湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐總平面布置研究

劉學(xué)著

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙410008）

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐蔡家洲壩址位湘江尾閭長(zhǎng)沙市下游望城區(qū)境內(nèi)，是湘江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中最下游的一個(gè)梯級(jí)樞紐，上距株洲航電樞紐約131 km，下距洞庭湖入長(zhǎng)江口約146 m。長(zhǎng)沙綜合樞紐是一座以航運(yùn)、取水和改善水環(huán)境為主，同時(shí)具有發(fā)電、交通和旅游等綜合利用功能的低水頭樞紐工程。

1 壩區(qū)自然條件

長(zhǎng)沙綜合樞紐推薦壩址位于蔡家洲中部偏上游的分汊河段，壩軸線上游約3 km 的丁字灣卡口寬約780 m；壩軸線處河寬約1 500 m，河道微彎，左岸為凹岸，右岸為凸岸；壩軸線下游2 km 有溈水河匯入。蔡家洲位于河道中部偏右，洲長(zhǎng)約5.5 km，高程約31.4 m，左汊為主汊和主航道，寬約820 m，右汊為副汊，寬約320 m。洪水期左右汊分流比約為8：2，枯水期、平水期右汊斷流。下游洪家洲洲頭距壩軸線約3.8 km，距溈水河入?yún)R口約1.8 km，蔡家洲洲尾與洪家洲洲頭形成上下交錯(cuò)狀，將該部分河道分成三汊。

湘江水量充沛，徑流年際變化大，年內(nèi)分布不均，樞紐河段年內(nèi)水位變幅達(dá)14 m。樞紐地處湘江尾閭，所在河段屬平原河流，河道微彎，河面寬廣，河流比降較小，水位受洞庭湖頂托影響明顯，壩址水位流量關(guān)系呈帶狀分布，同流量下的水位相差最大在10 m 左右。

2 樞紐布置總體原則

根據(jù)樞紐壩址處河段河勢(shì)、通航、防洪等因素，樞紐平面布置應(yīng)遵循以下原則［1］：

（1）樞紐總體布置應(yīng)滿足船閘通航條件和泄流能力的要求。壩址河段受蔡家洲、洪家洲、丁字灣卡口及溈水河出口的影響，河勢(shì)較為復(fù)雜，保證船閘通航條件和泄水閘泄洪能力是樞紐總平面布置的首要原則。

（2）樞紐總體布置應(yīng)根據(jù)航運(yùn)遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃的需要，預(yù)留具備建設(shè)條件的多線船閘位置。本樞紐位于湘江下游黃金水道，航運(yùn)繁忙，樞紐布置需預(yù)留合理的三線船閘位置［2］，以滿足較長(zhǎng)時(shí)期航運(yùn)增長(zhǎng)的需求。

（3）應(yīng)在滿足樞紐泄洪要求和船舶安全過(guò)閘的前提下，盡量減少各主要建筑物在不同工況下的相互干擾，兼顧工程施工和運(yùn)行管理方便等因素，并因地制宜地充分利用壩址處地形、地質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行。

（4）樞紐各建筑物布置應(yīng)結(jié)合施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，并滿足施工導(dǎo)流要求。應(yīng)以既滿足施工期泄洪、通航又便于工程施工為原則，盡量做到施工期不斷航。

3 樞紐平面布置方案及特點(diǎn)

樞紐主要建筑物包括雙線單級(jí)2 000 t 級(jí)船閘（預(yù)留三線船閘）、46 孔泄洪閘、裝機(jī)6 臺(tái)的水電站、魚(yú)道和壩頂公路橋等。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，永久性主要水工建筑物設(shè)計(jì)洪水為100 a 一遇、校核洪水為500 a 一遇。樞紐正常蓄水位及死水位均為29.70 m。雙線船閘設(shè)計(jì)高水位按20 a 一遇洪水位，相應(yīng)流量21 900 m3/s，設(shè)計(jì)低水位按P=98%水位。

