山區(qū)復雜條件下已建船閘通航條件改善措施研究

路蒞楓,王 能,普曉剛

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司,長沙 410011；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司,長沙 410008；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

山區(qū)河流上建設水利樞紐往往受河道狹窄、彎曲、洪水峰高量大等復雜條件限制，船閘引航道口門區(qū)在中、洪水期較難滿足安全通航要求，為改善船閘口門區(qū)通航水流條件，透空式導流結構是常采用措施之一。透空式導流結構通過分解突擴水流，可以較好的改善口門區(qū)通航水流條件。國內外學者研究了多種透空式結構改善措施，如導流墩、浮式導流堤、透空式導流墻等方法[1-4]。

國外導航墻(堤)墻頭與墻身開孔是改善口門區(qū)水流條件的主要措施,墻頭開孔,長度為20～70 m。如德國摩賽爾河上的列門、方凱爾樞紐以及薩爾河上雷靈根壅水壩樞紐的船閘上游導航堤均采用了堤頭開孔,能減弱回流強度和范圍,從而獲得滿意的航行條件[5]。

表1 國內透空式導墻工程實踐案例Tab.1 Domestic permeable guidewall engineering projects

國內透空導墻(堤)的工程實踐案例較多[6-7](表1)。如渠江風洞子、風儀樞紐、新灘樞紐、小龍門樞紐、嘉陵江紅巖子、新政等船閘，都采取了在導航墻上開孔達到改善山區(qū)河流船閘引航道口門區(qū)通航水流條件的目的。此外，在葛洲壩水利樞紐的試驗研究中, 也表明只要導流堤頭開孔布置合適, 能降低堤頭附近的橫流作用, 但存在孔口泥沙淤積問題。國內有關的工程案例其透空導墻孔口多為等間距、等高度布置，與國外工程不同的是部分樞紐采用孔口軸線與船閘軸線成30°～60°夾角的設計。

已建的五強溪樞紐位于沅水干流下游湖南省沅陵縣楊五廟，建筑物主要有左岸500 t級船閘、混凝土重力壩、9孔溢流壩、中泄洪孔、右岸壩后式主副廠房等組成，總布置按一列式(圖1)。樞紐所在河段為典型的山區(qū)河流， 1995年2月船閘正式通航，但受河道邊界條件、樞紐運行及既有工程的影響，船閘下游口門區(qū)通航流態(tài)較差[8]，流量超1 940 m3/s時已不滿足通航要求，遠低于設計最大通航流量7 800 m3/s。

圖1 五強溪水電站主要建筑物布置圖Fig.1 Layout of main buildings of Wuqiangxi hydropower station

結合五強溪電站下游船閘引航道口門區(qū)水流條件及其改善措施的研究，對比研究了多種透空式導流結構的整治措施對水流條件的改善效果。五強溪船閘下游導流堤較短，無法阻隔主流斜穿口門區(qū)，同時受下游河寬逐漸收縮的河勢和左側河道為深槽、右側為邊灘的復雜河床形態(tài)的綜合影響，中、洪水流量下流急、偏角大，致使口門區(qū)橫向流速及回流流速過大。透空式導流結構主要是通過上部擋流、下部導流的形式來減弱斜向水流，而底部水流會繞過導流堤形成一股向上涌起的水流，該股水流對船舶航向不利。在導流堤下游口門區(qū)外側布置若干連續(xù)的導流墩，可以把口門區(qū)大范圍的回流分解成若干不連續(xù)的小回流區(qū)，由于主流動力作用長度減小，口門區(qū)內的回流強度相應得到減弱；同時導流墩的阻擋作用，使進入口門區(qū)的水流動量減小，相應削弱了口門區(qū)內的斜流。結合透空導流堤(墻)與導流墩各自優(yōu)勢，提出了適用于山區(qū)復雜條件下改善船閘口門區(qū)通航水流條件的樁基透空導流屏的新型結構,可為同類項目提供借鑒參考。

