路蒞楓， 普曉剛

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院， 天津 300000)

五強(qiáng)溪樞紐船閘通航條件改善措施研究與創(chuàng)新

路蒞楓1， 普曉剛2

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院， 天津 300000)

五強(qiáng)溪樞紐船閘1995年建成通航以來，船閘下游引航道口門區(qū)及近閘段中洪水期礙航問題成為沅水高等級(jí)航道暢通的瓶頸。該問題納入了湖南省“十三五”高等級(jí)航道建設(shè)項(xiàng)目重點(diǎn)解決的議題，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢砟Ｐ驮囼?yàn)創(chuàng)新地提出了樁基透空式導(dǎo)流屏改造方案，2016年3月工程完工并達(dá)到了預(yù)期效果。

船閘； 五強(qiáng)溪樞紐； 通航條件； 導(dǎo)流； 模型試驗(yàn)

1 概述

五強(qiáng)溪樞紐位于沅水干流下游湖南省沅陵縣境內(nèi)，樞紐建筑物由混凝土重力壩、右岸壩后式主、副發(fā)電廠房、9孔溢流壩及泄洪中孔和左岸三級(jí)船閘等組成，一列式布置。電站總裝機(jī)1200 MW，安裝5臺(tái)240 MW軸流式機(jī)組，單機(jī)滿發(fā)流量615 m3/s(基荷流量390 m3/s)；船閘為一線三級(jí)500 t級(jí)，下游導(dǎo)航墻堤長(zhǎng)274.6 m，口門寬50 m。下游最低通航水位49.99 m(最低通航流量390 m3/s對(duì)應(yīng)水位),口門區(qū)水深富裕，距下游引航道口門約800 m處為纜子灣大橋。

1995年2月船閘正式通航。樞紐所處河段為典型的山區(qū)河流，受河道邊界條件、樞紐運(yùn)行及既有工程的影響，船閘下游口門區(qū)及近閘段通航流態(tài)較差，僅流量在1940 m3/s以下時(shí)，船閘下游口門區(qū)航道內(nèi)水流條件基本滿足通航要求，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)最大通航流量7800 m3/s。2014年底，沅水浦市至常德航道建設(shè)工程開工建設(shè)，該項(xiàng)目對(duì)五強(qiáng)溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究和創(chuàng)新，確定了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案，實(shí)施效果達(dá)到了預(yù)期。

2 物理模型設(shè)計(jì)制作和驗(yàn)證

為保證模型的水流運(yùn)動(dòng)相似和船模航行相似，整體模型為定床正態(tài)，幾何比尺選用1∶100，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧到船模的相似性要求。模型制作以工程設(shè)計(jì)單位提供的實(shí)測(cè)1∶2000河道地形圖為依據(jù)，平面放樣采用平面導(dǎo)線控制系統(tǒng)，地形制作采用斷面法。根據(jù)壩區(qū)河段河床、地貌及原型河床糙率情況，在制模時(shí)，采用梅花加糙的方法對(duì)模型進(jìn)行了加糙處理。為保證模型進(jìn)口水流平穩(wěn)和流量分配與原體相似，在模型進(jìn)口加設(shè)消波和分流設(shè)施。模型布置見圖1。

圖1 模型平面布置示意圖

模型進(jìn)口采用自動(dòng)流量控制系統(tǒng)，流場(chǎng)和流速數(shù)據(jù)均采用自動(dòng)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與物理模型一致，船模設(shè)計(jì)為幾何正態(tài)，比尺為1∶100。試驗(yàn)船型為500 t級(jí)船舶。船模制作完成后進(jìn)行船模與實(shí)船的相似性校準(zhǔn)，采用實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行船模航行數(shù)據(jù)采集，記錄船模航行過程中的航向角、漂角、漂移距、航速等參數(shù)，配合繪圖軟件，繪制打印船模航態(tài)圖和航行參數(shù)變化圖。

