大源渡航電樞紐二線船閘下游通航條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

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(長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410076)

1 樞紐概況

大源渡航電樞紐位于湖南省衡陽市下游62 km，其下游距株洲市120 km，壩址以上控制流域面積53 200 km2，是湘江衡陽至城陵磯439 km千噸級(jí)航道第一個(gè)以電養(yǎng)航的航電樞紐工程。樞紐所處河段屬彎曲河段，右岸為丘陵山體，左側(cè)凸岸為臺(tái)地，洪水期河寬480～1 250 m；下游有洣水入?yún)R，在入?yún)R河口形成一片沖積洲，該洲洪水期淹沒，中、枯水期出露，使樞紐下游河段在中、枯水期時(shí)成為分汊河道，且中、枯水期下泄水流大部分從河道左汊急彎深槽過流，而下游引航道口門區(qū)處于該狹窄的S型連續(xù)彎曲河道之中[1]。

樞紐一線船閘工程于1995年12月動(dòng)工興建，2000年6月全部建成投產(chǎn);其閘室有效尺度為180 m×16 m×3 m(長×寬×門檻水深)，可通航一頂4 000 t級(jí)駁船船隊(duì)。為滿足湘江沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，確保大噸位船型能從城陵磯直通衡陽，2012年3月，由湖南省交通運(yùn)輸廳牽頭開展湘江Ⅱ級(jí)航道建設(shè)可行性研究工作，大源渡航電樞紐2 000 t級(jí)二線船閘工程是其中工作之一[2]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 下游工程布置

設(shè)計(jì)方案采用多線船閘平行并列布置形式，二線船閘位于原一線船閘右側(cè)，船閘軸線間距80 m。擬建二線船閘后，隨著通航船舶(隊(duì))船型增大，樞紐下游引航道口門區(qū)寬度隨之增寬，必將占用更多的過流河道并影響樞紐下游河段行洪能力。故設(shè)計(jì)方案以改善下游引航道口門區(qū)通航水流條件及河段行洪能力為出發(fā)點(diǎn)，于下游引航道修筑長205 m導(dǎo)航墻及導(dǎo)流墩調(diào)順?biāo)?，改善口門區(qū)流態(tài)；導(dǎo)航墻右側(cè)沖積洲斜線陰影區(qū)域疏浚至37.3 m高程，以增大下游河段過流斷面，提高其行洪能力(如圖1)。

2.2 下游通航水流條件試驗(yàn)分析

在不同特征流量(枯水期Q總=1 440 m3/s，中水期Q總=4 000 m3/s，洪水期Q總=8 900 m3/s，最大通航流量Q總=17 500 m3/s)下進(jìn)行設(shè)計(jì)方案水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1設(shè)計(jì)方案下游口門區(qū)通航水流條件

Table1Navigableflowconditionsintheentranceareaofthedownstream(projectdesign)

試驗(yàn)工況最大橫向流速/(m·s-1)最大縱向流速/(m·s-1)備注枯水期1.192.24中水期0.822.84洪水期0.822.67最大通航流量0.752.78根據(jù)《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[3],船閘為II級(jí)時(shí)口門區(qū)水流面表流速限值為:縱向流速Vy≤2.0 m/s,橫向流速Vx≤0.3 m/s,回流V0≤0.4 m/s。

試驗(yàn)結(jié)果分析可知：樞紐下游口門區(qū)因有洣水入?yún)R及沖積洲阻水作用，下游河段在中、枯水期(Q總≤4 000 m3/s)時(shí)形成分汊河道，大壩下泄水流大部分歸入沖積洲左汊深槽形成彎道水流，從而導(dǎo)致口門區(qū)水流夾角較大(α=12°～50°)，通航水流條件最為惡劣且不滿足規(guī)范要求(見圖2(a)、圖2(b))。當(dāng)4 000 m3/s

圖2 設(shè)計(jì)方案下游口門區(qū)流場(chǎng)圖

3 優(yōu)化方案

3.1 方案概述

根據(jù)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)分析結(jié)果及國內(nèi)外學(xué)者對(duì)船閘引航道口門區(qū)通航水流條件改善措施的經(jīng)驗(yàn)[3-5]，結(jié)合大源渡樞紐二線船閘工程實(shí)際情況，初步擬定了疏導(dǎo)方案和隔擋方案2大優(yōu)化措施，如圖3所示。

(1) 疏導(dǎo)方案是在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上通過增大右岸疏浚范圍及修筑導(dǎo)流墻(堤)相結(jié)合的導(dǎo)流措施，增大引航道口門區(qū)右側(cè)的過流斷面，以減小口門區(qū)水流夾角及流速，從而改善下游口門區(qū)通航水流條件。

