彭 偉，郝品正

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

狹窄連續(xù)彎道是山區(qū)和半山區(qū)河流限制性河谷常見(jiàn)的河型，而梯級(jí)渠化又是提高航道等級(jí)、河流綜合開發(fā)利用的主要模式。在西部山區(qū)和半山區(qū)航電樞紐建設(shè)中，往往由于地理?xiàng)l件的限制，不得不將樞紐建在平面彎曲、河道狹窄河段，湘江土谷塘航電樞紐便是典型工程實(shí)例。樞紐的平面布置即船閘、泄洪閘、電站的相對(duì)位置，關(guān)系到各自功能的發(fā)揮和樞紐建設(shè)的成敗。利用整體模型對(duì)樞紐總體布置進(jìn)行多方案的對(duì)比試驗(yàn)，論證樞紐中船閘、泄洪閘、電站的相對(duì)平面布置的合理性［1-6］。本文根據(jù)樞紐平面布置模型試驗(yàn)成果，對(duì)樞紐不同的平面布置型式進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 壩區(qū)河段自然條件

土谷塘航電樞紐位于湘江中游，是湘江梯級(jí)渠化中自下而上的第4個(gè)梯級(jí)樞紐，位于已建近尾洲和大源渡航電樞紐之間。土谷塘航電樞紐壩址受下游大源渡航電樞紐回水、河道左岸建筑的限制，壩軸線位于狹窄連續(xù)彎道河段。壩區(qū)河段平面形態(tài)呈不對(duì)稱“S”型，上游段為接近90°的急彎，下游段為稍緩的反向彎道。壩線上游1～3 km為急彎卡口河段，卡口段最窄處河寬僅約270 m，且右岸為坡度較陡的山地；壩線及壩線下游位于下游反向彎道河段，左側(cè)為凹岸，右側(cè)為凸岸，壩軸線位于彎道彎頂上游，壩線處河道寬約480 m，左側(cè)河床為主河道（圖1）。由于樞紐壩線上距急彎彎頂距離較短，且下游為反向彎道，船舶通航安全隱患較多。

圖1 土谷塘河段示意圖Fig.1 Sketch of Tugutang reach

2 樞紐工程平面布置設(shè)計(jì)方案及水流條件

土谷塘航電樞紐工程是一座以通航為主兼有發(fā)電功能的低水頭綜合航電樞紐工程，主要建筑物有電站、1孔排污閘、17孔泄水閘及船閘。本樞紐工程等級(jí)為II級(jí)，工程規(guī)模為大型。船閘規(guī)模為III級(jí)單線單級(jí)船閘，船閘有效尺度為180 m×23 m×3.5 m，主要設(shè)計(jì)船型為一頂四艘千噸級(jí)船隊(duì)。泄水閘設(shè)有17孔，每閘孔凈寬20 m，泄水閘底板采用WES實(shí)用堰。電站裝機(jī)容量80 MW。

樞紐總體布置分別對(duì)船閘位于彎道下游左側(cè)凹岸和彎道下游右側(cè)凸岸（電站均異岸布置）2種平面布置方案及其修改方案工況下的船閘上下航道的通航條件進(jìn)行了研究。

土谷塘樞紐下壩址處水位-流量關(guān)系非單一曲線，當(dāng)流量Q＜3 600 m3/s時(shí)，分為天然、大源渡47.9 m頂托、大源渡50.1 m頂托3種情況，相應(yīng)有3條水位-流量關(guān)系曲線；當(dāng)Q≥3 600 m3/s后，水位-流量關(guān)系為單一曲線，說(shuō)明樞紐河段不受大源渡樞紐壅水影響。同時(shí)根據(jù)初步擬定的下壩址處樞紐運(yùn)行方式，當(dāng)Q≤1 340 m3/s時(shí)，電站發(fā)電，泄水閘關(guān)閉；當(dāng)1 340 m3/s＜Q≤5 400 m3/s時(shí)，電站與泄水閘聯(lián)合調(diào)度；當(dāng)Q＞5 400 m3/s時(shí)，電站停機(jī)，泄水閘敞泄。