模型建成后進(jìn)行了水工模型沿程水面線驗(yàn)證和斷面流速分布驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，確保了在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型試驗(yàn)成果的可靠性。

3 模型試驗(yàn)條件和技術(shù)要求

3.1 試驗(yàn)流量條件

試驗(yàn)選取了10級(jí)典型流量進(jìn)行水位、流場(chǎng)觀測(cè)，所選流量如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)特征流量

3.2 航線布置

試驗(yàn)確定口門區(qū)長(zhǎng)度為300 m，方向與船閘軸線平行，口門區(qū)寬度為50 m。五強(qiáng)溪樞紐船閘位于左岸，原天然航道亦位于左岸側(cè)，船舶(隊(duì))出下游引航道口門區(qū)后直接進(jìn)入原天然主航道，樞紐船閘下游可不設(shè)連接段航道，而直接定義為口門區(qū)以下航道。

3.3 測(cè)流斷面及測(cè)點(diǎn)布置

樞紐下游河道流場(chǎng)測(cè)量以壩軸線為基準(zhǔn)，沿主河道向下游約80 m為一個(gè)測(cè)流斷面，每個(gè)測(cè)流斷面測(cè)點(diǎn)間距為20 m。樞紐下引航道口門區(qū)內(nèi)從堤頭開始每隔50 m布置一個(gè)測(cè)流斷面，共設(shè)7個(gè)斷面，每一個(gè)斷面在航道范圍內(nèi)布置7個(gè)測(cè)流點(diǎn)，航中線一點(diǎn)，左右每隔8 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.4 通航標(biāo)準(zhǔn)

1) 口門區(qū)通航水流標(biāo)準(zhǔn)。引航道口門區(qū)表面流速： 縱向流速≤2 m/s，橫向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.40 m/s。

2) 船舶進(jìn)出口門區(qū)航行標(biāo)準(zhǔn)。船舶或船隊(duì)在口門區(qū)航行時(shí)，為保證安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角應(yīng)不大于20°，航行漂角應(yīng)不大于10°。船模在航道航行時(shí)，上行的難易程度以對(duì)岸航速不得小于4 km/h來判定。

4 改善船閘通航條件的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案與創(chuàng)新

物理模型對(duì)五強(qiáng)溪船閘通航條件改善開展了多個(gè)類型的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案研究：方案1船閘下游導(dǎo)流墩方案、方案2船閘下游口門區(qū)與近閘段河床形態(tài)挖槽方案(左挖槽方案、右挖槽方案)、方案3船閘下游樁基隔流堤方案、方案4船閘下游樁基透空式導(dǎo)流屏方案。各類型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)均分別進(jìn)行了3組以上不同方案的對(duì)比和優(yōu)化。

4.1 導(dǎo)流墩方案

方案1： 堤頭下游共布置7個(gè)長(zhǎng)20 m、寬3 m的菱形導(dǎo)流墩，墩間距20 m；方案2：堤頭下游共布置9個(gè)導(dǎo)流墩，尺寸同方案1，1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m；方案3：在方案2的基礎(chǔ)上將堤頭附近深槽回填至45.0 m高程。

模型試驗(yàn)通過對(duì)導(dǎo)流墩不同布置方案下口門區(qū)通航水流條件改善效果研究，對(duì)比分析各方案，得出方案3(即在引航道布置9個(gè)導(dǎo)流墩，其中1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m，并對(duì)導(dǎo)航墻外側(cè)沖溝及堤頭附近深槽進(jìn)行回填)對(duì)引航道口門區(qū)水流條件改善效果相對(duì)較優(yōu)。該方案在Q≤3500 m3/s時(shí)，口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求；Q>3500 m3/s時(shí)，口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速超出規(guī)范限值，通航水流條件不能滿足規(guī)范要求。

