碾盘山水电枢纽通航条件优化模型试验研究

沈立群; 陈雷; SHEN Li-qun; CHEN Lei

中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (7) : 61-66.

水环境与水生态

碾盘山水电枢纽通航条件优化模型试验研究

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Experimental Research on the Optimization Model of Navigation Condition of Nianpanshan Hydropower Station

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摘要

受枢纽布置、通航建筑物等边界条件的影响，引航道口门及连接段水流条件复杂，常难以满足船舶通航要求，影响通航安全。根据碾盘山水电枢纽工程布置、河道特性，在原有设计方案基础上，针对枢纽下泄流量为500、1 200、2 700、5 000、12 000、13 500 m³/s 6种条件，建立物理模型试验研究通航水流条件，提出能够满足Ⅲ级航道通航水流条件要求的引航道优化方案；同时进行动床河工模型试验，研究泥沙淤积对船闸上下游引航道通航水流条件影响，并提出减淤措施及建议。研究成果可以为类似水电枢纽通航条件优化设计及通航论证提供依据，对类似工程具有指导意见。

Abstract

Due to the restrain of general layout， navigation structures， and other boundary conditions， the flow condition at the entrance area of approach channel is complicated， which hardly meets the navigation requirements. In this paper， based on the layout and river characteristics of Nianpanshan Hydropower Station， under the flow discharge of 500， 1 200， 2 700， 5 000， 12 000， 13 500 m³/s， the physical model is used to study the navigation condition. The conclusion that the optimization scheme can meet the flow conditions of the entrance area of the approach channel and the navigation requirements of class Ⅲ class waterway is obtained. At the same time， movable bed river physical model is tested to analyze the influence of sediment deposition on navigation conditions of the entrance area of approach channel. It is concluded that the navigation can be guaranteed within 10 years after the station running normally， and giving the measures to reduce the sediment deposition. The research results in this paper can provide the optimal design and demonstration of navigation conditions of hydropower stations， and provide reference for similar projects.

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沈立群 , 陈雷. 碾盘山水电枢纽通航条件优化模型试验研究[J].中国农村水利水电, 2022(7): 61-66

SHEN Li-qun , CHEN Lei. Experimental Research on the Optimization Model of Navigation Condition of Nianpanshan Hydropower Station[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(7): 61-66

0 引言

水利枢纽常设船闸以保证通航，引航道则是连接船闸与河道的纽带，该区域水流条件的好坏直接关系到船舶的通航安全。由于受枢纽布置、通航建筑物等边界条件影响，引航道口门及连接段水流条件复杂。口门上游水道断面逐渐变窄，口门下游水道断面逐渐放宽，水流弯曲变形，产生速度梯度，形成斜向水流，斜向水流对周边水域的进一步作用可能产生回流和旋涡。斜向水流的横向流速和回流达到一定强度后，会造成航行船舶产生横漂和扭转，严重时船舶失控造成事故^［1-4］。此外，引航道及口门处的泥沙淤积直接影响通航水深和流态，影响船舶通航安全。因此，研究引航道及口门连接段通航水流条件和泥沙减淤措施对保证船舶通行安全具有重要实际应用价值。

国内外诸多学者对引航道及口门连接段通航水流条件进行研究，并提出许多改善口门段通航水流条件的举措。田辉^［5］针对大源渡航电枢纽船闸建立物理模型试验，研究船闸引航道口门区及连接段的水流条件，并根据试验结果提出改善措施。吴雪茹^［6］根据下福水利枢纽河工模型试验分析枢纽工程运行期的闸门调度和导航墙长度对口门区通航水流的影响，提出改善通航水流条件的枢纽运行方式。李金合等^［7］根据那吉航运枢纽通航水流试验，分析了影响船闸布置和通航水流条件的因素，提出了改善上下游引航道口门区水流流态的措施。黄碧珊等^［8］以嘉陵江新政电航枢纽为依托，进行物理模型试验，探讨船闸引航道导航墙的结构、布置对口门区水流条件的影响，提出改善引航道口门区通航水流条件的措施。

