪河-牛屯河環形河網的影響。

本文通過物理模型試驗驗證樞紐泄流能力,分析不同流量、不同調度方式下樞紐上下游的水流特征,在滿足樞紐通航、過魚、下游防沖等諸多需求的情況下提出合理可行的閘門運行方案,為樞紐的安全運行和科學調度提供技術支撐,也為類似工程的模型試驗和閘門調度問題研究提供參考。

1 工程概況

象山樞紐建于贛江下游尾閭河段主支流之上,位于南昌市新建區象山鎮鴨洲村附近,距南昌市約35 km。象山樞紐主體建筑物由泄水閘、船閘、魚道和連接擋水建筑物組成,樞紐泄水閘均為開敞式平底閘,設計洪水標準為20年一遇,共設17孔,從左至右依次分為3區:一區布置于河床左側灘地,布置8孔30 m凈寬常規泄水閘;二區布置于河床中間,布置2孔75 m凈寬大孔閘;三區布置于河床右側深泓部位,布置7孔30 m凈寬常規泄水閘。左岸設有魚道,右岸設有船閘,泄水閘布置及剖面圖如圖1所示。

圖1 樞紐布置圖

2 模型制作

圖2 模型布置圖

模型范圍包括壩軸線上游約2 000 m,下游約3 000 m地形及樞紐建筑物。模型斷面間距為0.8 m～1.0 m,共安裝60個斷面板,模型總長(不包括進水前池及沉沙池)約為50 m。上、下游河道地形及擋水壩部分均依照原型按比例縮小后,安裝斷面板并用水泥砂漿抹制。泄水閘底板用水泥漿刮模制作,閘墩、弧形閘門用有機玻璃制作,閘墩與溢流堰面用螺絲緊固,并用玻璃膠密封止水。

3 模型試驗及分析

3.1 泄流能力試驗

試驗的校核工況流量為8 780 m3/s時,對應的校核水位為19.54 m;設計工況流量為8 250 m3/s時,設計水位為19.24 m。試驗率定了17孔泄水閘全開狀況下的泄流能力,試驗結果見圖3。從圖3可知,當校核工況流量為8 780 m3/s時,閘前控制水位為19.51 m,比設計值低0.03 m;設計工況流量為8 250 m3/s時,閘前控制水位為19.23 m,比設計值低0.01 m,17孔泄水閘全開泄流能力滿足設計要求。

圖3 庫水位與流量關系曲線

3.2 閘門調度原則

贛江尾閭南昌水利樞紐整體水位調度原則:暢洪調枯,以保障防洪安全、用水安全為前提,協調各分汊河道的生活、生產、生態用水量及分配,維持較為穩定的贛江南昌城區河段景觀水位。南昌水利樞紐主要功能為枯期調控河道水位、航運、過魚等;對于主支象山樞紐,工程汛期(4月～7月份)閘門全開敞泄,枯期(8月～次年3月份)調控河道水位,閘前最高控制水位15.50 m(外洲水文站)。

象山樞紐泄水建筑物共設17孔泄水閘,分為3區,由15孔30 m常規泄水閘及2孔75 m大孔閘組成。大孔閘采用平開式浮箱閘門,枯期擋水,汛期開閘暢泄,枯水期不參與調泄。常規泄水閘采用下臥式弧形閘門,液壓啟閉,能精準控制閘門開度,因此樞紐主要通過常規泄水閘一區、三區組合方式調節下泄流量。根據上游洪水來量,常規泄水閘分區、分級均勻開啟運行。

當下游湖洪影響較小,外洲流量≤5 000 m3/s時,按“贛江四支水量分配,控制閘門”調配:(1) 當主支分配流量小于90 m3/s,采用大孔閘翻板閘門溢流方式過流;(2) 當主支分配流量大于90 m3/s而小于3 250 m3/s時,采用常規泄水閘聯合調度的方式泄流;(3) 當主支分配流量大于3 250 m3/s時,閘門全部打開,泄水閘敞泄?？紤]樞紐左側魚道進口區域應具備洄游魚類感應流速,宜適當開啟左側閘孔以保證魚道進口區域流速。當受下游湖洪影響大時,閘門全部打開后典型斷面水位仍高于調控目標水位,泄水閘敞泄。