2.1 樞紐平面布置方案

（1）方案一。平面布置從左至右依次為Ⅲ級(jí)船閘、17孔泄水閘，1孔排污閘、電站（3臺(tái)機(jī)組）。

受左岸河道彎曲半徑較小的影響，船閘只能布置在靠近左岸側(cè)河道內(nèi)，且上、下游口門區(qū)段航道均為圓弧彎曲段。船閘中心線與壩軸線垂直，上、下游引航道寬均為45 m；上游引航道口門至堤頭上400 m為口門區(qū)，連接段為堤頭上游400～800 m；其中堤頭上游100 m航道為直線段，后接航道左邊線半徑為1 000 m的圓弧段，與上游主河道銜接。上游引航道口門區(qū)及連接段開挖底高程為52.2 m，寬度由45 m漸變至60 m。下游引航道口門至堤頭下400 m為口門區(qū)，連接段為堤頭下游400～800 m；出口即接左邊線為半徑為1 000 m圓弧段，弧長(zhǎng)518 m，而后通過(guò)直線段與下游主河道銜接。下游引航道口門區(qū)及連接段開挖底高程為44.9 m，寬度由45 m漸變至60 m。

（2）方案二。平面布置從左至右依次為電站（3臺(tái)機(jī)組）、1孔排污閘、17孔泄水閘、船閘。

上、下游引航道口門底寬分別為70 m、80 m；上、下游引航道導(dǎo)流堤均為斜坡實(shí)體式，長(zhǎng)度均為650 m。

圖2 方案一平面布置圖Fig.2 Layout plan 1 of the hydro-junction

圖3 方案二平面布置圖Fig.3 Layout plan 2 of the hydro-junction

2.2 設(shè)計(jì)方案水流條件

2.2.1 通航水流條件基本要求

按照《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ305-2001），船閘口門區(qū)及引航道水流限制條件如下。（1）引航道口門區(qū)水面流速。在口門區(qū)的有效水域范圍內(nèi)，縱向流速Vy≤2.0 m/s，橫向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s。另外在引航道口門區(qū)宜避免出現(xiàn)如泡漩、亂流等不良流態(tài)。（2）引航道內(nèi)流速。引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向應(yīng)小于等于0.5 m/s，橫向應(yīng)小于等于0.15 m/s。（3）口門區(qū)與主航道之間的連接段水流條件。參照口門區(qū)通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優(yōu)劣。

2.2.2 設(shè)計(jì)方案一水流條件

方案一船閘上游所選取的引航道口門區(qū)及連接段內(nèi)，基本處于近90°彎曲河道左側(cè)凸岸下游緩流區(qū)內(nèi)，通航水流條件均能滿足要求。但船模航行試驗(yàn)表明，由于引航道口門寬度僅為45 m，口門區(qū)又為半徑1 000 m圓弧段彎曲航道，長(zhǎng)167 m、寬21.6 m的一頂四艘千噸級(jí)船隊(duì)進(jìn)出口門難度較大，尤其是隨流量增加，上游彎道內(nèi)流速增大，下行船舶（隊(duì)）先要橫穿狹窄急流彎道段，向左側(cè)航道內(nèi)靠近，而后需迅速調(diào)順船位，順應(yīng)連接段彎曲航道，通過(guò)口門區(qū)進(jìn)入引航道內(nèi)，船舶（隊(duì)）航行難度較大，且易順右側(cè)主流而下沖向泄水閘或碰撞堤頭，造成事故。

下游航道就水流條件而言，當(dāng)流量為Q=1 340 m3/s（大源渡47.9 m頂托）時(shí)，右側(cè)電站下泄水流在泄水閘下游至下游連接段航道末端的左側(cè)河道內(nèi)形成大范圍回流區(qū)，使下游口門區(qū)及連接段航道內(nèi)回流反向流速較大，最大可達(dá)1.05 m/s，堤頭下游650 m連接段航道附近為水流分離區(qū)，部分水流向上進(jìn)入回流區(qū)，部分水流斜穿連接段末端航道后順河勢(shì)向下，連接段末端航道內(nèi)橫流較大，橫流一般在0.3～0.6 m/s。

隨泄水閘開啟，泄水閘下游大范圍回流逐漸消失。隨流量增加，泄水閘敞泄流量下，下游口門區(qū)及連接段航道橫流較大段位于堤頭下450～700 m。

2.2.3 設(shè)計(jì)方案二水流條件

方案二當(dāng)流量Q≤5 400 m3/s時(shí)，上、下游引航道口門區(qū)及連接段水流條件能夠滿足規(guī)范要求，其中在Q=1 340 m3/s時(shí)，大源渡47.9 m頂托條件下，下游口門區(qū)及連接段航道大部分處于回流區(qū)，最大反向流速可達(dá)1.17 m/s，堤頭下50 m范圍內(nèi)橫流較大，不能滿足規(guī)范要求；而同流量在大源渡50.1 m頂托條件下，下游航道橫流及反向流速有所減小，對(duì)船舶（隊(duì)）航行有利。當(dāng)5 400 m3/s＜Q≤13 500 m3/s時(shí)，下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件能夠滿足要求，而上游引航道口門區(qū)內(nèi)橫流及縱向流速偏大，水流條件不能滿足要求。