数学模型方面，曹毅^［9］依托澧水青山航电枢纽，建立平均水深二维有限元数学模型，对口门区水流条件进行数值模拟，得出回流区域长度与横流强度呈负相关，进一步验证整平河床、局部扩宽航槽能够有效减小口门区横向流速。王晓丽^［10］针对小南海水利枢纽工程，建立数学模型对引航道口门区水流条件进行数值模拟，提出加长上游隔流堤长度等改善引航道口门区水流条件措施。李兴亮^［11］以潇湘水电枢纽为研究对象，建立数学概化模型，研究挑流墩和导航墙横向距离大小与引航道口门区范围内断面最大流速的关系，为采用挑流墩改善船闸枢纽通航水流条件的平面布置提供合理方案。

本文以汉江碾盘山水电枢纽通航水流条件为研究对象，建立枢纽工程区域物理模型，模拟观测枢纽建成后通航水流条件及泥沙淤积情况，优化设计方案，提出减淤措施，为工程设计提供技术依据。

1 物理模型设计及验证

1.1 物理模型设计

湖北碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游干流湖北省钟祥市境内，距钟祥市区10 km，距丹江口水利枢纽坝址262.27 km。水库等别为二等工程，大（2）型水库。工程主体建筑物由泄水闸、河床式电站厂房、连接重力坝段、船闸及鱼道等组成，坝轴线总长750.2 m，大坝坝顶高程53.22 m。枢纽布置图如图1所示。

图1 碾盘山枢纽布置图

Fig.1 The layout plan of the Nianpanshan station

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根据碾盘山水利水电枢纽工程布置，采用整体正态水工模型、局部动床模型相结合的试验研究方法。考虑船闸引航道口门及连接段水流可能受到的最大影响范围，模型范围上起碾盘山水利枢纽坝址上游1.7 km，下至坝址下游2.6 km，总计4.3 km；横向范围为坝址上游2.5 km，坝址下游3 km。整体模型全貌如图1所示。整体正态定床水工模型的设计相似条件满足几何相似、水流运动相似，局部动床模型还满足泥沙运动相似，模型比尺见表1。

表1 模型比尺汇总表

Tab.1 Summary table of model ratio

水流运动相似比尺		悬移质运动相似比尺
几何比尺	90.000	沉速比尺	9.487
流速比尺	9.487	粒径比尺	0.536
糙率比尺	2.117	干容重比尺	2.440
流量比尺	7.684×10⁵	含沙量比尺	0.076
时间比尺	9.487	变形时间比尺	305.2

图2 整体模型全貌

Fig.2 The outview of the model

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1.2 测量方法

模型试验中采用IFM4080K型电磁流量计控制流量，流速采用长江科学院出产的CF9901型电脑流速仪测量，试验中多次重复测量取平均值。水位采用水位测针测量，测针最小刻度读数为0.1 mm，上游沿程共安设了4个测针，分别安置于坝轴线上游0-1 500.00 m、0-1 000.00 m、0-500.00 m、0-150.00 m位置，下游河道沿程水位测针埋设于坝下0+250.00 m、0+500.00 m、0+1 000.00 m、0+1 500.00 m、0+2 000.00 m、0+2 400.00 m位置。

1.3 模型验证

根据枢纽河段天然实测水位流量关系，模型率定结果见表2。由表可得，模型试验水位误差满足相关要求。

表2 模型验证

Tab.2 Model validation

流量/（m³·s^-1）	实测水位/m			模型水位/m
流量/（m³·s^-1）	坝址上游1.5 km	坝址处	坝址下游2.44 km	坝址上游1.5 km	坝址处	坝址下游2.44 km
2 240	42.49	42.30	42.08	42.52（+0.03）	42.19（-0.11）	42.08
8 000	45.09	44.87	44.68	45.25（+0.16）	44.88（+0.01）	44.68
19 700	48.89	48.00	47.42	48.82（-0.07）	47.90（-0.10）	47.42