綜合考慮魚道過魚、船閘通航及閘門安全運行等因素,并結合模型泄流能力和消能防沖計算分析成果,控制閘門開啟的數量,以達到最經濟的效益,提出以下調度原則:(1)當來流Q>2 822 m3/s時,閘門全開以宣泄洪水;當來流Q≤2 822 m3/s時,控制泄量使水位滿足樞紐上、下游控制水位。(2)滿足樞紐下游消能及魚道進、出口的流速要求,同時不影響船閘口門區的安全流速。(3)試驗流量的選取主要針對Q≤2 822 m3/s下的流速分布及消能情況進行研究,并結合Q>2 822 m3/s下泄水閘全開泄流能力綜合分析。

閘址下游河床及灘地巖性為粉質(黏土)壤土、淤泥質黏土、細砂、中砂、礫砂及圓礫,樞紐河床開挖后的抗沖流速以砂礫允許抗沖流速為標準,如表1所示。結合工程河段水位流量特征,500 m3/s流量工況抗沖流速按1.0 m/s考慮,其他各流量工況抗沖流速按1.2 m/s考慮。

表1 允許抗沖流速建議值表

在閘門運行后,開挖段河床底流速小于該運行抗沖流速即認為消能滿足設計要求。魚道進口附近流速應滿足0.6 m/s～1.2 m/s,出口流速盡量小為宜。此外,閘門調度時應不影響船閘口門區的通航要求。

3.3 調度方案試驗邊界條件

試驗對各流量調度運行方案河床進行了表流速和底流速的測量,因Ⅰ區靠近魚道,為了更清楚地了解魚道附近的流速情況,故在Ⅰ區布置了更多斷面,流速測量斷面分布及位置見表2。

表2 測量斷面及位置

樞紐上游控制水位選取上游外洲水文站的水位,下游控制水位選取下游昌邑站的水位。隨著流量的不斷增大,河道水面比降也增加,所以模型入口附近控制水位隨流量增大而降低,模型試驗各流量條件下的樞紐上下游控制水位見表3。

表3 閘門調度試驗上下游控制水位

3.4 調度方案試驗分析

閘門調度時,考慮閘門運維成本,盡量集中開啟閘門,控制閘門開啟的數量,以達到經濟、便利的效果。但由于閘門調度需滿足通航、過魚、下游防沖,開啟單側閘門會導致閘下流速偏大,對下游沖刷較為嚴重,加之魚道與航道位于河道兩側,其適宜船只通航與魚類通行的流速難以滿足,無法同時滿足以上三個需求,因此考慮分散開啟閘門。同時開啟兩側閘門時,優先考慮下游防沖,其次考慮魚道與航道的流速分布;優先關注Ⅰ區閘下流速,若Ⅰ區閘下流速不滿足防沖要求,則淘汰此方案,后續無需關注Ⅲ區閘下流速。若面臨調節開啟閘門位置無法降低閘下流速,考慮在相應閘門旁增開一閘,以獲取適宜流速;若魚道或航道入口處流速偏小,則保持流速較為適宜的閘門位置不變,更換靠近魚道或航道閘門開啟的位置,選擇開啟靠近魚道或航道的閘門;若魚道或航道流速偏大,則選擇開啟遠離魚道或航道的閘門,此時仍無法滿足要求,考慮增開一孔。樞紐在不同流量下閘門調度方式調整如下:

