溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究_杜泽东.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目（）作者简介：杜泽东，男，工程师，硕士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。：通信作者：董先勇，男，正高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。：文章编号：（）引用本文：杜泽东，董先勇，秦蕾蕾，等 溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究 人民长江，（）：溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究杜 泽 东，董 先 勇，秦 蕾 蕾，杨 天 冉（中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都；中国长江三峡集团有限公司，湖北 武汉）摘要：溪洛渡水电站运行时坝下游河道形成的强烈非恒定流将对下游航运产生影响。为保障航运安全，掌握电站运行时下游河道非恒定流特性，以原型观测数据率定物理模型参数，设置不同初始流量、流量变幅、流量变化率，采用物理模型试验深入研究了溪洛渡水电站坝下游 长河道的非恒定流特性。结果表明：溪洛渡水电站坝下游河道在非汛期均位于向家坝水电站回水影响范围内，汛期桧溪水位站以上河道水面存在明显比降；溪洛渡水电站坝下游河道水位变化率与下泄流量变化率呈正相关，最大垂线平均流速均与水电站下泄流量呈正相关；水位变化率和最大垂线平均流速变幅对流量变化率的响应更为敏感，受初始恒定流量的影响不大；向家坝水电站运行水位越高，溪洛渡水电站下游河道水位变幅和断面垂线平均流速越小。关 键 词：非恒定流；水位变幅；水位变化率；垂线平均流速；物理模型；溪洛渡水电站中图法分类号：文献标志码：引 言溪洛渡水电站地处金沙江下游溪洛渡峡谷段，电站上下游水头差超过 ，具有“窄河谷、高拱坝、巨泄量”的特点。其兼顾上下游梯级电站联合调度，存在调峰、泄洪、机组切换和切机等运行工况，下泄流量变幅大、转换频率高，将使坝下游河道形成强烈的非恒定流，造成下游河道水位陡涨陡落，水面比降变化快，流态恶化，对船舶航行安全及港口、码头的正常作业造成影响。因此，研究溪洛渡水电站不同下泄流量条件下，下游河道非恒定流特性，对保障船舶航行安全及码头正常作业具有重要意义。世纪 年代圣维南提出非恒定流偏微分方程，为非恒定流研究提供了理论支持。国内外众多学者从非恒定流的控制测量 到非恒定流水流特性，以及输沙等方面进行了研究，在一定程度上加深了人们对非恒定流传播规律的认识。牛兰花等对三峡电站调峰试验中非恒定流出现顺涨波和逆涨波的双峰现象进行了研究。伍宁将一维圣维南方程组用于非恒定流研究，对解决非恒定流的一些实际水文问题进行了初步分析和探讨。张波通过建立二维非恒定流数学模型，对乌江渡枢纽非恒定流下泄对下游航道的影响进行了研究。管益平等利用圣维南方程研究了彭水电站下泄水流对下游航运的影响，并提出电站运行对策。杨明远等建立了北江白石窑枢纽坝下至飞来峡枢纽坝下约 的一维非恒定流数学模型，对枢纽下游航道非恒定流进行了深入研究。钱红露等采用一维非恒定流数学模型研究了乌东德水电站运行对下游河道水位变幅的影响，并初步提出了保障通航安全的水位变幅控制措施。上述研究主要集中在数学模型计算分析、原型观测等方面。本文采用大比例尺河道物理模型，对溪洛渡电站不同下泄流量条件下，坝下游 河道的非恒定流特性进行研究，掌握非恒定流水位、流量、垂线平均流 第 期 杜泽东，等：溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究速变化规律，保障船舶航行安全及码头正常作业。研究区域 基本水情站网溪洛渡水电站控制流域面积约 万，地处亚热带季风气候，具有干湿季分明、雨热同季、立体气候明显等特点，当年 月至次年 月为干季，月为雨季，雨季集中了年降水量的 以上。