贛江井岡山航電樞紐總體布置

徐艷亮，王志鵬

(江西省港航建設投資集團有限公司，江西 南昌 330008)

航電樞紐工程可從根本上改善壩上河段的通航條件，兼顧發(fā)電、防洪、灌溉、環(huán)保、旅游開發(fā)等綜合效益。在樞紐總體布置中須合理布置通航建筑物、擋水及泄水建筑物、水電站等樞紐建筑物，科學處理好通航安全、發(fā)電效益、泄洪排沙、灌溉需求等之間的關系?！肚こ虡屑~總體布置設計規(guī)范》[1]對樞紐總體布置作了原則性和強制性規(guī)定，因不同的樞紐所處河段條件不同，工程的選址與布置原則存在差異。

井岡山航電樞紐工程地處贛江中游河段是一座以航運為主、兼顧發(fā)電等綜合利用的低水頭航電樞紐，可為萬安電站做反調節(jié)，改善通航條件，建設該樞紐是實施贛江渠化通航的重要一環(huán)。工程所在河段的航道通航標準為Ⅲ級，水庫正常蓄水位推薦采用67.5 m，死水位為67.1 m，電站裝機容量為133 MW，水庫日運行方式為反調節(jié)運行方式，汛期采用預泄方式運行。樞紐主要由通航建筑物、電站廠房、泄水建筑物、過魚建筑物、兩岸擋水建筑物和右岸防護堤等組成。經技術經濟分析推薦窯頭壩址作為代表性壩址。壩址所處河谷為“U”形寬谷，河道微彎，主河道位于河床中部略偏左岸，兩岸岸坡平緩，壩軸線處河谷谷底寬約700 m，正常蓄水位高程處河谷寬度1 048 m。樞紐考慮船閘、水電站同岸和異岸布置2種集中布置方案。綜合比較分析方案優(yōu)劣，并通過樞紐總體布置水工模型試驗論證樞紐總體布置的合理性，為工程設計提供依據(jù)，并給類似寬淺河道條件下的低水頭樞紐總體布置提供參考。

1 樞紐布置原則

參考大藤峽水利樞紐[2]、大源渡航電樞紐[3]、新干航電樞紐[4]、株洲航電樞紐[5]、大頂子山航電樞紐[6]等樞紐平面布置經驗以及許錫賓[7]、吳澎[8]等學者對航電樞紐布置的研究，結合本工程任務和樞紐建筑物，樞紐總體布置時考慮以下5個原則。

1)保障防洪度汛安全。贛江洪水一般由暴雨形成，具有峰高量大、陡漲陡落的特點。泄水建筑物宜利用主河床布置，使得泄水建筑物運行安全、可靠，確保工程安全。

2)保障通航條件。結合壩址的地形、地質及壩址區(qū)天然航道條件，合理進行船閘總體布置，使船閘線路順暢，上、下游引航道與天然航道平順連接，且口門區(qū)和連接段的通航水流條件滿足船舶安全進出閘的要求，盡量減少泄洪和發(fā)電對過閘船舶航行安全影響；

3)保障施工條件、施工周期和施工期通航條件。綜合考慮施工布置要求，使施工方便；細化導流方案，兼顧施工期通航要求和利用圍堰提前擋水發(fā)電，并有利于縮短工期。

4)考慮遠期建設。本工程采用雙線單級船閘，參考贛江已建樞紐及在建樞紐的船閘建設方案，近期先建一線。當贛江航建事業(yè)發(fā)展一線船閘不能滿足過壩運量要求時，再建另一線船閘。

5)考慮工程量和造價。充分利用現(xiàn)有河堤，減少右岸窯頭防護土石壩工程量。

2 總體布置方案比較

2.1 樞紐布置方案

項目前期階段根據(jù)壩址地形地質條件，進行多種樞紐總體布置方案研究。研究認為壩址左、右岸均有布置通航建筑物和電站廠房的條件，若船閘布置在右岸漫灘，引航道須通過漫灘至通津河口上游接天然航道，長度達4 km，致使下游引航道開挖與回填量大。從運行條件上看，右岸船閘運行條件差、航道運行維護工程量大，因此船閘布置在左岸較為合適，樞紐布置主要考慮廠房左、右岸布置2種形式，并結合導流分期形成2種布置方案：方案1(圖1a))樞紐左岸布置船閘、魚道、電站廠房，采用三期導流方案；方案2(圖2b))樞紐左岸布置船閘，右岸布置電站廠房、魚道，采用二期導流方案。