根據(jù)上述樞紐平面布置原則，提出了船閘分別位于蔡家洲左汊左岸側(cè)的平面布置方案一及位于蔡家洲左汊右側(cè)的平面布置方案二。

總平面布置方案一：船閘布置在蔡家洲左汊左側(cè)岸邊，電站布置在蔡家洲左汊右側(cè)洲邊，各建筑物工程布置從左至右依次為雙線船閘（左岸預(yù)留三線船閘位置）、26 孔凈寬22 m 堰頂高程18.5 m 主泄水閘、排污槽、6 臺(tái)機(jī)組電站、魚(yú)道、蔡家洲副壩、右汊20 孔凈寬14 m 堰頂高程25.0 m 副泄水閘，見(jiàn)圖1。

圖1 樞紐總平面布置方案一Fig.1 General layout of junction（Scheme 1）

總平面布置方案二：船閘布置在蔡家洲左汊右側(cè)洲邊，電站布置在蔡家洲左汊左側(cè)岸邊，其他建筑物布置與方案一基本相同，見(jiàn)圖2。

圖2 樞紐總平面布置方案二Fig.2 General layout of junction（Scheme 2）

4 樞紐平面布置方案的比較

4.1 樞紐泄流能力的比較

樞紐泄流能力與壩址河勢(shì)及地形地貌關(guān)系密切，雖然兩布置方案的泄水閘孔數(shù)以及堰型和堰頂高程等均相同，但不同的樞紐布置型式泄流能力也不盡相同［3］。方案一船閘上游引航道及導(dǎo)流堤基本位于原左汊河道的回流區(qū)，導(dǎo)流堤對(duì)河道水流有調(diào)順作用，保證了樞紐的泄流能力，100 a 一遇洪水模型試驗(yàn)壅高值為0.1 m。方案二船閘上游引航道及導(dǎo)流堤較長(zhǎng)，且位于蔡家洲左汊河道的主流區(qū)，引起較大范圍的回流，回流區(qū)的存在導(dǎo)致水流不暢，減少了該河段的過(guò)流斷面，100 a 一遇洪水模型試驗(yàn)壅高值為0.14 m。

因此就泄流能力來(lái)講，方案一要優(yōu)于方案二。

4.2 通航條件的比較

方案一樞紐壩址下游2 km 左岸有溈水河匯入湘江，該河寬約180 m，2 a、10 a、20 a 一遇洪水流量分別為1 580、2 750、3 350 m3/s，出流與船閘連接段航道交角約30°。溈水入?yún)R流量與壩址同期湘江干流流量平均匯流比為0.02，大部分在0.05 以內(nèi)；二者同日出現(xiàn)洪峰的機(jī)率占12.5%，5 日內(nèi)遭遇機(jī)率約占25%，10 日內(nèi)遭遇機(jī)率約占37.5%。

樞紐平面布置方案一船閘通航條件試驗(yàn)研究結(jié)果表明，由于船閘上游引航道口門區(qū)及連接段位于蔡家洲左汊左岸緩流區(qū)，洪水流量下水流較平順，通航水流條件能夠滿足要求，參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于下游引航道口門區(qū)及連接段航道而言，①湘江干流與溈水正常遭遇時(shí)，當(dāng)Q干＜13 500 m3/s 時(shí)，通航水流條件能夠滿足船舶（隊(duì))航行要求；當(dāng)13 500 m3/s≤Q干≤21 900 m3/s 時(shí)，受過(guò)下游導(dǎo)流堤堤頭后擴(kuò)散水流的影響，口門區(qū)右側(cè)航道內(nèi)橫流較大，船舶（隊(duì)）只能沿口門區(qū)左側(cè)航線單線航行，參數(shù)見(jiàn)表2。②湘江干流與溈水各種不利遭遇時(shí)，下游口門區(qū)及連接段航道內(nèi)均存在不利于船舶航行的航道段，若湘江干流的中、枯水流量遭遇溈水的洪水流量時(shí)，因溈水入?yún)R口航道段斜流及右向橫流較大而不利于船舶（隊(duì)）航行；若湘江干流的洪水流量遭遇溈水的枯水流量時(shí)，因溈水頂托作用減弱而使下游導(dǎo)流堤堤頭至溈水入?yún)R口航道段左向橫流較大而不利于船舶（隊(duì)）航行，參數(shù)見(jiàn)表3［4］。

表1 船閘上游口門區(qū)及連接段內(nèi)最大流速值Tab.1 The maximum velocity within the upper entrance area and connecting section of ship lock

表2 船閘下游口門區(qū)及連接段內(nèi)最大流速值（正常遭遇）Tab.2 The maximum velocity within the lower entrance area and connecting section of ship lock (with normal encounter)

