黎國(guó)森，王煒正

（1.天津大學(xué)建工學(xué)院，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(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；3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

廣西大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江水系干流的黔江上，是紅水河綜合利用規(guī)劃的十級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的最后一級(jí)，是一座以防洪為主，發(fā)電與水資源配置并重，兼顧航運(yùn)、灌溉的綜合利用工程。

樞紐壩址位于廣西桂平市上游約13 km 處，屬于峽谷河段。流域面積為198 612 km2，正常蓄水位61.00 m，總庫(kù)容40.84 億m3，裝機(jī)容量1 600 MW，灌溉面積152.7 萬(wàn)畝。

大藤峽水利樞紐Ⅱ級(jí)船閘在左岸臺(tái)上開(kāi)挖而成，最大通航1+2×2 000 t 級(jí)頂推駁船隊(duì)，船閘下游引航道、口門(mén)區(qū)及連接段航道如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案船閘下游航道布置圖Fig.1 Design proposal of channel layout at downstream of shiplock

1 礙航特性分析

1.1 研究河段基本特征

大藤峽水利樞紐壩址位于黔江大藤峽峽谷出口處，為西南水運(yùn)出海通道中線和北線咽喉要塞。樞紐河段河道彎曲，自上而下分布的主要灘險(xiǎn)有駑灘、小駑灘、飛鳳角灘。駑灘以上河道兩岸崇山峻嶺，河床狹窄，河寬一般在200～300 m，河道蜿蜒曲折，兩岸存在較多石盤(pán)和石質(zhì)臺(tái)地，枯水期河寬僅100～200 m。駑灘以下河段河寬逐漸放寬，河道相對(duì)順直，兩岸多為石質(zhì)或粒徑較大的卵石。

大藤峽水利樞紐船閘下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段航道位于飛鳳角淺灘段，該河段沿程有凸出的卵石邊灘擠壓枯水航槽，控制著枯水航槽的走向。河床中巖盤(pán)邊灘寬大，河中礁石較多，從而導(dǎo)致該河段航道狹窄彎曲，水流湍急，影響船舶航行安全［1］。

1.2 礙航水流特性

水流模型試驗(yàn)結(jié)合自航船模試驗(yàn)結(jié)果表明［2］，船閘下游河段中枯水期主流彎曲，洪水期因河寬較小，使得全河道成為泄洪主通道，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案下船閘下游口門(mén)區(qū)及連接航道枯、中、洪水期呈現(xiàn)出不同的礙航特點(diǎn)：

（1）枯水期（流量＜3 000 m3/s），主流坐彎且遠(yuǎn)離航道，致使口門(mén)區(qū)河段存在范圍較大的礙航回流（強(qiáng)度約0.50 m/s）；連接段航道水流歸槽現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致航道內(nèi)縱向流速較大（約3.00 m/s），船模在連接段上灘難度較大。

（2）中水期（3 000 m3/s＜流量＜8 000 m3/s），主流過(guò)渡點(diǎn)隨流量增大而逐漸上提，口門(mén)區(qū)航道通航水流條件明顯惡化，縱向流速最大約2.30 m/s、橫向流速最大約0.80 m/s，回流流速最大約0.80 m/s，均明顯超出相關(guān)規(guī)范的限定；連接段航道水流歸槽使得縱向流速逐漸增大，最大約3.30 m/s，船模上灘難度較大。

（3）洪水期（流量＞8 000 m3/s），雖然主流線逐漸取直，但由于該時(shí)期泄洪所占用的河寬逐漸增大，主流范圍擴(kuò)大至口門(mén)區(qū)附近，主流斜穿口門(mén)區(qū)，雖然壓縮了回流范圍，但導(dǎo)致口門(mén)區(qū)斜流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最大約1.00 m/s，航行條件進(jìn)一步惡化；此時(shí)連接段航道位于泄洪主通道中，流速最大約4.00 m/s，代表船型難以克服阻力安全上行進(jìn)入引航道。

2 解決措施研究

根據(jù)船閘下游口門(mén)區(qū)及連接段航道的礙航特性，參考以往經(jīng)驗(yàn)，在引航道口門(mén)外側(cè)布置導(dǎo)堤或?qū)Я鞫?、拓寬航槽可以有效消除回流、斜流、縱向流速等礙航流態(tài)，使之滿(mǎn)足船舶航行的安全要求。