2 枢纽通航水流条件优化试验

2.1 优化方案设计

原有设计航线方案为：①方案一航线：上游疏浚高程为35.30 m，下游疏浚高程为36.02 m；②方案二航线：上游不疏浚，下游疏浚高程为36.02 m（方案二航线下游设计与方案一相同），平面布置见图3。

图3 航线方案及断面布置

Fig.3 Ship route and section layout

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2.1.1 上游航道设计方案优化

根据前期水流试验初步成果分析可知：在流量为12 000及13 500 m³/s条件下，方案一航线连接段距坝前1.2 km附近，由于疏浚航道高程较低，航道左岸地形高程只有37.00 m左右，而航道右岸为高程44.00 m左右的高地，在大流量条件下，水流淹没高地，形成流速值超过0.8 m/s的横向水流，船只无法通过。

针对上述问题，提出优化方案：①延长弃渣场临水堤与民院堤相连，以改善上引航道口门区及连接段水流流态，；②调整不同流量级航线。在流量小于12 000 m³/s的条件下，船只沿方案一航线（也称疏浚航道）行驶；流量大于12 000 m³/s条件下，船只沿方案二航线行驶，以避开横向流速过大区域。

2.1.2 下游引航道设计方案优化

根据前期水流试验初步成果分析可知：在流量为1 200 m³/s条件下，下游引航道口门区附近，由于沿隔流堤方向下游存在一块高程为40.00 m左右的滩地，而疏浚航道高程仅为36.02 m，在小流量条件下下游流速较小，由于地形变化大，形成一股流速值超过2.3 m/s的斜向水流，船只在该断面附近无法通过。

针对上述问题，提出优化方案：向右延长下游隔流堤，延长段为曲率半径与下游设计疏浚航道前端曲率半径（R=650 m）相同的一段圆弧，总长度约150 m。

2.2 试验结果分析

在枢纽下泄不同特征流量条件下，观测优化设计方案航线引航道上下游及口门区连接段水流流态，分析其是否满足船只通航要求。枢纽特征流量见表3。

表3 碾盘山水利枢纽特征流量

Tab.3 Characteristic flow of Nianpanshan hydropower station

编号	流量Q/（m³·s^-1）	坝上游水位/m	下游尾门处水位/m	备注
1	500	50.32（死水位）	39.02
2	1 200	40.20	39.92	生态调度流量
3	2 700	50.32	42.45	电站满发流量
4	5 000	50.32	43.56	临界流量
5	12 000	48.06	45.72	临界流量
6	13 500	46.82	46.31	最大通航流量

2.2.1 流态

（1）上游航道及口门区流态。上述下泄流量情况下，坝前上游河段水面平稳、水流流速小，流态顺畅；引航道内水流几乎为静水，横向流速在0.15 m/s以下，引航道口门区及连接段疏浚航道内水流横向流速均在0.3 m/s以下，无气泡、漩涡、剪刀水回流等不良流态，水面未超过隔流堤堤顶高程。如图4所示。

图4 上下游航道及口门区流态（Q=13 500 m³/s）

Fig.4 Flow pattern of upstream and downstream channel and entrance area（Q=13 500 m³/s）

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（2）下游航道及口门区流态。闸室下游出流很均匀，水面平稳、水流流速小，流态顺畅。引航道内水流几乎为静水，横向流速在0.15 m/s以下，无气泡、漩涡、剪刀水回流等不良流态；口门区附近在延长隔流堤的情况下，部分水流由于地形影响，绕过隔流堤末端，在疏浚航道内形成小范围存在横向流速的区域，横向流速值较小，下游连接段水流横向流速亦小于0.3 m/s。如图4所示。