4.2 挖槽方案

左槽方案： 疏挖區(qū)位于樞紐左側(cè)3#～5#泄水閘消力池以下至導(dǎo)航墻堤頭以下760 m處，挖槽范圍總長(zhǎng)1170 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽方案： 疏挖區(qū)位于電站以下至攬子灣大橋處，挖槽范圍總長(zhǎng)1490 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽優(yōu)化方案：在右槽方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合原導(dǎo)航墻外側(cè)沖溝及堤頭附近深槽回填，并沿堤頭布置4個(gè)導(dǎo)流墩。

挖槽方案對(duì)比研究成果表明，單純的挖槽方案對(duì)引航道口門區(qū)水流條件改善效果并不理想，右槽方案改善效果優(yōu)于左槽方案。挖槽方案在挖槽底標(biāo)高為42.0 m情況下，Q≤3500 m3/s時(shí)口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求。而在洪水流量下，挖槽對(duì)樞紐下游斷面流速分布調(diào)整作用逐漸減弱，口門區(qū)水流條件改善效果不佳。

通過對(duì)右槽方案優(yōu)化，Q≤6500 m3/s時(shí)，口門區(qū)通航水流滿足規(guī)范要求，在最大通航流量Q=7800 m3/s時(shí)，口門區(qū)僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速超出規(guī)范要求。因此，優(yōu)化后的挖槽方案：右槽+深槽回填+導(dǎo)流墩的方案，對(duì)口門區(qū)通航水流條件改善效果較好，最大通航流量以下口門區(qū)水流條件基本滿足規(guī)范要求。

4.3 隔流堤方案

隔流堤方案1： 分為15段，由16個(gè)樁基連系墩和15段插板組成，總長(zhǎng)307 m。隔流堤方案2：對(duì)方案1優(yōu)化，即在導(dǎo)航墻堤頭以下130 m范圍深槽進(jìn)行回填，回填標(biāo)高至45.0 m，并降低1#～8#墩間插板底標(biāo)高至最低通航水位以下1.5 m，減小引航道口門區(qū)引流量，削弱回流及斜流的影響。隔流堤方案3：對(duì)方案2再優(yōu)化，即在原導(dǎo)航墻外側(cè)新建2條潛壩，距離堤頭分別為150、75 m，潛壩軸線與導(dǎo)航墻夾角為45°，壩長(zhǎng)78 m，壩頂高程為53 m。

研究成果表明： 隔流堤方案實(shí)施后，船閘下引航道口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，回流強(qiáng)度略有增大；中枯水流量下口門區(qū)內(nèi)橫向流速有所減小，但盡管采取了多種措施減小引航道口門區(qū)引流量，橫向流速仍超出規(guī)范要求；洪水流量下口門區(qū)內(nèi)產(chǎn)生漩渦、泡漩水等不良流態(tài)，對(duì)船舶航行不利。因此，隔流堤方案對(duì)引航道口門區(qū)水流條件改善效果不佳。

4.4 樁基透空式導(dǎo)流屏方案

樁基透空式導(dǎo)流屏是通過本次試驗(yàn)提出的一種創(chuàng)新型導(dǎo)流建筑物。該方案結(jié)合樁基隔流堤與導(dǎo)流墩各自優(yōu)勢(shì)，通過插板限制表層斜向水流，通過插板間間隔向引航道內(nèi)引入部分表層水流壓縮口門區(qū)內(nèi)回流，通過底部透空孔引入底部水流分擔(dān)部分引流量，相互限制，相互抵消，以達(dá)到削弱口門區(qū)內(nèi)斜流強(qiáng)度及泡漩水的效果。樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)型式見圖2，方案平面布置見圖3。