(1) 樞紐下泄流量Q=500 m3/s。

根據系列試驗結果表明,只開一孔泄流閘下游流速超過了海漫和開挖河床的允許抗沖流速,故調度方案從開兩孔開始考慮。由于Ⅰ區2、3號閘門下游是原河道深槽,因此方案一運行Ⅰ區2、3號閘門,試驗結果顯示方案一Ⅰ區LS7斷面最大底流速約1.09 m/s,如圖4(a)所示,超過抗沖流速1.0 m/s,說明啟用單側閘門會導致Ⅰ區閘下流速偏大,故考慮在Ⅲ區開閘。在開兩孔的工況下,考慮Ⅰ、Ⅲ區各開一孔,設置方案二、三,試驗表明方案二Ⅰ區斷面最大底流速比方案一明顯減小,Ⅰ區LS7斷面最大底流速由1.09 m/s下降至1.02 m/s,如圖4(a)所示;干砌石海漫段Ⅰ區LS5斷面最大底流速由1.21 m/s降至0.91 m/s,如圖4(b)所示。但Ⅲ區LS7斷面最大底流速為1.11 m/s,仍超過抗沖流速1 m/s,如圖4(c)所示。方案三Ⅰ區LS6、Ⅰ區LS7斷面最大底流速均超過抗沖流速1 m/s,如圖5所示。根據上述試驗結果,閘門開兩孔無論Ⅰ區單獨調度還是Ⅰ區、Ⅲ區聯合調度均無法有效地降低閘下流速,因此考慮開三孔。在方案一的基礎上,再開一孔,設置方案四,試驗結果顯示方案四Ⅰ、Ⅲ區閘下流速下降,均不超過0.82 m/s,滿足設計抗沖要求,但下游魚道進口區域Ⅰ區LS10、LS11斷面流速在0.2 m/s～0.6 m/s之間,流速偏小,不利于誘魚,如圖6所示。從圖1(a)可看出,1號閘門靠近魚道,為增大魚道進口區流速,故設置方案五,此時LS10斷面貼近魚道處的測點1流速由低于0.6 m/s,增加至0.6 m/s～0.7 m/s,如圖7所示,Ⅰ、Ⅲ區閘下流速不超過0.89 m/s,水流條件得到改善,方案五滿足設計要求。

圖4 方案一調整為方案二后底流速分布對比

圖5 方案一調整為方案三底流速分布對比

圖6 方案二調整為方案四后流速分布對比

圖7 方案四調整為方案五后流速分布對比

(2) 樞紐下泄流量Q=1 000 m3/s。

由方案五可知,當開啟Ⅰ區1-2號、Ⅲ區6號閘門調度時,水流主流靠近左岸魚道,現流量較上個工況已大幅度增加,流速必然隨之增大,為避免水流沖刷左岸護坡,調度時應盡量不開啟靠近左岸的Ⅰ區1號閘門,并且考慮增加閘門開啟的數量,從而獲取較適宜的流速。該流量下考慮開四孔,由于Ⅰ區2、 3號閘門下游是原河道深槽且靠近左岸魚道,開啟Ⅰ區2、3號閘門調度不僅能夠將水導入原河道深槽,而且可以保證魚道進口區域有足夠的誘魚流速,因此在方案四的基礎上增加一孔,擬定方案六,該流量工況下的調度方案為運行Ⅰ區2-3號,Ⅲ區6-7號閘門,結果表明魚道進口流速為0.6 m/s～1.1 m/s,滿足設計要求,此時Ⅰ區LS7斷面最大底流速為1.25 m/s,如圖8所示,比允許抗沖流速略大。為降低底流速,考慮在Ⅰ區增開一孔,擬定方案七。增開一孔后,結果顯示Ⅰ、Ⅲ區閘下流速均明顯下降,均不超過1.03 m/s,其中Ⅰ區LS5斷面最大底流速由1.23 m/s降為0.95 m/s,Ⅰ區LS7斷面最大底流速由1.25 m/s降為0.96 m/s,Ⅲ區LS7斷面最大底流速由1.12 m/s降為0.94 m/s,如圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)所示,滿足抗沖設計要求;下游口門區橫向流速基本小于0.3 m/s,不影響船閘通航,由圖1(a)所示,Ⅰ區LS10斷面1、2號測點位于魚道附近,魚道進口區域流速為0.6 m/s～0.9 m/s,如圖8(d)所示,基本滿足過魚流速要求,方案七滿足設計要求。