(2) 隔擋方案在下游口門區(qū)外側(cè)布置隔水墻，完全擋住由沖積洲左側(cè)深槽流向口門區(qū)的水流及漫過沖積洲傾向口門區(qū)的斜流，從而達(dá)到改善下游口門區(qū)通航水流條件的目的。

3.2 疏導(dǎo)方案試驗(yàn)分析

針對(duì)設(shè)計(jì)方案下游引航道口門區(qū)水流條件出現(xiàn)的問題及其原因，對(duì)疏導(dǎo)方案進(jìn)行不同特征流量(枯水期Q總=1 440 m3/s，中水期Q總=4 000 m3/s，洪水期Q總=8 900 m3/s)下的水工模型試驗(yàn)，分析下游口門區(qū)通航水流改善效果。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 疏導(dǎo)方案下游口門區(qū)通航水流條件

圖3 疏導(dǎo)方案下游引航道口門區(qū)方案布置圖

(1) 優(yōu)化方案1：該方案在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，沿疏浚區(qū)域右側(cè)邊緣線拋筑長1 500 m，高程44 m的導(dǎo)流堤(如圖3)，通過其分流作用減小沖積洲左側(cè)深槽下泄水流對(duì)口門區(qū)的影響，且阻擋漫過沖積洲直沖口門區(qū)的水流，從而改善下游口門區(qū)流態(tài)。由表2可知，該方案下游口門區(qū)流態(tài)相較于設(shè)計(jì)方案有所改善，但其改善效果有限，在枯、中、洪水期時(shí)仍不滿足通航規(guī)范要求。

(2) 優(yōu)化方案2：結(jié)合優(yōu)化方案1試驗(yàn)結(jié)果及原因，優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上增加疏挖長導(dǎo)堤右側(cè)高程為37.5 m，貫穿沖積洲的疏浚區(qū)，疏挖區(qū)域從壩下開始分流且連通至下游河道束窄段，起到分流、引流作用(如圖3)。該方案旨在利用導(dǎo)堤與右側(cè)疏浚區(qū)相結(jié)合的方法，增大導(dǎo)堤右側(cè)過流斷面，進(jìn)一步減少流向口門區(qū)的流量，達(dá)到改善下游口門區(qū)流態(tài)的目的，各特征流量下口門區(qū)流速如表2所示。該方案在流量Q總≤4 000 m3/s時(shí)能較好地改善下游口門區(qū)流態(tài)，通航水流條件基本滿足規(guī)范要求；但隨著流量增大至導(dǎo)堤過流后(Q總≥8 900 m3/s),一旦漫過導(dǎo)堤的水流則集中流向口門區(qū)，造成口門區(qū)的橫向流速較大，不滿足通航規(guī)范要求。

3.3 隔擋方案試驗(yàn)分析

由疏導(dǎo)方案試驗(yàn)研究結(jié)果可知：①下游口門區(qū)存在的主要問題是橫向流速偏大，不滿足規(guī)范要求；導(dǎo)致橫向流速過大的主要原因是下游口門區(qū)正處于沖積洲左汊深槽，且有洣水入?yún)R頂推的作用而形成集中流向口門區(qū)的斜向水流；②通過拋筑導(dǎo)堤和疏挖導(dǎo)堤右側(cè)河床等疏導(dǎo)措施改善效果有限，只能在一定流量范圍內(nèi)(Q總<8 900 m3/s)下游口門區(qū)通航水流條件才滿足通航規(guī)范要求；一旦流量增大、導(dǎo)堤淹沒，水流則漫過導(dǎo)堤集中向下游口門區(qū)匯流，造成口門區(qū)橫流過大。結(jié)合大源渡樞紐實(shí)際情況，為尋求更直接有效的優(yōu)化措施，提出在口門區(qū)右側(cè)修筑隔水墻的隔擋方案，下游口門區(qū)通航建筑物布置如圖4所示。

圖4 隔擋方案下游引航道口門區(qū)方案布置圖

優(yōu)化方案3(隔擋方案)保留原設(shè)計(jì)方案引航道導(dǎo)航墻，且在口門區(qū)外側(cè)布置長360 m、頂高程56 m隔水墻，隔水墻與引航道導(dǎo)航墻間距20 m，中間布置菱形導(dǎo)流墩調(diào)順?biāo)?。為?yàn)證隔擋方案的可行性，本方案水工模型試驗(yàn)特征流量在疏導(dǎo)方案基礎(chǔ)上增加最大通航流量Q總=17 500 m3/s工況，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 隔擋方案下游口門區(qū)通航水流條件