3 樞紐平面布置方案優(yōu)化

2種設(shè)計(jì)方案的水流條件試驗(yàn)研究表明，方案一影響口門區(qū)及連接段水流條件的主要因素是上游引航道寬度較窄，同時(shí)直線段長(zhǎng)度較短，上游船舶通過(guò)彎道后難于歸順在引航道內(nèi)，下游引航道內(nèi)回流較強(qiáng)。方案二是由于上游右岸山體束窄水流，改變水流方向，使得上游引航道內(nèi)斜流較大，當(dāng)流量較大時(shí)船舶難以進(jìn)入口門?；谝陨戏治?，根據(jù)2種方案不同的影響因素分別采取相應(yīng)的工程措施優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化方案一

增加上、下游引航道寬度，使引航道口門處寬度增至60 m；延長(zhǎng)下游導(dǎo)流堤長(zhǎng)度，使下游引航道長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)的450 m延長(zhǎng)至1 000 m，使口門及連接段航道均為直線段；同時(shí)相應(yīng)調(diào)整上游口門區(qū)及連接段的航線。

圖4 優(yōu)化方案一平面布置圖Fig.4 Optimized plan of layout plan 1

圖5 優(yōu)化方案二平面布置圖Fig.5 Optimized plan of layout plan 2

3.2 優(yōu)化方案二

在設(shè)計(jì)方案二的基礎(chǔ)上切除部分上游右岸山地，右岸邊緣向右側(cè)最大平移51 m，同時(shí)對(duì)上游引航道口門區(qū)及連接段航線重新布置。

上游引航道口門至堤頭400 m為口門區(qū)，連接段為堤頭上游400～800 m的范圍；其中堤頭上游200 m航道為直線段，后接半徑為1 000 m的圓弧段，弧長(zhǎng)209.4 m，而后通過(guò)390.6 m的直線段與上游主河道銜接。上游引航道口門區(qū)及連接段開挖底高程為53.0 m，寬度為70 m。下游堤頭下加設(shè)4個(gè)導(dǎo)流墩。

4 平面布置優(yōu)化方案的比較

4.1 泄流能力比較

樞紐泄流能力與河勢(shì)及地形地貌關(guān)系密切，雖然各布置方案的閘孔數(shù)以及堰型和堰頂高程相同，其泄流能力不盡相同。試驗(yàn)結(jié)果表明，2種布置方案的泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求。500 a一遇洪水時(shí)（Q=22 100 m3/s）時(shí)，水位壅高值為0.245 m，小于規(guī)范規(guī)定的0.3 m，符合設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案二由于對(duì)右岸岸線的開挖，歸順了水流，改善了上游水流條件，提高了樞紐的泄流能力。另外在電站機(jī)組關(guān)閉、泄水閘敞泄的條件下，左側(cè)靠近電站的1孔泄水閘由于受到泄水閘與電站間導(dǎo)墻的影響，上游附近存在小范圍回流，其泄流能力小于其他閘孔。

4.2 通航水流條件分析比較

（1）Q≤5 400 m3/s時(shí)，兩方案樞紐上游均保持正常蓄水位58.0 m，上游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均能滿足規(guī)范要求。當(dāng)流量Q＞5 400 m3/s時(shí)，電站關(guān)閉，泄水閘敞瀉，兩方案的連接段均存在某一區(qū)域水流流速超過(guò)規(guī)范限制。周華興等人研究比較了西江郁江河段的貴港、渠江四九灘、西江上游右江河段的那吉、湘江的大源渡和株洲以及嘉陵江航行梯級(jí)開發(fā)的樞紐工程等14個(gè)航運(yùn)樞紐工程的水工模型、船模試驗(yàn)研究成果，認(rèn)為這14個(gè)航運(yùn)樞紐工程口門區(qū)均有部分測(cè)點(diǎn)的縱、橫向流速超過(guò)限值，但研究結(jié)論表明船舶能較順利地進(jìn)出引航道口門區(qū)。由此提出從水工模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，口門區(qū)的水流條件限值可適當(dāng)提高，Vy≤ 2.4 m/s，Vx≤0.35 m/s，連接段的水流條件可控制在Vy≤2.6 m/s，Vx≤0.4 m/s，口門區(qū)與連接段的航行條件θ≤25°。故兩方案通航水流滿足規(guī)范要求。