1 模型概況

根據(jù)五強溪樞紐船閘所處河道特征、河床形態(tài)、地形特點等，確定試驗模型為定床正態(tài)，幾何比尺為1:100，模擬原型河道長度約為5.2 km，其中壩址上游長約1.2 km，壩址下游長約4 km，寬度為400～900 m不等。因此，模型全長約52 m，模型寬4～9 m，見圖2。

圖2 模型平面布置Fig.2 Model layout

通過1 080 m3/s(枯水)、2 770 m3/s(中水)、6 250 m3/s(洪水)三級流量下水面線、流速分布和斷面流量驗證，模型左、右岸水面線與天然水面線基本吻合，水位誤差均在±0.1 m內，模型與原型達到了阻力相似；斷面流速分布趨勢與原型基本一致，模型的水流運動與原型相似。驗證結果均滿足《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》(JTJ/T232-98)和《通航建筑物水力學模擬技術規(guī)程》(JTJ/T235-2003)的要求。因此，在此基礎上進行模型試驗，其成果是可靠的。

2 現(xiàn)狀條件下船閘口門區(qū)礙航原因

五強溪樞紐船閘最小通航流量(Q=390 m3/s)時，下游引航道口門區(qū)約50 m，而45 m等高線貫穿下游導流堤堤頭以下航道，最小通航流量下航深在5 m以上，說明下游航道航深富裕，礙航主要由水流流態(tài)所導致。

從五強溪樞紐壩下河床形態(tài)來看，導航墻右側附近河床存在長條形沖刷溝，沖溝寬度約60 m，底標高在37～41.8 m，堤頭附近形成橢圓形沖刷坑，沖刷坑最低底標高為30 m。此外，從樞紐下游為河寬逐漸收縮的河勢，即右岸河床自電站尾水渠以下逐漸向左側收縮，電站出口斷面河道寬度約460 m，至壩下500 m附近河寬縮窄至350 m。上述壩下地形特征致使在中、洪水流量下，泄水閘下泄水流沿導航墻外側沖溝而下，行至導航墻堤頭后繞過堤頭斜沖引航道口門區(qū)。因此，船閘下游引航道口門下方深槽吸流，且導航墻僅有275 m，無法阻隔主流斜穿口門區(qū)，加之下游逐漸向左收縮的河勢，致使口門區(qū)航道與主流流向交角較大，相應橫流及回流流速過大。

3 改善五強溪船閘口門區(qū)水流條件導流結構方案及選型論證

由于五強溪水電站下游口門區(qū)受泄流影響，中、洪水期來流動力較強，單一的工程措施無法達到較好改善船閘口門區(qū)水流條件的目的。為解決礙航問題，結合其他山區(qū)河流相關的透空導墻(堤)的工程實例及研究成果，采用多類型工程措施相結合的方法，開展多方案的模型試驗，進行方案論證比選。先期進行了12組以上方案試驗研究，由于篇幅限制，不再贅述。

在此僅簡要對底部透空式樁基隔流堤方案成果進行簡要分析，方案平面布置見圖3。

圖3 樁基隔流堤方案布置圖Fig.3 Layout plan of pile foundation separation levee

底部透空式樁基隔流堤方案是在已建導流堤堤頭下游布置長307 m的樁基隔流堤，由16個樁基連系墩和15段插板組成。最上游的樁基連系墩1#墩與原堤頭銜接，下游每20 m布置一樁基連系墩，分別為2#～16#墩。各連系墩上設有插槽，插槽在標高48.50～58.50 m通長布置，在插槽范圍內布置插板，插板布置范圍為在水位48.5(最低通航水位以下1.5 m)～58.5 m，通過插板與樁基連系墩相連。同時將原導流堤附近深槽回填至45 m。

試驗成果表明，受隔流堤調流及深槽回填后吸流作用減弱，當Q≤3 500 m3/s時，與工程前相比，堤頭附近回流范圍及回流強度明顯減小，回流區(qū)主要存在于堤頭附近至2#樁基連系墩之間；口門區(qū)內斜流流速有所減小，橫向流速一般在0.3 m/s以內，縱向流速沿程遞增，最大縱向流速Vymax=1.41 m/s，通航水流條件滿足要求。當Q>3 500 m3/s時，堤頭以下100～300 m范圍內樁基連系墩附近存在漩渦、泡漩水等不良流態(tài)，并逐步擴散至引航道口門區(qū)內，導致堤頭以下150～300 m左側口門區(qū)內水流向右側主河道偏轉，流速偏角在13°～32°，最大橫流Vxmax=0.81 m/s，通航水流條件較差，對船舶航行不利。因此，底部透空式樁基隔流堤方案對引航道口門區(qū)水流條件改善效果并不理想。