試驗(yàn)結(jié)果表明：隔擋方案通過隔水墻將下游口門區(qū)與河道水流分開，從枯水期到最大通航流量均能使口門區(qū)通航水流條件得到很好的改善，橫向及縱向流速均滿足規(guī)范要求；在口門區(qū)內(nèi)側(cè)原丁壩和隔水墻進(jìn)水口處產(chǎn)生回流，但回流流速很小，不影響安全通航(最大回流Vmax≤0.33 m/s)，亦滿足通航規(guī)范要求。各特征流量工況下游口門區(qū)流場(chǎng)圖如圖5所示。

圖5 隔擋方案下游口門區(qū)流場(chǎng)圖

3.4 隔擋方案下游連接段試驗(yàn)分析

連接段是口門區(qū)與主航道之間的過渡段，因此連接段水流條件的好壞是船舶(隊(duì))是否能順利進(jìn)入口門區(qū)引航道、安全過壩的關(guān)鍵問題之一。隔擋方案通過采用導(dǎo)流墩和隔水墻后明顯改善了下游口門區(qū)的通航水流條件，但其矛盾可能向下轉(zhuǎn)移到連接段，從而導(dǎo)致下游連接段水流條件惡化，加之連接段位置正處于河段束窄的彎道水流區(qū)域，船舶可能難以安全進(jìn)、出口門區(qū)，故需通過船模試驗(yàn)論證船舶在此處是否可以安全航行[6]。

船模試驗(yàn)采用1 000 t自航駁，2 000 t自航駁，2 000 t頂推船隊(duì)3種代表船型，選取1 440，4 000，8 900，17 500 m3/s 4個(gè)典型流量。試驗(yàn)結(jié)果分析表明：在中枯水期(Q總=1 440 m3/s和Q總=4 000 m3/s)，下游連接段流速較小，最大流速小于2.4 m/s，3種船型航行姿態(tài)較好，舵角、漂角均在要求范圍之內(nèi)，船舶(隊(duì))能順利通過。在洪水期、最大通航(Q總=8 900 m3/s和Q總=17 500 m3/s)流量下游連接段內(nèi)平均流速為2.84 m/s，且連接段水流流向與航道中心線存在一定的夾角(α≤28°)；3種船型通過連接段時(shí)易受彎道水流的影響，船模航行相對(duì)困難，其船模最大舵角為16.6°，最大漂角為9°，基本滿足船舶航行要求。

4 通航建筑物布置方案比選

為選擇能有效改善下游口門區(qū)通航水流條件的布置方式，綜合考慮下游口門區(qū)、工程施工對(duì)通航影響及工程量等因素，各布置方案工程效果對(duì)比如表4所示。

綜合來看，此方案在各特征流量下口門區(qū)通航水流條件得到很好的改善，均滿足通航規(guī)范要求。以改善下游引航道口門區(qū)通航水流條件及下游河段行洪能力為前提條件，設(shè)計(jì)方案雖然工程量相對(duì)較小，但其無法改善下游口門區(qū)水流條件；優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2雖在一定流量時(shí)對(duì)口門區(qū)流態(tài)有所改善，但當(dāng)其達(dá)到一定流量時(shí)仍不滿足通航規(guī)范要求，且修筑長導(dǎo)堤及疏浚范圍的工程量巨大、成本高；優(yōu)化方案3有效改善了下游口門區(qū)流態(tài)，相較于疏導(dǎo)方案工程量更小，且施工期對(duì)船舶正常通航影響小。

表4 各方案工程效果對(duì)比

5 結(jié) 語

通過對(duì)大源渡航電樞紐二線船閘下游布置方案多方案多組次水工模型試驗(yàn)研究成果的深入分析比選，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 原設(shè)計(jì)方案在枯、中、洪水期時(shí)，下游引航道口門區(qū)縱、橫向流速均不滿足通航水流規(guī)范要求，需要對(duì)其優(yōu)化改善。

(2) 在彎曲河流中，類似于疏導(dǎo)方案通過修筑導(dǎo)堤和疏挖河床分流、引流等工程措施工程難度大、成本高，且口門區(qū)流態(tài)難以滿足通航規(guī)范要求；故建議在樞紐選址時(shí)應(yīng)綜合考慮遠(yuǎn)期規(guī)劃、通航條件、河段行洪等因素，盡量避開彎曲河段布址。

(3) 隔擋方案通過修筑隔水墻將下游口門區(qū)與河道水流分開，直接擋住中、洪水期傾向口門區(qū)的斜流，使口門區(qū)流態(tài)得到很好地改善，滿足安全通航規(guī)范要求；故推薦優(yōu)化方案3(隔擋方案)為樞紐二線船閘下游引航道口門區(qū)布置方案，供相關(guān)設(shè)計(jì)參考和借鑒。

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