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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

2014-08-17 00:51,,,,
長江科學(xué)院院報(bào) 2014年6期
關(guān)鍵詞:引航道口門船閘

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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級航道建設(shè)可行性研究工作,大源渡航電樞紐2 000 t級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)鳌轵?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)流場圖如圖5所示。

圖5 隔擋方案下游口門區(qū)流場圖

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)、工程施工對通航影響及工程量等因素,各布置方案工程效果對比如表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,且施工期對船舶正常通航影響小。

表4 各方案工程效果對比

5 結(jié) 語

通過對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:

(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。

參考文獻(xiàn):

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