取水工程附近河床冲淤规律数值模拟研究

第46卷第9期2015年5月人民长江YangtzeRiverVo1．46．No．9May，2015文章编号：1001—4179(2015)09—0031—05取水工程附近河床冲淤规律数值模拟研究崔占峰，胡德超(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)摘要：取水口处的泥沙淤积问题关系到取水工程能否安全运行，从水流、河势角度论证了取水口布置的合理性，并减少取水对航道及防洪影响的必要性。以长江九江湖1：1水道某电厂取水1：／为例，采用平面二维水沙数学模型研究了取水口附近局部流态、河床冲淤、取水工程处悬沙含量等的变化规律，并对附近河床近期变化进行了预测。计算条件采用丰、中、枯典型年和典型系列年水沙条件，系列年考虑三峡工程和上游水库调度的影响。通过分析计算结果，选择了较优取水口方案，并推荐了适宜的取水口标高。研究结果表明，同一河段取水工程处河床冲淤规律受来水来沙条件和取水工程位置处的局部地形的共同影响。关键词：取水工程；河床冲淤；平面二维水沙数学模型中图法分类号：TV146文献标志码：ADOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．09．0081研究背景河道取水工程主要包括明渠式和淹没式两种。前者主要利用弯曲河道水流特性布置明渠进行引水，后者主要通过在一伸向河中的引水管道末端布置取水口(如单侧引水箱、蘑菇头)进行取水。自1958年我国开始自主研究火电厂发电以来，伴随着火力发电的快速发展，对电站河道取水口泥沙问题的研究也取得了一定的成果。谢翠松等对取水工程河段水流泥沙运动特性进行了数值模拟研究。取水工程的正常运行受较多因素影响，如取水口河段河势、取水工程头部河底高程变化、取水含沙量、取水建筑物形式等，而以往模型缺乏对多个因素的综合考虑。本文通过建立平面二维水沙数学模型，以长江下游某电厂为例，研究在不同水文年组合和不同频率洪水条件下取水工程河段冲淤变化情况，研究河势变化、取水工程头部河底高程变化、取水含沙量、取水建筑物形式等因素对取水工程的综合影响。2数学模型采用一般曲线坐标系下平面二维水流连续和运动方程、悬移质泥沙扩散方程、推移质不平衡输移方程和河床变形方程作为模型的控制方程。限于篇幅，各具体方程略。模型计算物理量采用同位(非交错)网格布置，方程离散采用有限体积法，离散方程组的求解采用SIM．PLEC解法。3工程附近水流泥沙运动模拟分析3．1模型率定及验证3．1．1取水工程概况某电厂位于九江市湖口水道中下段右岸、九江长江大桥下游约37km处，电厂规模包括2×l000MW燃煤机组，需在长江中取水。取水工程位于电厂北面约2．2km的包公山脚长江右岸，采用取水头加自流引水管取水方式，从河道中取水，设计取水量约1．0m／s。初步设计提供了4个取水口位置，需要通过泥沙数学模型计算，筛选出较优方案。3．1．2计算河段及网格划分综合考虑拟建工程所在河段的河势、工程可能影响范围及水文水位站点等因素，选取了八里江口至小收稿日期：2015—02—09基金项目：国家自然科学基金(51339001)；国家科技支撑计划项目(2013BABI2B02)作者简介：崔占峰，男，高级工程师，主要从事河流数值模拟研究。E—mail：cuizhanf@126．com34人民长江刷状态。(1)取水口位置1断面。除枯水年断面基本全为冲刷外，其他计算条件下断面均有冲有淤。左侧滩地整体均略有淤积，右侧近岸侧小范围内略有淤积，主流区则表现为冲刷。在计算条件下，断面最大冲刷3．9m(主流区)，最大淤积约3．0m(右侧近岸处)，其中取水口处河床冲淤变化值在一0．3～2．8Ill之间。(2)取水口位置2断面。在计算条件下断面均有冲有淤。局部冲淤状况与位置1断面类似。(3)取水口位置3断面。在计算条件下断面均有冲有淤，以冲为主。左侧滩地整体均略有淤积，右侧近岸侧及主流区均表现为冲刷。在计算条件下，断面最大冲刷8．5m(主流区靠右侧)，最大淤积约4Ill(左侧滩地)，其中取水口处河床冲淤变化值在～5．2～0．7m之间。表3备选取水口位置断面水力要素变化％(4)取水口位置4断面。在计算条件下断面均有冲有淤。左侧滩地整体均略有淤积，河道右侧及主流区表现为冲刷。在计算条件下，断面最大冲刷5．9in(主流区)，最大淤积约2．6m(左侧滩地)，其中取水口处河床冲淤变化值在一1．9～1．6m之问。从表3还可以看出，在丰水年条件下，各典型断面面积基本都略有减少，其中取水口位置4断面减小最多，取水口位置3面积则略有增加；在中水年条件下，各典型断面基本略有增加，其中取水口位置3增加最多，取水口位置4则略有减少；在枯水年条件下，各典型断面均有所增加，其中取水口位置3面积增加最大，取水口位置l面积增加最少；在系列年条件下，各典型断面基本略有减少，其中取水口位置1面积减少最多，取水口位置3面