浮石大浦枢纽螺滩河段水整治方案优化分析

浮石大浦枢纽螺滩河段水整治方案优化分析

元江连接都柳江和柳江。它是西南海上航线的重要组成部分。根据规划,融江航道采取渠化和整治相结合方法进行建设。目前,融江从上至下建有麻石、浮石和大浦3座枢纽,规划将在浮石、大浦两枢纽之间建设古顶枢纽。螺滩滩群位于融江浮石与大浦枢纽间的水位不衔接段,河道处于天然状态,该段航道弯曲、水浅、流急,碍航严重,急需整治。本文拟用二维水流数学模型,针对螺滩河段具体碍航特性,提出相应的航道整治措施,并对航道口门区连接段布置方案进行优化,提出合理可行的航道整治工程方案。本文新开发的数值模拟程序中控制方程离散采用了有限元法,提高了计算程序的通用性和可扩充性;计算网格采用了无结构化混合网格技术,即采用四边形与三角形网格混合,这样网格拟合边界精度大大提高,局部加密处理也变得十分容易,该程序适合复杂边界条件下山区河流航道整治的数值模拟研究。1浮石下游较浅段增航口门区螺滩滩群位于浮石电站下游,处于上下游枢纽之间的水位不衔接段。螺滩滩长900m,枯水河宽140m,航道内最大流速在3.2m/s以内。螺滩河段碍航主要表现为枯水全线航道水深不足,大部分区段水深不足0.8m,局部河段比降偏大,最大值达6‰。该河段碍航比较严重的部分为上、中、下3段(图1)。螺滩上段右岸有一卵石大边滩,该处枯水流量下,航道窄、水浅流急,水深0.5~0.8m,流速2.0m/s,比降达到3‰~6‰,主要是枯水碍航;螺滩中段有一道礁石槛斜伸江中,礁石槛高程98m,与对岸尖嘴对峙,形成卡口。枯水流量下,该卡口流速2.84m/s,比降达5‰。该处形成碍航滩险另一个重要因素是流态问题,由于卡口以上右侧存在凹沱,中枯水流势拐向凹沱,主流直冲斜伸石槛,下行船舶十分危险;螺滩下段枯水河槽分左右两汊,现行航道为右汊(图1),水深0.6~0.8m。此处碍航特点为航道弯曲、窄浅,出口又受两侧礁石挤压,尤其是在中洪水水流取直,右汊淤积,落水期淤积物来不及冲走而形成碍航。左汊水深更浅,且又有左岸边滩凸入江中。该河段除上述3处严重碍航外,浮石下游引航道口门区也存在碍航问题,沿用现有深水航槽布置口门区,中洪水时横向流速偏大,且口门区航线弯曲,无直线段,口门区连接段航线需重新规划布置。浮石电站下游约28km处规划建设古顶枢纽,古顶枢纽建设后,将渠化古顶与浮石两枢纽之间的航道,可以从根本上改善螺滩的碍航状况。2罗滩河流数学模型的构建和实验2.1有限单元法数值解融江河宽水浅,水流在垂向上的变化相对于平面其它两个方向要小。因此,可以采用新开发的平面二维水流数学模型进行计算模拟,其控制方程形式为:连续方程∂h∂t+∂(uh)∂x+∂(vh)∂y=0X方向运动方程∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y+g(∂h∂x+∂α0∂x)−fv−εxxρ⋅∂2u∂x2−εxyρ⋅∂2u∂y2+guc2hu2+v2−−−−−−√=0Y方向运动方程∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y+g(∂h∂y+∂α0∂y)−fu−εyxρ⋅∂2v∂x2−εyyρ⋅∂2v∂y2+gvc2hu2+v2−−−−−−√=0其中:x和y是水平坐标轴;u,v为x,y轴向流速;t是时间变量;g为重力加速度;h为水深;α0为河床底面高程;ρ为水流密度;f为科氏力参数(f=2ω¯¯sin《,ω¯¯为地球旋转角速度,《为纬度);εxx,εxy,εyx和εyy,为紊动粘滞系数;c为谢才系数。