水电站引航道透空式隔流堤水力学试验研究.pdf

'人民长江Vo1．43．NO．7第43卷第7期2012年4月YangtzeRiverApr．，2012文章编号：1001—4179【2012)07—0067～03水电站引航道透空式隔流堤水力学试验研究王波，程子兵，金峰(长江科学院水力学研究所，湖北武汉430010)摘要：水电站引航道隔流堤采用透空型式，虽可调整航道口门区的流速分布，改善不良流态，但也会对引航道停泊段的水流条件产生不利影响。结合构皮滩水电站工程实际，采用水工模型试验和船模试验的方法，对构皮滩水电站下游引航道隔流堤不同透空形式的水力学特性进行了研究。结果表明：在透水通道平面角度45。，透水通道9个，透水面积75．6II1时，下游引航道停泊段及口门区的水流条件均满足通航要求。对类似工程具有参考借鉴作用。关键词：口门区；透空；船模试验；通航水流条件；隔流堤中图法分类号：TV13文献标志码：A天然河道上兴建水利枢纽后，为了保证通航，需设了研究，探讨了不同透空型式对枢纽下游口门区及引置船闸或升船机等通航建筑物。引航道是船闸或升船航道停泊段的水流运动特性的影响。机与上、下游河道的连接通道，与引航道相连接的口门构皮滩水电站以发电为主，日常下泄流量不大于区一般处在河流动水与引航道静水的交界处，通常存电站5台机组满发流量1909m／s，本文所述下游隔在斜流、回流甚至泡漩等不良流态，将对船舶通航安全流堤透空型式比较优化试验主要基于q=2500m／s构成威胁。为了确保船舶安全通畅地过坝，引航道口这一流量级来进行。引航道及口门区布置参见图2。门区和引航道内的通航水流条件应满足一定的限制要1模型及通航标准求。为此，在有关的标准中均做出了相关规定。当口门区的通航水流条件不能满足要求时，需采取一1．1模型设计定的工程措，隔流堤透空型式是常见的工程改善措施水力学试验研究在1：110正态整体模型上进行。之一。上游模拟了水库、大坝及电站等，下游模拟了引航道以本文以构皮滩水电站为研究对象。通航建筑物下下约1km的范围。设计代表船型500t机动驳的主要游平面布置参见图1。其通航设施按照Ⅳ级航道、500尺度为55．00mX10．80m×(1．60～1．90)m(长×宽t级船型标准设计。下游通航建筑物位于马鞍山下游“s”形急弯处，口门区长度为140／11，航道中心线与该处河槽深泓线之间的夹角为20。左右，右岸突咀对河道主流产生一定的挑流作用。本文通过水工模型与船模试验相结合的方法，对其下游引航道隔流堤采用分层透水方案，以及在此方案下隔流堤采用不同的透水孑L布置角度、不同的透水面积进行图1通航建筑物平面布置示意收稿日期：2012—01—13，作者简介：王波，男。硕士研究生，主要从事工程水力学研究工作。E～mail：9756211@qq．COIII 68础上，探索隔流堤的开孔透水形式。2．2方案Ⅱ(隔流堤分层透水方案)根据国内外工程关于引航道隔流堤透空形式的研究成果，为了减小透水对引航道表层水流的干扰，宜将图2F游引航道及口门区平面布置示惫透水孔设于水面以下。结合构皮滩电站设计要求，设×吃水深)。自航船模试验控制的静水航速(Vs)为定下游隔流堤分层透水形式的相关参数如下：透水设0。19，0．24m／s和0．29m／s(相当于实船航速2．0，2．5施运用的最小流量为Q=700m／s，最大流量为Q：m／s和3．0m／s或7．2，9．0km／h和l0．8km／h)。自2500m／s；透水段断面尺寸为22rn×6I13(高×宽)；航船模的静水航速均在标定池内进行标定。透水通道布置高程范围为432．5～442m；透水通道进、出口尺寸为3ITIX3．5rrl(高×宽)；透水通道底板1．2通航标准厚度为0．3～0．41TI。隔流堤分层透水平面布置参见(1)通航水流标准。引航道口门区表面流速：纵图3向流速≤2．00m／s，横向流速V横≤0．30m／s，回流流速V目≤0．40m／s，波高B⋯≤0．60m。引航道停泊段表面流速：纵向流速V≤0．50m／s，横向流速楷≤0．15m／s。引航道调顺段、导航段宜为静水区。(2)船队进出口门航行标准。船队与河岸之间必须有一定的安全距离Ab，Ab=0．5XBc(曰c为船队最大船宽)。船队直航所用舵角fI愈小愈好，一般要求I6I≤20。。船队在口门区应保持一定的船位航向，一般要求其漂角ll≤9。。一{曲2不同形式隔流堤方案苦』=1业进2．1方案I(隔流堤不透水方案)处够在此方案下，下游引航道口门区的水流特性见表竺登三二—业1。——上L——一表1下游引航道口门区(方案I)水流特性图3隔流堤分层透水布置形式(单位：m)基于前述基本参数，设定透水通道数量为15个，透水段出口侧长度及透水面积分别为62m和126m。