圖8 方案六調整為方案七后流速分布對比

(3) 樞紐下泄流量Q=2 000 m3/s。

由表3可知,該工況上下游水位差減小,過流速度減小,下游水深增加2 m,河道流速減小。雖然流量增大,但水流流速減小,因此先考慮運行五孔閘門,擬定方案八。試驗結果表明方案八Ⅰ區、Ⅲ區閘下流速均超過了海漫和開挖河床的允許抗沖流速,其中Ⅰ區、Ⅲ區LS7斷面最大底流速分別達到1.54 m/s、1.61 m/s,如圖9(a)、圖9(b)所示,遠遠超過允許抗沖流速。為了改善水流條件,故考慮在方案八的基礎上,在Ⅰ、Ⅲ區各增開一閘門,采用七孔閘門運行,設置方案九,試驗表明Ⅰ、Ⅲ區閘下流速均減小,其中Ⅰ區LS7斷面閘下流速下降至1.15 m/s,Ⅲ區LS7斷面閘下流速下降至1.12 m/s,如圖9(a)、圖9(b)所示,滿足抗沖設計要求;下游魚道進口流速下降至0.9 m/s～1.2 m/s,如圖9(c)所示,水流條件得到改善,下游口門區橫向流速基本小于0.2 m/s,不影響船閘通航,故方案九滿足設計要求。

圖9 方案八調整為方案九后流速分布對比

(4) 樞紐下泄流量Q=2 500 m3/s。

由Q=2 000 m3/s流量工況的閘門調度試驗成果可知,流量增大引起的流速增大幅度遠大于上下游水位差減小引起的流速減小幅度,因此該工況可忽略上下游水位差減小對流速的影響。下泄流量增加,需增加一孔,考慮到方案九Ⅰ區閘下流速比Ⅲ區大,因此在Ⅰ區增加一孔,閘門調度從八孔開始試驗,擬定方案十。試驗結果顯示Ⅲ區LS7斷面最大底流速為1.45 m/s,如圖10所示,不滿足要求;調節Ⅰ、Ⅲ區閘門開啟的數量,擬定方案十一,試驗表明Ⅲ區LS7斷面閘下流速下降至1.31 m/s,如圖10所示,仍不滿足要求。故考慮在Ⅲ區增開一閘門,采用九孔閘門運行,擬定方案十二。試驗表明Ⅰ、Ⅲ區閘下流速均減小,其中Ⅲ區LS7斷面閘下流速下降至1.03 m/s,如圖11(a)所示,滿足要求;魚道進口區域流速基本保持不變,保持在0.9 m/s～1.2 m/s之間,如圖11(b)所示,過魚條件良好,故方案十二滿足設計要求。

圖10 方案十調整為方案十一后Ⅲ區LS7斷面流速分布對比

綜上所述,不同工況下根據試驗情況調節閘門開啟的位置和數量,從而得到更恰當的運行方案。當下泄流量Q=500 m3/s時,樞紐采用方案五運行閘門;當下泄流量Q=1 000 m3/s時,樞紐采用方案七運行閘門;當下泄流量Q=2 000 m3/s時,樞紐采用方案九運行閘門;當下泄流量Q=2 500 m3/s時,樞紐采用方案十二運行閘門。試驗擬定的各工況下閘門運行方案如表4所示,流量為2 000 m3/s工況下采用方案九的平面流速分布見圖12。

表4 閘門調度試驗方案表

圖12 2000 m3/s流量采用方案九平面流速分布圖

4 結 論

針對贛江下游河段主支上的象山樞紐閘門調度面臨通航、過魚以及下游防沖等需求,開展水工模型試驗,驗證樞紐泄流能力,通過調節閘門運行方式解決樞紐面臨的問題,結論如下:

(1) 校核工況8 780 m3/s下,設計水位為19.54 m;設計工況8 250 m3/s下,設計水位為19.24 m。泄流能力試驗率定了17孔泄水閘全開狀況下的泄流能力,校核泄量8 780 m3/s下,閘前控制水位為19.51 m;設計泄量8 250 m3/s時,閘前控制水位為19.23 m,泄水閘全開泄流能力滿足設計要求。

(2) Ⅰ區、Ⅲ區閘門單獨啟用會導致該側下游河道流速偏大,建議Ⅰ區、Ⅲ區閘門聯合調度,不同工況下滿足眾多需求的方案有方案五、方案七、方案九、方案十二。

(3) 合理地控制閘門運行不僅能夠降低水流對下游河床的沖刷,減小水流對船閘通航的影響,而且能減少閘門開啟數量,節省運行成本,延長工程的壽命。