溪洛渡水电站坝址多年平均流量 ，年平均径流量 亿，坝下游也即向家坝库区干流沿程自上至下分别有溪洛渡水文站，中心场、桧溪、冒水、新市、绥江、石溪、屏山等水位站，以及向家坝水文站，如图 所示。图 溪洛渡水电站下游水文（位）站分布 溪洛渡水电站坝下游河道沿程水位特性为掌握溪洛渡水电站坝下游河道沿程水位流量特性，对溪洛渡水电站下游河道进行了原型观测。根据实测水位流量数据可知，受向家坝水库蓄水影响，每年 月及 月的非汛期，溪洛渡水文站水位高于下游距其 的桧溪水位站水位，高差在 以内；桧溪水位站与新市水位站水位高差较小，在 以内。每年 月的汛期，溪洛渡水文站与桧溪水位站水位高差相比非汛期显著加大，两站间平均水位高差达 ；桧溪水位站与新市水位站水位高差相比非汛期也显著增加，最大高差达 。溪洛渡水电站下游典型水文（位）站水位变化过程见图。溪洛渡水文站水位流量过程线见图。图 典型水文（位）站水位变化过程 图 溪洛渡水文站流量和水位过程 在非汛期，受向家坝水库蓄水影响，溪洛渡水电站坝下游各水文（位）站均位于向家坝回水影响范围内，水面比降较为平缓；汛期，向家坝水电站按控制水位运行，水位较低，桧溪水位站以上河道水面存在明显比降。试验模型及方案 试验模型设计本文选取溪洛渡水电站坝下游总长度约 长的河道构建物理模型，对该河道的非恒定流进行研究。为保证模型下泄非恒定流与原型水流相似，模型模拟范围包括溪洛渡水电站坝址上游 、各枢纽建筑物及坝址下游 河道，采用正态模型，长度比尺。同时为便于分析溪洛渡水电站下泄水流对下游河道非恒定流的影响，本文选取 个典型断面进行对比分析。试验河道各典型断面信息见表，各断面位置见图。表 试验河道典型断面信息 序号断面号距坝里程 备注中心场水位站附近溪洛渡水文站上游 图 研究河道物理模型试验要素示意 人 民 长 江 年 试验方案设计通过对溪洛渡水电站下泄水流规律进行分析，结合电站运行调度情况，根据不同流量变幅及流量变化率，在向家坝水电站运行水位 时，设置 种代表性试验方案。同时选取方案 针对向家坝水库不同运行水位 ，和 开展对比试验。各试验方案参数见表。表 试验方案参数 试验方案初始流量（）流量变幅（）变化时长 方案方案方案方案方案方案 非恒定流特性研究 相同初始流量不同流量变幅 初始流量 方案对比方案 初始流量均为 ，流量变幅和变化时长分别为 增加 、增加 和 增加 。对以上 种条件下 断面、断面及 断面处的水位和流速变化进行分析。（）沿程水位变幅情况。流量变幅相同：方案 和方案 流量变幅相同（均为下泄流量自 增加至 ），但流量变化率不同（分别为每分钟增加 和 ）。根据试验结果：虽然方案 和方案 中各断面水位变幅和水位变化率均沿程减小，但是两种方案的沿程水位变幅和水位变化率不同。通过对比分析可以得出：同一断面，虽然方案 在运行时长内（）水位绝对变幅比方案 大，但是水位变化率却远远小于方案。初始流量 时不同方案典型断面水位变幅见表。表 典型断面水位变幅及水位变化率（初始流量 ）（）试验方案下泄流量变化水位变幅水位变化率（）变幅（）增时变化率（）方案方案方案 流量变幅不同：方案 和方案 流量变幅不同（分别为下泄流量自 增加 和 ）。根据试验结果：两种方案的沿程水位变幅和水位变化率不同。通过对比分析可以得出：同一断面，流量变幅越大，沿程水位变化率越大。初始流量 时不同方案典型断面水位变化率见表。（）沿程流速变化情况。为便于对比沿程流速变化，本文以不同方案各典型断面最大垂线平均流速为研究对象。流量变幅相同：方案 和方案 流量变幅相同，流量变化率不同。根据试验结果对比分析可以得出：同一断面，流量变幅相同，方案 流量变化率小于方案，但最大垂线平均流速方案 却大于方案。流量变幅不同：方案 和方案 流量变幅不同。根据试验结果对比分析可以得出：同一断面，流量变幅越大，最大垂线平均流速也越大。初始流量 时不同方案典型断面最大垂线平均流速见表。表 典型断面最大垂线平均流速（初始流量 ）（）试验方案下泄流量变化流速（）变幅（）增时 方案方案方案 初始流量 方案对比方案 初始流量均为 ，与方案 初始流量不同，但流量变幅和变化时长相同（分别为 增加 ，增加 和 增加 ）。该 种方案水位和流速变化规律与方案 相似。