试验比较了透水通道平面角度45。，37。，30。和11O。，分别对应于方案Ⅱ一1至方案Ⅱ一4。其中，方案Ⅱ一由表1可知，口门区中部偏右区域横向流速大片1至方案Ⅱ一3的透水通道均顺河道水流方向布置，方超标，左侧区域形成回流区，回流流速严重超标。此方案II一4的透水通道则逆河道水流方向布置。案下，下游1：3门区内水流条件不能满足通航要求。为比较透水面积，在方案Ⅱ一l(透水通道平面角结合构皮滩枢纽下游通航建筑物具体布置来看，度45。)的基础上，将透水通道数量由15个减少到9右岸突咀位于口门区上游，对河道主流有一定挑向作个，透水面积由126m减小到75．6m，此方案为方案用，导致下游口门区内水流与航道中心线之间的夹角Ⅱ一5。各方案的特征参数列于表2。偏大，从而出现了较大的横向流和回流。因此，对右岸突咀的平顺整治进行了试验研究。3试验研究成果挖除右岸突咀后，在Q=2500m／s流量条件下，下游口门区内纵向流速均小于2m／s，最大横向流速3．1下游引航道停泊段水流条件为0．69m／s，横向流速超标率为48％，最大回流流速各方案下游引航道停泊段流态对比参见表3。为0．68m／s。说明下游／：3f-1区内横向流强度有所减方案1／一1至方案Ⅱ一3下游引航道停泊段内最弱，水流条件有所改善，但回流强度变化不大，仍不能大表面回流流速分别为0．37，0．51m／s和0．47m／s。满足通航要求。后续试验将在右岸突咀地形整治的基上述3个方案均顺河道水流方向布置透水通道，且透 第7期王波，等：水电站引航道透空式隔流堤水力学试验研究69水孔出口位置及透水面积均相同，仅透水通道平面角下，其下游引航道停泊段及口门区的水流条件均能满度有所差别(分别为45。，37。和30。)。从试验结果看，足通航标准的要求。下游引航道停泊段内表面回流强度相差不大，表明单3．3下游口门区船模试验纯调整透水通道平面角度不会减弱水流对引航道停泊在p：2500m／s流量条件下，对方案Ⅱ一5进段表层水体的扰动。行了船模试验。试验条件为：自航驳500t(300hp)以表2隔流堤分层透水各方案特征参数静水航速3．0m／s分别沿航道中心线左、中、右航线进透水通道透水通道出口总有透水通道出口侧进口侧入121门区(上行)，以静水航速Vo=2．5m／s沿航道中术乎面角度／(。)数量／个效面积／m问距／m长度／m长度／mlI——1453X5126106268．O0心线下行出口门区(下行)。1—2373X5126106269．96试验成果表明：在2500m／s流量条件下，自航驳Ⅱ一3303×5126106272．39在下游口f-j区沿左、中、右航线上行，平均对岸航速分Ⅱ一4li03X5126i0625982Ⅱ一5453×375610和376268．OO别为2．50，2．43m／s和2，32m／s，沿程主用舵范围分另U为+18。～一17。、+l5。～一13。和+18。～一5。，漂表32500m／s流量条件下各方案的特征参数对比角均分别小于等于5．1。，4．7。和9．0。；自航驳沿航道中心线下行出口门区，平均对岸航速为2．39m／s，沿程主用舵范围为+4。～一5。，漂角小于等于7．0。。自航驳沿左、中、右航线上行和沿中航线下行的航行指标均满足船队进出口门的航行标准。由此可知，当设计最大通航流量Q=2500m／s条件下，方案Ⅱ一5的下游引航道停泊段水流条件满足通航标准，下游口门区内回流流速可满足通航要求，虽局部横向流速超标，但超标范围不大。船模试验成果表明，自航驳沿左、中、右航线上行和沿中航线下行方案Ⅱ一4的透水通道平面角度为110。，即透水的航行指标均满足船队进出口门的航行标准。通道逆河道水流方向布置，其透水孔出口位置及透水面积与上述方案Ⅱ一1至方案Ⅱ一3相同。该方案下4结语游引航道停泊段内最大纵向流速为0．30m／s，最大横(1)水电站引航道口门区的通航水流条件是影响向流速为0．22m／s，水流条件仍不能满足通航标准。船舶安全过坝的重要因素。隔流堤透空对改善口门区方案Ⅱ一5，p：2500m／s流量条件下，下游引的横向流速和回流效果较好，但要注意避免由此产生航道停泊段内表面回流强度小于0．15m／s，较方案Ⅱ一1(表面最大回流流速0．37m／s)减小了60％，表明的对引航道停泊段的不利影响，保证12If-j区和引航道停泊段流态均满足通航标准。减小透水面积对于减弱水流对下游引航道表面水体的扰动效果明显。