圖1 樞紐總體布置方案

2.2 方案比選

方案1和方案2的船閘均布置在左岸，平面布置區(qū)別在于方案1電站廠房和魚道在左岸緊鄰船閘布置，方案2的電站廠房和魚道布置在右岸灘地上。兩方案在船閘運行方面，上、下游口門區(qū)經一定工程措施改善均可滿足通航條件，電站廠房和泄水閘運行條件無實質性差異。兩方案優(yōu)劣如下：

1)方案1魚道布置在船閘和廠房之間的引航道土石隔流堤上，方案2魚道布置在右岸灘地上，魚道布置條件方案2優(yōu)于方案1。

2)方案1采用三期導流方案，方案2采用二期導流方案，兩方案在施工導流技術上均可行，不能通航時間均為4個月。方案1能利用三期圍堰提前擋水發(fā)電。方案2一期工程利用電站廠房全年圍堰圍右岸電站廠房，左岸船閘全年圍堰圍左岸船閘，廠房和船閘能盡早開工并全年施工。

3)方案1與方案2施工場地均左、右岸布置，方案1一期主要布置在右岸，二期主要布置在左岸，三期又返回右岸布置，總工期60個月，二期導流和三期導流期間存在上游圍堰擋水洪水水位超過水庫設計淹沒影響范圍紅線的情況，施工期度汛水位高于水庫淹沒水位，超出部分需考慮臨時淹沒補償。方案2左、右岸分別布置2套獨立的施工場地，總工期51個月，一期、二期枯水圍堰均在汛期拆除，汛后進行恢復，施工期臨時淹沒問題較方案1小。

4)由于方案1船閘上、下游隔流堤采用基坑開挖石碴回填，方案2采用墩板式結構，方案2導流程序比方案1復雜，使工程總投資多出約1.2億元。

2.3 推薦方案

經綜合比較可知，方案2魚道布置條件優(yōu)于方案1，施工期臨時淹沒的問題較小，完工時間早(較方案1早9個月)，首臺機組發(fā)電時間早，但工程總投資多出約1.2億元?？紤]完工工期和提前發(fā)電等因素，推薦方案2為樞紐布置方案，推薦樞紐布置從左岸至右岸依次為：左岸土石壩、船閘、8孔左區(qū)泄水閘段、縱向圍堰壩段、15孔右區(qū)泄水閘段、廠閘導墻壩段、廠房壩段、安裝場壩段、魚道壩段、右岸土石壩，壩軸線總長1 070.3 m。

3 樞紐總體布置模型試驗研究

采用比尺為1:100水工整體模型和船模試驗，從樞紐布置、上下游引航道通航條件、施工導流等關鍵因素論證樞紐總體布置的合理性。

3.1 泄流與消能

進行23孔泄水閘敞泄、右區(qū)15孔單獨敞泄、左區(qū)8孔單獨敞泄、控泄工況研究表明，泄水閘敞泄、右區(qū)15孔單獨敞泄、右區(qū)泄水閘均勻控泄，樞紐上下游河道水流狀態(tài)穩(wěn)定，無大范圍不良流態(tài)，僅樞紐下游部分邊角部位存在小范圍回流，泄水閘過流總體平順，閘后形成淹沒水躍，小流量控泄電站尾水跌落。樞紐敞泄壩前泄水閘進流右區(qū)閘孔流速一般較左區(qū)大，控泄閘前進流均衡。消力池、消力坎、海漫流速分布相對均勻，消力坎坎頂流速最大，坎后海漫流速減小0.5～1.0 m/s。壩后300～800 m斷面流速逐漸呈天然分布，樞紐泄流具有明顯的消能效果。但在各種運行工況下敞泄時廠閘導墻、泄水閘隔墻、上航道隔墻兩側均存在水位差，Q≥24 400 m3/s(P= 0.2%)后，電站與泄水閘間上游導墻左右水位差最大約1.3 m。若左區(qū)8孔單獨敞泄5 900 m3/s，上引航道隔墻兩側最大水位差約1.3 m，左、右區(qū)泄水閘隔墻兩側最大水位差約3.3 m，影響隔墻穩(wěn)定，應盡量避免左區(qū)8孔單獨運行。