圖2 樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)型式圖

圖3 樁基透空式導(dǎo)流屏方案平面布置圖

樁基透空式導(dǎo)流屏由灌注樁、承臺(tái)及插板組成，分為15段，總長(zhǎng)324 m。導(dǎo)流屏中心軸線順航線平行布置，距航道右邊線5.5 m。每隔20.8 m中心間距布置一承臺(tái)，承臺(tái)高3 m，底標(biāo)高45.0 m，最上游的承臺(tái)與原有導(dǎo)航墻緊密銜接，承臺(tái)上部為2根直徑3 m、間距2.5 m混凝土樁，樁上設(shè)有插槽，在插槽范圍內(nèi)布置插板，插板分為10塊等高分層排列，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長(zhǎng)20 m。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流屏方案進(jìn)行多方案優(yōu)化對(duì)比。其中，導(dǎo)流屏優(yōu)化方案1：以減小底部過流量為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)堤頭附近深槽進(jìn)行回填，回填標(biāo)高至45.0 m，試驗(yàn)表明整體回填工況下原設(shè)計(jì)方案發(fā)生的引航道口門區(qū)局部范圍內(nèi)花水現(xiàn)象基本消失。導(dǎo)流屏優(yōu)化方案2：對(duì)縮短導(dǎo)流屏長(zhǎng)度進(jìn)行研究，節(jié)省工程量。

通過對(duì)導(dǎo)流屏方案及其優(yōu)化方案的研究表明，各通航流量級(jí)下，引航道口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，通過不同回填范圍優(yōu)化和導(dǎo)流屏長(zhǎng)度優(yōu)化后，在口門區(qū)附近深槽整體回填至45.0 m時(shí)，Q=7800 m3/s流量下，口門區(qū)150～200 m范圍內(nèi)航中線右側(cè)航道個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速最大為0.33 m/s，略高于規(guī)范限值，口門區(qū)通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。

自航船模試驗(yàn)研究結(jié)果表明： 各通航流量級(jí)下，船模均能夠安全通過口門區(qū)段航道，當(dāng)流量為7800 m3/s時(shí)，船模經(jīng)過口門區(qū)最大漂角為-9.0°，所需最大舵角為19.4°。船模航行條件較導(dǎo)流屏方案實(shí)施前改善明顯，能夠滿足船模安全航行要求。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了船閘口門區(qū)多種透空式結(jié)構(gòu)改善水流條件的措施，如導(dǎo)流墩、開孔導(dǎo)航墻、浮式導(dǎo)流堤、透空式導(dǎo)流墻等方法。工程實(shí)踐中，為解決已建樞紐船閘口門區(qū)通航條件困難問題，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形等邊界條件和現(xiàn)有研究成果，采取多種工程措施相結(jié)合的方法，不能生搬硬套。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式需要通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行綜合對(duì)比、優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，才能達(dá)到有效改善口門區(qū)通航水流條件的目的。

五強(qiáng)溪樞紐船閘下游引航道樁基透空式導(dǎo)流屏方案通過模型試驗(yàn)選定，按照試驗(yàn)成果實(shí)施了引航道改造工程施工。2016年3月底改造工程順利完工，從完工以來通航條件效果觀測(cè)情況來看,新建導(dǎo)流結(jié)構(gòu)很好地改善了引航道口門區(qū)水流條件，改造前口門區(qū)礙航問題得到很好地解決。

[1] 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所. 五強(qiáng)溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航條件物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R]. 2015.

[2] 湖南省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)研究院. 沅水浦市至常德航道建設(shè)工程初步設(shè)計(jì)文件[R]. 2014.

[3] 李偉. 透空隔流堤對(duì)船閘引航道口門區(qū)水流條件影響研究[D]. 長(zhǎng)沙: 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2007.

[4] 王瑋，盧文蕾. 嘉陵江船閘透空式導(dǎo)航墻的研究及應(yīng)用[J]. 水道港口，2013(4).

[5] 周家俞，尹崇清，段金曦，等. 渠江風(fēng)洞子船閘導(dǎo)航墻透空型式效果研究[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月刊), 2010(10).

[6] 徐小梅，王峰.游埠樞紐下游引航道及口門區(qū)隔墻優(yōu)化數(shù)學(xué)模擬研究[J]. 人民珠江，2011(1).

2017-05-05

路蒞楓(1973-)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程管理。

1008-844X(2017)02-0272-03

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