（）沿程水位变幅情况。流量变幅相同：方案 和方案 流量变幅相同（均为下泄流量自 增加至 ），但流量变化率不同（分别为每 增加 和 ）。根据试验结果：虽然方案 和方案 中各断面水位变幅、水位变化率均沿程减小，但是两方案的沿程水位变幅和水位变化率不同。通过对比分析可以得出：同一断面，虽然方案 在运行时长内（）水位绝对变幅比方案 大，但是水位变化率却远小于方案。初始流量 时不同方案典型断面水位变幅见表。表 典型断面水位变幅及水位变化率（初始流量 ）（）试验方案下泄流量变化水位变幅水位变化率（）变幅（）增时变化率（）方案方案方案 流量变幅不同：方案 和方案 流量变幅不同（分 第 期 杜泽东，等：溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究别为下泄流量自 增加到 和 ）。通过对比分析可以得出：同一断面，流量变幅越大，沿程水位变化率越大。初始流量 时不同方案典型断面水位变化率见表。（）沿程流速变化情况。流量变幅相同：方案 和方案 流量变幅相同，但流量变化率不同。根据试验结果对比分析可以得出：同一断面，流量变幅相同时，虽然方案 流量变化率小于方案，但最大垂线平均流速却大于方案，其规律与初始流量 时相似。流量变幅不同：方案 和方案 流量变幅不同。根据试验结果对比分析可以得出：同一断面，流量变幅越大，最大垂线平均流速也越大。初始流量 时不同方案典型断面最大垂线平均流速见表。表 典型断面最大垂线平均流速（初始流量 ）（）试验方案下泄流量变化流速（）变幅（）增时 方案方案方案 水位变化率与流量变化率的关系综合分析方案 的水位变化率与流量变化率的关系（见图），可以看出，溪洛渡水电站下泄相同流量变化率下，各试验方案水位变化率均沿程减小；同时下泄流量变化率越大，其下游同一断面的水位变化率也越大。因此，溪洛渡水电站坝下游河道水位变化率与下泄流量变化率呈正相关。图 水位变化率与流量变化率关系 垂线平均流速与流量的关系综合分析方案 的最大垂线平均流速与流量的关系（见图），可以看出下泄流量越大，断面最大垂线平均流速也越大。因此，溪洛渡水电站下游河道断面垂线平均流速与电站下泄流量呈正相关。不同初始流量相同流量变幅试验方案中，方案 和，方案 和，以及方案 图 典型断面最大垂线平均流速与流量关系 和 均为相同流量增减幅度和增减时长、不同初始流量的对比方案。以方案 和方案 为研究对象，各断面水位变化见图，各断面最大垂线平均流速变化见图。图 方案 和方案 各断面水位变化 图 方案 和方案 各断面最大垂线平均流速变化 由初始流量不同、流量变化率相同时水位变化对比可见，各断面水位高程与流量大小直接相关。随着下泄流量的增加，不同方案同一断面水位变化基本表现为平行增加，同一断面初始流量大的方案，其水位高程平行高于初始流量小的方案，但沿程各断面水位变幅相差不大。溪洛渡水电站非恒定流泄流时，下游河道各断面水位变幅和水位变化率受初始恒定流量的影响不大。由初始流量不同、流量变化率相同时各断面最大垂线平均流速变化对比可见，单个断面最大垂线平均流速与下泄流量大呈小正相关，流量越大，断面 人 民 长 江 年最大垂线平均流速也越大。但随着流量的增加，不同方案同一断面流速也表现为平行增加，流速变幅相差不大。溪洛渡水电站非恒定流泄流时，下游河道各断面最大垂线平均流速变幅受初始恒定流量的影响不大。向家坝水库运行水位对溪洛渡水电站下游河道非恒定流的影响 选取方案，向家坝水库不同运行水位、相同流量变幅条件下，对水位变化率、断面最大垂线平均流速进行研究。各断面水位变化过程见图，各断面在初始下泄 恒定流时水位变化见表。图 坝下游河道沿程断面水位过程 表 向家坝水库不同运行水位时各典型断面水位 向家坝水库运行水位 恒定流时水位 水位变化率（）当下泄 恒定流时，各断面水位均随向家坝运行水位的抬升而增高。同时，当溪洛渡水电站下泄流量增加时，水位变化率沿程减少，且向家坝水库运行水位越高，各断面水位变化率越小。此外，向家坝水库运行水位在 和 时，断面水位及水位变化率差别较小，说明向家坝水库运行水位在 和 时，对 断面以上河道影响较小。各断面最大垂线平均流速在初始下泄 恒定流时数据见表，各断面最大垂线平均