2.2.2 水面比降

当下泄流量为500、2 700、5 000 m³/s时，上游航道为库区航道，水面线几乎水平，横比降和纵比降极小；下游航道在隔流堤末端附近有小范围横向水流，横比降极小，低于0.08‰。

当下泄流量为1 200 m³/s时，水流位于疏浚航道内，水流较为平缓，纵比降最大值位于5号断面附近，为0.45‰，其余断面纵比降均在0.15‰以下，上游疏浚航道与主航道连接处附近右岸横向比降较大，为1.78‰左右；下游水面几乎静止，仅在隔流堤末端下游附近有小范围横向水流，横比降较小，仅为0.20‰，其余断面水面横比降极小，下游航道水面纵比降约为0.01‰。

当下泄流量为12 000、13 500 m³/s时，上游航道内水面线几乎水平，横比降和纵比降较小，最大纵比降分别为0.21‰、0.50‰，最大横比降值分别为0.34‰、0.66‰，出现在12号断面，分析原因可能是主流方向与设计优化方案存在一定的夹角；由于泄流量大，下游水位较高，在下引航道口门区不会产生横向水流，下游水面几乎静止，仅在隔流堤末端附近有小范围回流，水面横比降低于0.53‰，其余断面水面横比降极小。

2.2.3 表面流速分布

当下泄流量为500、2 700、5 000 m³/s时，上游水流几乎为静水，各测点流速值均小于0.4 m/s，流量为5 000 m³/s时疏浚航道内流速与航道中心线夹角很小，横向流速均小于0.3 m/s；闸室下游出流很均匀，下引航道、口门区及下游连接段水面平稳、水流流速很小。引航道口门区断面由于延长隔流堤的阻水作用，各测点流速值几乎为零；下游疏浚航道内流速值也很小，最大值低于0.82 m/s，且流向平行于疏浚航道。如图5所示。

图5 断面表面流速分布（Q=500、1 200 m³/s）（流速单位：m/s）

Fig.5 The surface velocity distribution of each section（Q=500、1 200 m³/s）

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2.2.4 最小通航水深及航宽

由于上游疏浚航道底部高程为35.30 m，下游疏浚航道底部高程为36.02 m；在1 200 m³/s生态调度流量工况条件下，上游水位40.20 m，下游尾门处水位39.92 m，均能满足通航要求（2.4 m水深^［12］）。

当下泄流量为500 m³/s（下游水位39.02 m）时，下游引航道口门区及疏浚航道内水深及航宽特征如图6。可以看出：下游引航道口门区及疏浚航道内的水深及航宽均满足要求。

图6 下游航道水深分布等值线图（Q=500 m³/s）

Fig.6 Contour map of water depth distribution in downstream channel（Q=500 m³/s）

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综上，在枢纽不同特征流量下，优化设计方案能够满足航道上下游口门区连接段水流条件及Ⅲ级航道通航要求^［13］。

3 引航道口门及连接段减淤措施试验研究

3.1 试验条件及方法

考虑南水北调及汉江梯级电站的运行，水沙资料采用1974-1983年为代表系列年，预测模型引航道及口门连接段10年内泥沙淤积情况。

3.2 试验结果分析

上游引航道口门区及疏浚航道泥沙淤积见图7（a）。试验成果表明：上游来沙大部分淤积在右岸滩地，极少部分淤积在引航道口门区附近，最大淤积厚度不足0.4 m，结合水流试验中关于上游最小通航水深的研究成果可知，上游引航道可以保证枢纽运行10年内正常通航。

图7 枢纽运行10年后上、下游引航道口门区及连接段泥沙淤积等厚线图

Fig.7 Contour map of sedimentation in upstream and downstream after the station has been in operation for 10 years