表1 上游引航道口門區(qū)及連接段水流條件比較表Tab.1 Comparison of navigation condition of connecting section and upstream approach entrance region

表2 下游引航道口門區(qū)及連接段水流條件比較表Tab.2 Comparison of navigation condition of connecting section and downstream approach entrance region

（2）Q≤5 400 m3/s時(shí)，下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均滿足規(guī)范要求。僅在3臺(tái)機(jī)組發(fā)電（Q=1 340 m3/s）時(shí)，下游口門區(qū)及連接段航道大部分處于回流區(qū)，反向流速超出規(guī)范要求；當(dāng)流量Q＞5 400 m3/s時(shí)，方案一下游引航道口門區(qū)及連接段內(nèi)最大橫、縱向流速隨流量的增加而增加，且超過(guò)規(guī)范要求。而方案二水流條件滿足要求。

兩方案船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件對(duì)比結(jié)果表明，左岸船閘修改方案影響通航的不利條件在于洪水期下游引航道流速較大。右岸船閘修改方案在流量較大時(shí)，上游引航道口門區(qū)及連接段存在局部區(qū)域流速超過(guò)規(guī)范限值現(xiàn)象。且隨著流量的增大其影響區(qū)域由距堤頭800 m處逐漸向口門區(qū)延伸至距堤頭500 m，但對(duì)船舶航行影響不大，船舶仍可安全進(jìn)出引航道口門區(qū)。

4.3 航道線型及船舶航行條件分析比較

樞紐所處河段從整體上看呈“S”型，壩址上游是一個(gè)接近90°的急彎，往下游為“S”的中間，即上、下2個(gè)反向彎道的過(guò)渡段，相對(duì)于上游河道來(lái)講，河道收縮；同時(shí)右岸高山邊坡有一個(gè)凸嘴，對(duì)水流起到阻擋和挑流的控制作用，使狹窄的河道內(nèi)水流湍急，且與航線有一定的夾角。

船模航行試驗(yàn)表明，左船修改方案上游引航道及口門寬度增加后，通航流量有所提高，但當(dāng)流量Q≥11 700 m3/s時(shí)，一頂四艘千噸級(jí)船隊(duì)進(jìn)出口門難度仍較大，舵角多大于25°，經(jīng)由上游彎道處進(jìn)入引航道連接段時(shí)舵角超過(guò)30°，不利于安全航行。優(yōu)化方案二在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上對(duì)上游山體實(shí)施一定的開挖，歸順上游水流，通航安全問(wèn)題得到改善。當(dāng)流量Q≤11 700 m3/s時(shí)，基本滿足船隊(duì)航行要求，當(dāng)流量Q=13 500 m3/s時(shí)，仍存在著影響船舶或船隊(duì)安全航行的因素。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)土谷塘樞紐平面布置幾個(gè)方案的水流和船模試驗(yàn)研究成果的分析可知：

（1）在連續(xù)彎道中，主流線是從上個(gè)凸岸過(guò)渡到下個(gè)凸岸，高流速區(qū)均出現(xiàn)在彎頂前凸岸一側(cè)；彎曲河道段的樞紐平面布置應(yīng)結(jié)合具體的壩址自然條件和樞紐工程的作用進(jìn)行合理布置。

（2）彎曲河道水流條件較復(fù)雜，從順應(yīng)河勢(shì)及對(duì)通航水流條件和航行條件的影響來(lái)看，船閘位于河流凹岸主流一側(cè)，能加大船舶航行的曲率半徑，有效改善口門區(qū)與連接段的航行條件。對(duì)于連接段布置在彎道內(nèi)的情況，在衡量通航條件時(shí)，不能僅分析口門區(qū)的通航水流條件，還應(yīng)充分考慮連接段處的彎道水流對(duì)船舶航行的影響。

（3）樞紐中各建筑物的布置應(yīng)相互協(xié)調(diào)，以充分發(fā)揮其功能。與電站或船閘相鄰的泄水閘、縱向圍堰兩側(cè)的泄水閘以及緊鄰岸邊的泄水閘因受導(dǎo)流墻挑流或繞流流態(tài)以及河道邊界的影響，泄流能力減弱。

（4）2種方案及其優(yōu)化方案上、下游口門區(qū)及連接段均存在不同程度的斜流和回流，斜流是影響船舶進(jìn)出口門的重要因素。優(yōu)化方案二通過(guò)相應(yīng)的工程措施較好地改善了船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件，但同時(shí)也加大了工程量。綜合考慮河段地形條件、通航水流條件等因素，認(rèn)為優(yōu)化方案二相對(duì)較優(yōu)，故作為推薦方案。

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