(2)将透水孔设于水面以下的分层透水方案，对就下游引航道停泊段内表面横向流速而言，Q=停泊段表面干扰小，但要对透水流量要加以控制，口f1区水流条件主要通过控制透水流量及其透水角度来满2500m／s流量条件下，方案Ⅱ一1至方案Ⅱ一4引航道停泊段表面最大横向流速分别为0．38，0．40，0．19足通航水流条件。参考文献：m／s和0．22m／s，均不能满足通航标准；而方案Ⅱ一5[1]GBJ139—90内河通航标准[s]．引航道停泊段内表面流速小于0．15m／s，其水流条件[2]JTj305—2001船闸总体设计规范[s]．满足通航标准。[3]陈桂馥，张晓明，王召兵．船闸导航建筑物透空形式对通航水流条3．2下游口门区水流条件件的影响[J]．水运工程，2004，(9)：56—58．[4]严伟．彭水水电站通航水力学试验研究[1t]．武汉：长江科学院，各方案下游引航道停泊段流态对比参见表3。由2004．表3对比可知，方案II一1下游El门区水流条件最好，[5]程子兵．构皮滩水电站1：110水工整体模型通航水力学试验研究但引航道停泊段水流条件超标。方案II一5透水面积[R]．武汉：长江科学院，2006．较方案II一1减小了40％，虽然横向流和回流强度较[6]JTJ／T235—2003通航建筑物水力学模拟技术规程[s]．方案Ⅱ一1有所加大，但回流流速可以满足通航标准，(编辑：徐诗银)横向流速超标范围不大。由此可知在方案II一5条件(下转第76页J 76人民长江2012年峰值对应时间的比值，对J、J两曲线，根据经验公式[2]张文静，梁秀娟．确定河流纵向弥散系数的正态分布图解法[J]．吉林大学学报：地球科学版，2004，(S1)：83—86．算得的河流平均流速分别为0．060m／s和0．055m／s，[3]宋松柏，蔡焕杰，粟晓玲．专门水文学概论[M]．杨凌：西北农林科经验公式和矩分析二者结果对比相差不大，说明矩分技大学出版社，2005．析结果可信。[4]汤成友，缈韧．基于小波变换的水文时间序列分解及周期识别[J]．人民长江，2006，37(12)：33—34．4结语[5]StagnittiF，AllinsonG，MoritaM，H．I1，eta1．Temporalmomentsana1．弥散系数是评价水体对突发性污染事故的承受能ysisofpreferentialsolutetransportinsoils[J]．EnvironmentalMode1．ingandAssessment，2000，(5)：229—236．力的重要参数，研究水流的弥散系数对水质保护和环[6]王秉忱，杨天行．地下水污染和地下水水质模拟方法[M]．北京：境治理具有重要意义。本次试验是在5月份枯水季节北京师范学院出版社，1985．进行的，所求河流平均流速为0．03675m／s，弥散系[7]王季震．水利水质学[M]．北京：中国水利水电出版社，1998．数k为240．75ITI／S，表明枯水季节泾河对突发性污染[8]CarlF。NordinJM，TroutmanB．Longitudinaldispersioninrivers：the的承受能力极低，一旦遭受污染，会对下游水质产生巨persistenceofskewnessinobserveddata[J]．WaterResourceRe．search，1980，16(1)：123—128．大影响。本次试验所得数据仅反映枯水季节的情况，[9]DasBS，WraithJM，KluitenbergGJ，eta1．EvaluationofMassRe．若要更全面准确地了解泾河河流污染物弥散情况，需eoveryImpactsonTranspoflParametersUsingLeast—-SquaresOptimi．在丰水期和平水期补充试验，以便得出更全面的结论。zationandMomentAnalysis[J]．SoilSci．Soc．Am．J．2005，69：l209参考文献：—12l6．[1]SuhKS，KimKC，JungSH，eta1Determinationofdispersioncoeffi—[1O]张祯武，吕文星．岩溶水管流畅与分散流场示踪识别研究[j]．工cientsusingradioisotopedateinriverenvironment[J]．AppliedRadia-程勘察，1997，(3)：42—26．tionandIsotopes，2009，67(7—8)：1499—1502．(编辑：常汉生)TracingtestonpollutantdispersioncoeficientinJingheRiverofShaanxiProvinceWANGHeng一，YANGQiyong。，CAOXingwang，DENGBiaorong(1．CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，GuilinUniversityofTechnology，Guilin541004，China；2．InstituteofKarstGeology，CAGS，Guilin541004，China；3．GuangdongInstituteofChemicalEngineeringandGeologicalSurvey，Guangzhou510800，China)Abstract：Inordertoconductafieldresearchonpollutantdispersioncoefficientunderdifferentriverconditions，theflowcon—ditionofJingheRiverinShaanxiProvinceindryseasonistakenastheresearchobject，andthetracingtestwithSodiummolyb—dateismade．Accordingtothemeasureddataandcorrespondinghydrologicaldata，therelationofdispersioncoeficientwithav—erageflowvelocityandpropagationdistanceisanalyzedbycorrelationanalysismethod．TheanalysisresultshowsthattheflowanddispersioncoeficientofJingheRiverindryseasonareallsmallandthepollutantpurification．capacityisverylow．Keywords：tracingtest；momentanalysis；correlationanalysis；dispersioncoeficient；dryseasonflow；JingheRiver⋯】一～⋯～⋯，⋯0⋯一，⋯⋯⋯}一】o‘，⋯】⋯，⋯⋯】⋯，⋯】⋯一⋯一一一H‘(上接第69页)Hydraulicexperimentalstudyofhollow—-typeseparationleveeofapproachchannelinhydropowerstationWANGBo，CHENGZibing，JINFeng(DepartmentofHydraulics，Chan~tangRiverScientifcResearchInstitute，Wuhan430010，China)Abstract：Thehollow—typeseparationleveeofapproachchannelinthehydropowerstationwillcauseanadverseefectontheflowconditionsattheparkingsectionofapproachchannelevenifitcanadjustthevelocitydistributionofthechannelentrancear—eaandimprovethepoorflowpattern．Therefore，thehydrauliccharacteristicswithdifferenthollow—typeseparationleveeofdownstreamapproachchannelindownstreamofGoupitanHydropowerStationarestudiedbyadoptingthehydraulicmodeltestandshipmodeltest，withtheconsiderationofengineeringpracticeofthestation．TheresultSHOWSthattheflowconditionsofthepark—ingsectionofdownstreamapproachchannelandtheentranceareacanmeetnavigationrequirementsbyadoptingtheplaneangleof45。．9permeablechannelswiththetotalpermeableareaof75．6m．Keywords：entrancearea；hollow—type；shipmodeltest；navigationflowcondition；separationlevee'