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下游引航道口门区及疏浚航道泥沙淤积见图7（b）。试验结果表明：下引航道最低通航流量500 m³/s，对应水位为39.02 m，疏浚航道底部高程为36.02 m，在引航道口门区即距隔流堤延长段400 m范围内泥沙淤积量较少，仅在左岸疏浚航道边界存在0.8 m左右的泥沙淤积体，此区域可以保证10年能正常通航；下引航道口门区范围外，泥沙呈带状淤积在疏浚航道左岸，淤积厚度沿程增加，最大淤积厚度位于距下游隔流堤堤顶800 m附近，位于疏浚航道范围外；下游疏浚航道内仅在靠近左岸边界存在0.8 m以上的泥沙淤积体，范围较小，不影响枢纽通航。

综上，枢纽运行10年内可以保证航道正常通航。

3.3 减淤措施及建议

虽然下游疏浚航道内泥沙淤积并不影响通航，但在下游航道口门区范围外航道左岸泥沙淤积较为严重，建议采用机械清淤的方式，清淤成本低且效果良好。同时，建议在下游航道清淤时打开船闸灌泄水阀门冲沙，采用冲沙与清淤并举，在冲沙期间完成主要清淤工作量。

4 结论

本文建立了碾盘山水利水电枢纽工程整体正态水工模型和局部动床模型，开展通航水流试验研究，对比论证优化方案通航水流条件，可以得出以下结论与建议：

（1）上游引航道优化设计方案通过延长弃渣场临水堤与联合民院堤相连，在流量小于12 000 m³/s时，采用方案一航线；在流量大于12 000 m³/s时，采用方案二航线。上游引航道及口门连接段通航水流条件良好。

（2）下游引航道优化设计方案通过延长隔流堤150 m，并采用方案一航线，有利于改善口门区通航水流条件，下游引航道及口门连接段通航水流条件良好。

（3）枢纽正常运行10年内，泥沙淤积不会影响枢纽通航条件，可保证船舶正常通航；建议对泥沙淤积较为严重的下游航道口门区范围外航道左岸开展机械清淤，同时打开船闸灌泄水阀门冲沙。

（4）针对类似低水头水利枢纽，考虑其对水流改变不大，根据《内河通航标准》中引航的水流条件要求：船闸引航道口门区水流表面最大流速限纵向流速2.0 m/s、横向流速0.3 m/s、回流流速0.4 m/s。首先在枢纽布置时应合理布置船闸位置，船闸尽量布置在水流渐变有一定水深区域；按规范要求规划枢纽附近航道及航迹线；定期监测引航道口门区域河床冲淤情况。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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10	王晓丽.小南海水利枢纽通航建筑物引航道口门区水流条件数值模拟研究［D］.重庆：重庆交通大学， 2011. 本文引用 [1]

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13	内河通航标准： GB 50139-2014 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2014. 本文引用 [1]

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1 物理模型设计及验证
1.1 物理模型设计
图1 碾盘山枢纽布置图
表1 模型比尺汇总表
图2 整体模型全貌
1.2 测量方法
1.3 模型验证
表2 模型验证
2 枢纽通航水流条件优化试验
2.1 优化方案设计
图3 航线方案及断面布置
2.1.1 上游航道设计方案优化
2.1.2 下游引航道设计方案优化
2.2 试验结果分析
表3 碾盘山水利枢纽特征流量
2.2.1 流态
图4 上下游航道及口门区流态（Q=13 500 m³/s）
2.2.2 水面比降
2.2.3 表面流速分布
图5 断面表面流速分布（Q=500、1 200 m³/s）（流速单位：m/s）
2.2.4 最小通航水深及航宽
图6 下游航道水深分布等值线图（Q=500 m³/s）
3 引航道口门及连接段减淤措施试验研究
3.1 试验条件及方法
3.2 试验结果分析
图7 枢纽运行10年后上、下游引航道口门区及连接段泥沙淤积等厚线图
3.3 减淤措施及建议
4 结论
参考文献

收稿日期	出版日期
2021-10-13	2022-07-15
发布日期
2022-07-25

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