利用有限单元法来计算控制方程的数值解,基本求解原理过程为:(1)将控制方程分别在时间和空间上进行离散。其中时间离散采用差分法,空间离散采用有限单元法;(2)通过伽辽金加权余量法把控制方程从偏微分方程转变成代数方程组;(3)根据边界条件和初始条件数值求解代数方程组。2.2计算网格结构本次模拟中模型上边界选定在浮石电站,下边界选定在融江与贝江交汇处以下约900m(图1)。地形采用1:1000平面地形图,计算河段全长约3.6km。计算网格由三角形六结点和四边形八结点相结合的等参数网格单元构成。模拟河段沿水流方向的网格单元尺寸约为20m,垂直于水流方向的网格单元尺寸为8m左右。局部工程区网格加密,加密处网格尺寸为2~3m。整个计算网格共有网格结点17790个,单元6119个(螺滩河段局部网格情况见图2)。模拟河段主槽糙率选取n=0.02~0.025,边滩糙率选取n=0.028~0.040。模型上游开边界选取浮石电站流量边界,下游开边界选取水位边界控制。2.3流速测量断面螺滩河段沿程设置了10个水位测点(H1~H10)和2个流速测量断面(图1),有中、枯水两级流量下水位流速实测资料可供模型分析验证使用。枯水验证资料为2003-10-29实测数据,中水验证资料为2004-05-24实测数据。2.3.1水位偏差测试枯水流量154.03m3/s与中水流量624.65m3/s时,10个水位测点水位偏差均在±0.05m以内,水位计算结果与实测数据吻合较好。2.3.2速度验证图3为两个测流断面流速验证结果对比图。验证结果表明,各个测流断面流速分布计算与实测基本一致,模型计算流速场合理。3工程方案的计算和分析3.1全河段航道整治思路针对螺滩河段具体碍航特性,航道整治方案应主要针对全线航道水深不足及改善口门区连接段通航水流条件出发,优化航道整治方案和口门区连接段布置方案。采用挖槽与整治措施相结合的方法进行全河段航道整治,整治时应考虑全线挖槽后对浮石枢纽下闸槛水深的影响。对3处主要的碍航滩段的整治思路为:上段整治思路采用挖抬措施,“挖”指疏炸航道,“抬”指在上游采用丁坝措施壅水,并调顺水流:中段采用疏炸增加航道尺度,并用顺坝封弯,调顺水流;下段选左汊为通航主汊道,封右汊,调顺中枯水水流并增加中枯水冲刷历时和强度。口门区和连接段由于横流太大,调整航线,优化航线布置。3.2航道口门区的水流条件(1)规划航道尺度为V(3)航道,航道尺度达到(1.3~1.5)m×22m×260m(航深×航宽×弯曲半径)。(2)航道通航条件为:纵向流速不超过3.5m/s,比降不超过3‰。(3)挖槽工程造成上游水位下降,根据通航规划,不考虑古顶枢纽时船闸下闸槛水深应不低于1.76m。(4)航道口门区的水流条件:《内河通航标准》(GB50139-2004)中规定,口门区平行于航线的纵向流速要小于2.0m/s,垂直于航线的横向流速应小于0.3m/s,口门区的回流流速小于0.4m/s。本文中口门区的范围约300m。3.3螺滩河段航道整治方案比选在整治方案的研究比较分析中考虑了两种情况:一是不考虑浮石与大浦枢纽之间规划建设的古顶枢纽,研究现状条件下螺滩河段在不同整治方案下的通航水流情况,优化整治方案,作为该河段航道近期整治规划的依据;二是考虑有古顶枢纽情况,研究在古顶枢纽调节作用下螺滩河段在不同整治方案下的通航水流情况,优化整治方案,以期为该河段航道远期规划提供依据。