水流特性試驗(yàn)結(jié)果表明（圖2），4 280 m3/s 流量條件下，船閘下游河段主流線最彎曲且靠近航道。在通航期內(nèi)口門(mén)區(qū)回流、斜流強(qiáng)度均較大，連接段航道縱向流速較大。加之，該流量級(jí)恰接近該河段的多年平均流量和飛鳳角淺灘漫灘流量。因此，選擇該流量作為改善通航水流條件試驗(yàn)典型流量。

2.1 中枯水期工程效果試驗(yàn)研究

在船閘下游口門(mén)區(qū)航道外側(cè)布置不同導(dǎo)堤的長(zhǎng)度、走向和導(dǎo)流墩的尺度、墩距及走向方案時(shí)，施放典型流量，通過(guò)口門(mén)區(qū)流態(tài)觀察，并進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)導(dǎo)堤長(zhǎng)度為小于450 m 時(shí)，口門(mén)區(qū)回流還不能完全消除；當(dāng)長(zhǎng)度大于450 m 時(shí)，導(dǎo)堤伸入主流區(qū)，從而在其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一定范圍的回流區(qū)。由此可見(jiàn)，450 m 的導(dǎo)堤對(duì)減弱口門(mén)區(qū)回流強(qiáng)度的效果較好。

圖2 修改方案導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩布置圖Fig.2 Layout of guide wall and diversion pier in modification plan

（2）在導(dǎo)堤后方布置斜向?qū)Я鞫漳苡行д{(diào)整穿墩而過(guò)的水流流向，從而改善航道的通航水流條件。

（3）在導(dǎo)流墩布置長(zhǎng)度相同的情況下，長(zhǎng)墩（37 m）對(duì)減小流向與航道走向交角的效果比短墩（25 m）效果更好。而且導(dǎo)流墩布置個(gè)數(shù)較少，雖在墩后產(chǎn)生繞流，但其范圍較小，約一倍設(shè)計(jì)船隊(duì)寬度（16.2 m），沒(méi)有延伸到航道中。

（4）在相同的墩間距、不同導(dǎo)流墩長(zhǎng)度條件下，當(dāng)布置5 個(gè)長(zhǎng)37 m 導(dǎo)流墩（總長(zhǎng)約250 m）時(shí)，口門(mén)區(qū)及連接段航道的通航水流條件較好，2 000 t 級(jí)單船基本能安全經(jīng)過(guò)口門(mén)區(qū)及連接段；長(zhǎng)度繼續(xù)增大后，由于過(guò)水?dāng)嗝娴目s窄，使得下游連接段航道斜流明顯增大。

（5）經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)，調(diào)整各導(dǎo)流墩的走向及墩間距，使得口門(mén)區(qū)及連接段航道內(nèi)的航行水流條件的改善效果達(dá)到最佳，其布置圖見(jiàn)圖2 所示。五個(gè)導(dǎo)流墩走向與航道走向交角從上而下逐漸遞增，第五個(gè)墩的交角最大（14°），導(dǎo)流墩中心間距約50 m。

（6）根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)［3］，為減弱口門(mén)區(qū)及連接段航道的斜流，需要把工程布置主流區(qū)附近，從而達(dá)到擠壓主流使之改變方向，以達(dá)到較好導(dǎo)順航行水流流向的工程效果。修改方案的5#導(dǎo)流墩恰好布置在流量為4 280 m3/s 的主流線上，其走向與主流線方向存在約20°的交角，挑流作用明顯（圖2）。而模型試驗(yàn)結(jié)果顯示此時(shí)的工程效果最好，與理論分析和經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相符［4-7］。

2.2 工程方案洪水期適應(yīng)性分析

研究表明，修改方案導(dǎo)順了主流流向，從而減弱了航道中的斜流強(qiáng)度，明顯改善中枯水期航道通航條件。但由于洪水期主流位于口門(mén)區(qū)航道附近，修改方案導(dǎo)流墩末端位于左岸外側(cè)220 m 處，完全伸入主流區(qū)，縮窄了約40%的洪水河寬（500 m）。導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩的存在必定會(huì)對(duì)口門(mén)區(qū)航道內(nèi)的航行條件產(chǎn)生明顯的影響?？梢?jiàn)，修改方案在重點(diǎn)解決中枯水期的礙航問(wèn)題的同時(shí)，也可能會(huì)惡化洪水期航道的通航條件。