表3 船閘下游口門區(qū)及連接段內(nèi)最大流速值（非正常遭遇）Tab.3 The maximum velocity within the lower entrance area and connecting section of ship lock (with non-normal encounter)

針對(duì)樞紐平面布置方案一存在的下游口門區(qū)斜流大、導(dǎo)流堤堤頭挑流明顯等問(wèn)題，通過(guò)改變船閘挑流堤平面型式、口門區(qū)加設(shè)導(dǎo)流墩、溈水河口設(shè)直立式導(dǎo)流堤等措施對(duì)樞紐平面布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。方案優(yōu)化后試驗(yàn)表明：在通航流量范圍內(nèi)，上、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件能基本滿足要求，最大橫向流速降至0.3 m/s 內(nèi)。

方案一船模航行條件試驗(yàn)研究表明，船閘布置滿足安全航行要求。在Q干=5 000 m3/s、Q溈水=3 350 m3/s流量組合下，下游口門區(qū)及連接段航行條件較優(yōu)，船模沿左、右側(cè)航線上、下航行均比較順利，滿足安全航行要求。船模沿左側(cè)航線上行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為 11.7°，最大漂角為4.6°，下行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為9.6°，最大漂角為5.1°；船模沿右側(cè)航線上行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-18.5°，最大漂角為6.6°，下行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-5.7°，最大漂角為-5.8°。在Q干=21 900 m3/s、Q溈水=219 m3/s 流量組合下，由于下泄流量的增大，在堤頭下100～700 m 航道內(nèi)，右側(cè)航線上向左側(cè)的斜流較Q干=13 500 m3/s 有所增大，船模有一定程度的漂移，但航向比較容易控制，進(jìn)出口門比較順利。船模沿左側(cè)航線上行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-14.9°，最大漂角為4.4°，下行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-10.8°，最大漂角為3.9°；船模沿右側(cè)航線上行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-18.6°，最大漂角為4.7°，下行時(shí)在口門區(qū)的最大舵角為-10.3°，最大漂角為-7.4°。

樞紐平面布置方案二船閘通航條件試驗(yàn)研究結(jié)果表明，由于船閘上游引航道口門區(qū)及連接段位于蔡家洲左汊右側(cè)的主流區(qū)，由于堤頭挑流以及引航道內(nèi)靜水頂托，在口門區(qū)及連接段內(nèi)形成斜流，且由斜流分解而成的左向橫流隨流量的增加逐漸增加，當(dāng)流量Q干=13 500 m3/s、19 700 m3/s、21 900 m3/s 時(shí)，左側(cè)口門區(qū)航道內(nèi)橫流大于0.3 m/s 的測(cè)點(diǎn)在增加，最大橫流分別達(dá)0.35 m/s、0.39 m/s、0.43 m/s，上游引航道口門區(qū)通航水流條件不能滿足要求，船舶（隊(duì)）只能沿上游口門區(qū)及連接段右側(cè)航線單線航行。

下游引航道口門區(qū)及連接段航道，當(dāng)流量Q干=13 500 m3/s、19 700 m3/s、21 900 m3/s 時(shí)，洪家洲右汊過(guò)流量顯著增加，航道內(nèi)流速隨流量的增加而增加；水流從堤頭下500 m 附近受蔡家洲左側(cè)護(hù)岸走向影響，開(kāi)始向右側(cè)擴(kuò)散，而由于橫跨洪家洲的京珠復(fù)線高速公路橋在其右汊無(wú)通航孔，因此下游航線只能經(jīng)洪家洲左汊而下，致使水流斜穿下游連接段航道，水流橫向流速遠(yuǎn)超規(guī)范限值，三級(jí)流量下最大橫流分別為0.59 m/s、0.71 m/s、0.82 m/s，且無(wú)法通過(guò)工程措施予以解決，通航水流條件無(wú)法滿足船舶（隊(duì)）航行要求。