3.3.1方案3:先下后上按上述整治思路,整治方案采用整治工程与航道挖槽相结合的措施。经过优化计算分析,螺滩上的整治建筑物布置如图4所示,所建丁坝高程为设计水位上0.8m,丁坝的长度如图所示,丁坝宽度为2~3m。整治工程主要建在前述3处碍航严重河段,上游段丁坝1和2作用主要为抬高水位,调顺水流;中段顺坝主要起到封弯作用,调顺水流;下段丁坝3与丁顺坝主要封堵右汊,提高左汊束水攻沙能力。航道挖槽首先按广西航务管理局提供的航线(简称“老航线”)上对水深不足处进行挖槽(图4),挖槽深度一般在原河床基础上下挖1m左右,局部处可达1.5m,挖槽工程量约为3.2万m3。整个航线除口门区航宽40m外,主流区航道宽度均为22m。工程方案的研究按先下后上的原则逐段进行。设计流量下,螺滩下段丁坝加丁顺坝实施后,右汊支流封闭,航道左汊在挖深1m左右后,达到1.3m水深,流速也稍有增加,增加比例在3%~4%左右;螺滩中段进行顺坝建设后,调顺了水流;螺滩上段在建设两个丁坝后,水流比较平顺(图5),且对上游闸槛水位有接近10cm的壅水作用。方案整体实施后能满足全航线水深1.3m,但口门区的横向流速在大流量(714m3/s以上)时不满足通航要求,需要对口门区航线布置进行调整。针对老航线方案布置工程实施后口门区大流量时横向流速偏大的不足,对老航线口门区以及连接段进行修改,其他整治工程布置不变。工程布置采用新航线,新航线与老航线的区别仅为口门区连接段航线布置不同。挖槽采用新航线挖槽,挖槽深度一般是在原河床基础上下挖1m左右,局部可达1.5m,挖槽总工程量约为3.5万m3。新航线口门区航宽40m,主流区航道宽度均为22m。工程实施后设计流量下全航线能满足水深1.3m标准,在最高通航流量(4500m3/s)以下,全航线(包括口门区)通航水流条件满足规范要求。由于全航线挖槽的影响,此时下闸槛水深接近极限值,基于综合考虑,该河段航道不适宜再通过加大工程量提高航深。原因是:(1)整治疏浚使全航道水深达到1.3m时,下闸槛水深已接近极限值,进一步浚深将导致下闸槛水深不足。如全航线浚深至1.5m,下闸槛水深将降至1.65m左右,不满足相应船型的船舶通航;(2)鉴于螺滩滩群前后相连,无深谭可资利用,没有条件修建潜坝增加壅水,再增加丁顺坝来壅水,工程量将大增,且壅水效果有限;(3)浮石枢纽下游的古顶枢纽正在规划建设中,建成后将渠化该段航道,彻底解决该河段的碍航问题。为了确定古顶枢纽建成后该河段能否达到规划航道等级要求以及航线是否需调整,下面将对古顶枢纽建成后该河段航道情况进行计算研究。3.3.2老航道口门区横向流速偏考虑古顶枢纽建成后,枢纽在死水位(101.5m)时对螺滩河段的航道水流影响情况,首先对老航道的情况进行计算分析,此时螺滩河段无任何工程实施,虽然航道在设计流量下满足规划水深1.5m要求,但口门区的横向流速在流量偏大(大于1600m3/s)时并不满足规范要求。针对老航线口门区大流量时横向流速偏大的不足,考虑应用新航线,新航线布置见图4,仅口门区连接段与老航线不同。同样考虑古顶枢纽建成对该河段产生影响后航道水流情况。工程仅对新航线口门水深不足处进行局部挖槽,航线挖槽深度在1m左右,挖槽工程量约为0.5万m3。计算分析可知,设计流量下,口门区局部挖槽后,在古顶枢纽影响下能满足全航线水深1.5m标准,在低于口门区最高通航流量4500m3/s时,航道内通航水流条件满足规范要求,且工程只对口门区