3.2 船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件及改善措施

3.2.1上游引航道口門區(qū)及連接段

3.2.1.1通航水流條件特點

受上游微彎凸岸和隔流墻分水建筑物影響，水流向河心側擴散。各流量級隔水墻末端上游200～500 m范圍內的水流向右略有偏向，水流條件基本滿足通航要求。隨著流量的增大，口門區(qū)水流方向與航跡線夾角向下游逐漸增大，受隔流墻頭部布置影響引起的斜向效應愈加明顯，雖在Q≤11 800 m3/s(P=20%)時表面流速均小于規(guī)范要求值(表1)，但在口門區(qū)0～200 m范圍內多個測點橫向流速超標，最大橫向流速達0.39～1.45 m/s，存在較大范圍的強勁橫流區(qū)域。Q≥6 000 m3/s后口門區(qū)0～100 m僅口門區(qū)左側20～40 m寬航道可基本滿足通航要求。

表1 推薦方案上游口門區(qū)水流特征值

3.2.1.2通航水流條件優(yōu)化措施

試驗研究表明，單純縮短隔水墻方案尚不能滿足通航水流條件要求，縮短隔水墻450 m并增設150～250 m透水墻可改善上游引航道口門區(qū)通航水流條件，但須配合設置3～4個導流墩才能發(fā)揮作用。考慮造價及工期，提出優(yōu)化方案：自船閘上游580 m起設置240 m長透水墻，直段為100 m，轉彎段為140 m，見圖2a)。單個透水孔高2.5 m，長17.0 m，底部高程60.5 m，見圖2b)。由于接近透水墻斜流較強，調整航線右側邊際線距離透水墻22 m。試驗結果表明，該方案引航道口門區(qū)水流順暢，進入透水墻段水流偏角較小，流速比單純縮短隔流墻方案減小明顯，Q=14 100 m3/s時，最大水流表面流速較原方案減小至1.86 m/s。在泄洪閘敞泄條件下，Q≤8 000 m3/s時，引航道口門區(qū)僅零星測點橫向流速輕微超標，最大為0.46 m/s(位于航道右邊線右側10 m)，基本可滿足通航要求；Q> 8 000 m3/s時，口門區(qū)0～200 m范圍右側局部區(qū)域橫向流速稍超規(guī)范，為0.31～0.47 m/s，以v≤0.35 m/s控制，有75 m航寬可滿足通航要求。在此基礎上進行船模試驗，下泄流量11 800、14 100 m3/s時，僅當船隊上行出口門(上行航道中心線于船閘中心線外側20 m)，主操左舵克服口門區(qū)斜流的作用，船隊艉部有一定程度的外漂現(xiàn)象，最大舵角30°、漂角15.2°，對此時進閘船隊正常航行無礙；其余各級工況條件下，船隊上、下行航行指標滿足船隊安全進、出口門區(qū)的航行標準。

圖2 上引航道口門區(qū)透水墻布置與結構(高程：m；尺寸：mm。下同)

3.2.2下游引航道口門區(qū)及連接段

3.2.2.1通航水流條件特點

下游引航道口門至下游300 m范圍近岸靠土石堤側存在大范圍回流，最大回流值達0.42～0.77 m/s，Q≥8 000 m3/s口門區(qū)段存在較強的斜向水流，導致航道中心線附近橫向流速略微超標，最大橫向流速為0.45 m/s，且個別測點縱向流速超過2.0 m/s。在各級流量下，僅Q=6 000 m3/s敞泄工況水流條件可滿足規(guī)范要求。表2為推薦方案下游口門區(qū)水流特征值。