因此就通航水流條件來(lái)講，方案一要優(yōu)于方案二。

4.3 蔡家洲左右汊分流比的比較

樞紐布置方案一、方案二的船閘和電站均布置于蔡家洲左汊，左汊均布置26 孔凈寬22 m、堰頂高程為18.5 m 的低堰，右汊均布置20 孔凈寬14 m、堰頂高程為25.0 m 的高堰，只是兩方案左汊內(nèi)船閘、電站、泄水閘的位置有所不同。通過(guò)對(duì)對(duì)下線水位時(shí)現(xiàn)狀條件下Q=13 500 m3/s、樞紐平面布置方案一和樞紐平面布置方案二況下Q=13 500 m3/s、Q=17 500 m3/s、Q=19 700 m3/s、Q=21 900 m3/s 典型流量下左右汊分流比進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)表4［4］。

表4 蔡家洲左右汊分流比Tab.4 Discharge ratio of the left and right branches at Caijiazhou

可以看出，2 a 一遇洪水流量（13 500 m3/s）下，工程前后左右汊分流比變化不大，在1%左右；其他洪水流量下，工程后左汊分流比仍在80%左右、右汊分流比仍在20%左右。兩方案相比，由于方案一左汊船閘引航道占據(jù)的為左汊河道的緩流區(qū)，而方案二左汊船閘引航道所占河寬為河道的主流區(qū)，方案一左汊分流量稍大于方案二，但兩方案對(duì)左右汊河道天然分流比改變均不大，有利于下游河道的穩(wěn)定。

4.4 船閘上下游航道穩(wěn)定性分析比較

由于方案二船閘上、下游均位于河道主流區(qū)內(nèi)，樞紐建成后，航道的穩(wěn)定性會(huì)較好。而方案一上游航道處于緩流區(qū)，口門區(qū)及連接段航道將是懸移質(zhì)泥沙易淤積區(qū)，且下游航道距溈水入?yún)R口較近，從目前水流條件角度，在湘江干流與溈水正常遭遇情況下，不需要將溈水河口改道或輔以導(dǎo)流建筑物；但是航道偏離原自然航道在左岸河口沖積扇邊灘上開(kāi)挖，且開(kāi)挖較深，航道穩(wěn)定性會(huì)較差。

因此，就船閘上下游航道穩(wěn)定性來(lái)講，方案二要優(yōu)于方案一。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)長(zhǎng)沙綜合樞紐所處壩區(qū)河段的河勢(shì)、地形等自然條件，將電站、船閘均布置在左汊主河道內(nèi)，通過(guò)對(duì)船閘分別布置于蔡家洲左汊左岸側(cè)方案一及布置于蔡家洲左汊右側(cè)方案二的樞紐泄流能力、船閘通航條件、工程前后壩區(qū)分汊河段左右汊分流比變化等多方面綜合對(duì)比分析后，推薦船閘布置于左汊左岸側(cè)的方案一為建設(shè)方案。

（2）以航運(yùn)、發(fā)電和改善水環(huán)境為主的內(nèi)河梯級(jí)綜合樞紐工程，保證船閘通航條件和泄水閘泄洪能力是樞紐總平面布置的首要原則。

（3）當(dāng)樞紐壩址位于左右兩汊道分流比相差較大、河底高程相差亦較大的河段時(shí)，為保證樞紐的通航、發(fā)電效益，應(yīng)將船閘、電站等主要建筑物布置在主汊河道，且不宜將船閘布置在江心洲一側(cè)（即使江心洲一側(cè)很順直也不宜布置船閘）；同時(shí)為確保樞紐下游河床的穩(wěn)定，泄水閘孔布置時(shí)應(yīng)盡量保證工程后壩區(qū)左、右兩汊分流比與工程前相近。

（4）對(duì)于含沙量不大的河流，當(dāng)船閘引航道在主河道內(nèi)順河布置，并占據(jù)主河道一部分河寬時(shí)，將船閘布置于流速相對(duì)較小河岸側(cè)有利于樞紐的泄流及船閘通航。但不論樞紐總體平面布置如何，船閘上下游引航道口門區(qū)因水流收縮（對(duì)上游）和擴(kuò)散（對(duì)下游），均會(huì)產(chǎn)生不利于船舶航行的斜向流和回流，而楔形導(dǎo)流墩是破除口門區(qū)斜流及回流較理想的導(dǎo)流建筑［5-8］。

［1］JTS 182-1-2009，渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTJ 305-2001，船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］劉曉平，曹周紅. 湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐總體平面布置物理模型試驗(yàn)研究［R］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

［4］普曉剛，郝品正. 湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘通航條件及布置方案優(yōu)化模型試驗(yàn)研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

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