通過多方案嘗試后，按照“導流為主、兼顧擋流”的思路，結合樁基隔流堤與導流墩各自優(yōu)勢，提出了一種新型口門區(qū)導流建筑物——導流屏。其導流原理是其下部采用透空式結構，基本不改變原有的水流由外向內的運動形式，但下部水流流速一般而言要小；上部的插板部分阻擋表層水流進入口門區(qū)并調順流向，但承臺上的兩插板銜接段留有一定寬度的豎向流道，該豎向流道流速強勁但流向基本沿插板方向，一定程度上壓制或平衡下部的透空式結構進入水流的擴散，包括上升流。

圖4 導流屏結構形式Fig.4 Diversion vanes structural type圖5 導流屏平面布置Fig.5 Layout plan of diversion vanes

導流屏結構形式見圖4，平面布置見圖5。導流屏主要由灌注樁、承臺及插板組成，總長204.5 m，承臺上的兩插板銜接段留有2.25 m的豎向流道。導流屏中心軸線與航線平行，承臺間距20 m，最上游的承臺緊緊接原有導航墻。承臺底底標高45 m，底部設2～4根直徑2.5 m灌注樁。承臺與航中線夾角為16°，承臺上部為2根3 m×3.5 m并設有插槽的混凝土柱體，插槽內布置插板10塊等高的插板，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長20 m，最下1塊插板底高程為48 m。

樁基透空式導流屏設計方案工程前后引航道口門區(qū)橫流及回流強度匯總于表2。

由表中數(shù)據(jù)可知，各流量級下，船閘下游口門區(qū)回流范圍及強度均較工程減小，回流區(qū)主要位于堤頭附近至3#承臺間，最大回流流速0.37 m/s；口門區(qū)內橫向流速亦明顯減小，Q≤6 000 m3/s時，口門區(qū)最大橫向流速在0.3 m/s以內，Q=7 800 m3/s時，口門外100～150 m范圍內航中線右側個別測點橫向流速略超出規(guī)范規(guī)定的不大于0.3 m/s的要求，最大為0.32 m/s。因此，導流屏推薦方案工況下，船閘下游口門區(qū)水流條件較工程前明顯改善，能夠滿足規(guī)范要求，本工程最終采用了導流屏方案作為五強溪船閘下游引航道改造的實施方案。

表2 工程前后口門區(qū)內回流及橫流對比Tab.2 Comparison of backflow and crossflow in the entrance area before and after the project

4 結論

(1)五強溪船閘下游引航道口門區(qū)受山區(qū)復雜條件影響，中、洪水流量下流急、偏角大，通航水流條件較差，實踐中，借鑒了國內外多種導流結構特性和優(yōu)點，通過對不同類型的多方案試驗論證，并在此基礎上進行大膽的創(chuàng)新、試驗驗證和比選，最終的改造方案選取了樁基導流屏型式。

(2)樁基導流屏改善口門區(qū)通航水流條件的作用機制主要是通過上部插板限制表層斜向水流，通過插板間豎向流道向航道內引入部分水流，壓制或平衡下部的透空式結構進入水流的擴散，包括上升流，以此達到相互限制，相互抵消，削弱口門區(qū)內斜流強度及泡漩水的效果。

(3)樁基導流屏方案已順利實施，結果表明船閘口門區(qū)水流條件較工程前有著明顯改善，成功通過了工程實踐的檢驗，較好的解決沅水高等級航道礙航瓶頸問題。本文結合國內外工程實例和五強溪船閘下游引航道口改造方案比選進行實例介紹，希望對相關的建設工程能起到一定借鑒參考作用。