表2 推薦方案下游口門區(qū)水流特征值

3.2.2.2通航水流條件優(yōu)化措施

試驗研究表明，單純縮短隔水墻方案引航道口門區(qū)橫向流速得到改善，基本滿足規(guī)范要求，但近岸區(qū)域回流長度仍達300 m，最大回流0.42 m/s。為進一步壓縮回流，探索隔水墻縮短并增設透水墻方案，即隔流墻縮短594 m之后，向右偏轉2°設置長260 m透水墻(圖3)，孔高1.5 m。下游透水墻結構與上游類似，僅孔高及高程發(fā)生變化。該方案下口門區(qū)回流區(qū)段縮短至約120 m范圍內，自透水段100 m處起，引航道內水流與航跡線基本一致，且流速比原方案減小明顯。在Q=14 100 m3/s敞泄條件下，水流表面流速最大僅1.6 m/s，最大橫向流速僅0.17 m/s，連接段航道流速最大水流表面流速小于2.0 m/s，橫向流速無超標；在Q為11 800和14 100 m3/s條件下，僅透水墻段回流略微超標，最大回流分別為0.43、0.48 m/s；其他流量條件下，透水墻段及口門區(qū)水流條件可滿足通航要求。經船模試驗驗證可知，各級工況條件下，船隊進出下游引航道口門，上、下行航行指標均滿足船隊安全進、出口門區(qū)的航行標準，航行姿態(tài)較好。

圖3 下引航道口門區(qū)設置透水墻布置

3.3 電站水流條件

3.3.1電站上游水流條件及優(yōu)化

原布置方案電站上游隔墻長125 m，頂高67.5 m，在水位66.0～67.5 m電站發(fā)電期間，隔墻右側形成較大范圍的逆時針回流區(qū)，流速分布不均勻，影響機組均勻進流。Q=2 250 m3/s，機組滿發(fā)時廠前回流區(qū)部分測點流速超過1.5 m/s，隔墻兩側存在最大0.2 m的水頭差。對隔墻長度和頂高程進行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)隔墻按長100 m、樁號0-025 m至壩前保留頂高68.5 m隔堤，樁號0-025～0-100 m保留頂高61 m設置，電站前回流基本消失，引水渠內流速分布相對均勻，66.0 m水位Q=2 250 m3/s電站滿發(fā)情況下，廠前流速都小于1 m/s，機組進流均勻。

3.3.2電站下游水流條件及優(yōu)化

原布置方案電站尾水出口受右側岸邊地形影響，向左頂托電站出流，形成跌水，在導墻兩側形成水頭差，最大達2.51 m，影響機組出力。通過對岸邊從0+230 m向下游以半徑為300 m、圓心角30°的圓弧與下游岸邊地形銜接、渠底開挖高程56 m的地形修改(圖4)，尾水渠內水流狀態(tài)明顯改善，導墻兩側水位差由1.13～2.51 m減小到0.35～0.86 m，導堤左右側水位差顯著降低。

圖4 電站尾水渠整治方案(單位：m)

4 結論

1)對比各方案優(yōu)劣，考慮完工工期和提前發(fā)電等因素，推薦樞紐總體布置采用左岸布置船閘，右岸布置電站廠房、魚道，施工采用二期導流。

2)樞紐敞泄時廠閘導墻、泄水閘隔墻、上航道隔墻兩側均存在水位差，左區(qū)8孔單獨敞泄時，上引航道隔墻兩側及左右區(qū)泄水閘隔墻兩側水位差較大，應盡量避免左區(qū)8孔單獨運行。

3)采取縮短船閘上游隔水墻并增設透水墻、調整優(yōu)化航線，下游縮短隔水墻后向右偏轉2°設置透水墻等工程措施后，上游引航道口門區(qū)強勁橫流減小，下游引航道口門區(qū)回流壓縮，上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件改善，滿足規(guī)范要求。

4)采取縮短電站上游隔墻長度和分段調整頂高程等工程措施后，電站前大面積回流基本消失，引水渠內流速分布均勻。對電站下游地形進行疏挖修改后，電站尾水跌水現(xiàn)象消失，尾水渠內水流狀態(tài)明顯改善，導堤左右側水位差顯著降低。