選取最大通航流量進(jìn)行修改方案在洪水期的布置適應(yīng)性試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩的頂部高于最高通航水位時(shí)，在導(dǎo)流墩后方繞流的范圍較大，占據(jù)了部分航道寬度；此處水流斜穿航道，導(dǎo)流墩的布置縮小了過(guò)水面積，墩間空隙處水流明顯加速進(jìn)入航道，惡化了航道內(nèi)航行水流條件；在最高通航流量下，下泄流量大，而導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩的存在，明顯縮窄了河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，洪水下泄受阻，導(dǎo)致河道內(nèi)主流流速明顯增大，導(dǎo)堤前水位有一定程度的壅高（約7 cm），明顯惡化了河道泄洪條件。

（2）為減小方案布置對(duì)河道泄洪影響，導(dǎo)流墩頂高程降到中水期水位26.0 m（85 國(guó)家高程，下同），導(dǎo)堤頂部高程不變。由于導(dǎo)堤的掩護(hù)作用，在其后面形成大范圍的回流區(qū)覆蓋整個(gè)飛鳳角淺灘，導(dǎo)致左岸緩流區(qū)適航區(qū)域均位于回流區(qū)中，既影響了船舶航行安全，又使飛鳳角淺灘洪水期產(chǎn)生泥沙落淤。

（3）將導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩頂高程均降到中水期水位26.0 m，水流特性試驗(yàn)結(jié)果顯示，此時(shí)口門(mén)區(qū)及連接段的回流雖消失了，但是由于此時(shí)流量大，河道底部因?qū)У痰拇嬖?，無(wú)法過(guò)流，底層水流只能改道向上與上層水流匯合后翻越導(dǎo)堤后加速進(jìn)入口門(mén)區(qū)航道，導(dǎo)致口門(mén)區(qū)航道內(nèi)斜流流速明顯增大。

3 變高式導(dǎo)堤和導(dǎo)流墩的應(yīng)用

以上研究表明，為保證導(dǎo)堤內(nèi)側(cè)航道通航條件的良好，必須使導(dǎo)堤露出水面，但此時(shí)會(huì)在導(dǎo)堤后方靜動(dòng)水邊界附近產(chǎn)生回流。為保證此時(shí)口門(mén)區(qū)及連接段的通航水流條件滿(mǎn)足船舶航行安全要求，需要在試驗(yàn)中尋求有效的解決方案。經(jīng)過(guò)系列模型試驗(yàn)觀察分析，采用變高式導(dǎo)堤及淹沒(méi)式導(dǎo)流墩來(lái)解決該問(wèn)題是可行的。

施放最大通航流量，經(jīng)過(guò)多次方案調(diào)整試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

（1）采取淹沒(méi)式導(dǎo)流墩，即壩頂高程降到中水期水位26.0 m，導(dǎo)流墩附近水面上沒(méi)有出現(xiàn)明顯的亂流現(xiàn)象，河道內(nèi)主流流速?zèng)]有明顯變化。

（2）當(dāng)導(dǎo)堤前段25 m 設(shè)為26.0 m，后425 m 露出水面時(shí)（圖2），口門(mén)區(qū)及連接段航道內(nèi)產(chǎn)生的回流范圍最小，2 000 t 級(jí)單船航行試驗(yàn)表明，船舶能沿左岸緩流區(qū)洪水航線安全進(jìn)出船閘，只要適當(dāng)操舵（最大20°）便能克服回流和斜流影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大藤峽水利樞紐地處羊欄灘上游的峽谷段，枯水河槽彎曲，洪水河寬較窄，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案下船閘下游口門(mén)區(qū)及連接航道在枯、中、洪水期均存在礙航問(wèn)題，且礙航特性隨流量變化而變化。

（2）通過(guò)導(dǎo)堤和斜向?qū)Я鞫障嘟Y(jié)合的工程布置，明顯改善了中枯水期航道通航水流條件，使之滿(mǎn)足代表船型的航行安全要求。但同時(shí)惡化了洪水期航道通航條件，且影響了河道泄洪條件。

（3）經(jīng)過(guò)大量的模型觀察試驗(yàn)的對(duì)比分析，采用變高式導(dǎo)堤，配合淹沒(méi)式導(dǎo)流墩的運(yùn)用，解決了中枯水航道整治工程對(duì)洪水期航道通航條件及河道泄洪條件的影響。

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