劉 大 川

(重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展(集團(tuán))有限公司，重慶 401121)

1 概 述

利澤航運(yùn)樞紐工程系嘉陵江重慶境內(nèi)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí)，位于距重慶市合川區(qū)大石街道3.5 km的嘉陵江上游利澤碼頭，距離合川城區(qū)大約32 km。樞紐區(qū)河段跨越川渝兩地，壩址處于天然河道較舒緩的河彎下游處，河道順直，兩岸均有山體接頭，河谷斷面呈寬緩不對(duì)稱(chēng)的“U”型谷，左岸陡、右岸緩，左岸為基巖岸坡，坡度一般為30°～50°，右岸有階地分布，呈臺(tái)階狀地形，地勢(shì)相對(duì)平緩，總體坡度在15°～20°之間。

利澤航運(yùn)樞紐工程是一個(gè)以渠化航道、發(fā)展航運(yùn)為主，同時(shí)兼顧發(fā)電、防洪、生態(tài)等綜合效益的河床式開(kāi)發(fā)工程[1]。主要建筑物由泄洪沖沙閘、電站廠(chǎng)房、非溢流壩、船閘和魚(yú)道等組成，水庫(kù)正常蓄水位高程210.725 m，總庫(kù)容6.19億m3[2]。其上游與桐子壕樞紐船閘水位銜接，下游與草街電站回水銜接。利澤樞紐建成后，可渠化壩址至桐子壕梯級(jí)間長(zhǎng)約26.5 km的河道，使原來(lái)僅為V級(jí)的航運(yùn)通道提高到高等級(jí)的Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。樞紐船閘工程按IV級(jí)航道設(shè)計(jì)，可通航2×500 t級(jí)的船隊(duì)，船閘有效尺寸采用180 m×23 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×檻上水深)；船閘最高通航流量為16 400 m3/s，運(yùn)行采用5 a一遇洪水位為設(shè)計(jì)最高通航水位，即上游設(shè)計(jì)最高通航水位高程217.82 m，下游設(shè)計(jì)最高通航水位高程217.17 m；最低通航水位按運(yùn)行時(shí)的最低水位確定，即上游為高程210.3 m，下游為高程202 m；電站額定水頭5.4 m，額定單機(jī)引用流量393 m3/s，裝機(jī)容量74 MW(4×18.5 MW)，利澤航運(yùn)樞紐已于2019年3月完成了一期工程土建工程、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備安裝工程的招標(biāo)工作，2019年4月30日開(kāi)始了一期工程施工，預(yù)計(jì)于2021年6月30日一期工程完工，計(jì)劃工期為26個(gè)月。

2 船閘布置情況

利澤航運(yùn)樞紐船閘在工程初設(shè)階段對(duì)左船閘右廠(chǎng)房和左廠(chǎng)房右船閘進(jìn)行了位置比選。若船閘布置在左岸，上、下游引航道均位于主河道上，與主河道直接順直相接，有利于船舶安全快速進(jìn)出船閘且廠(chǎng)房開(kāi)挖量較小。若布置在右岸，下游引航道將偏離主河道，需設(shè)“S”形轉(zhuǎn)彎才能與原主航道相接，并且需要開(kāi)挖其下游的沙洲且下游溪溝的出水會(huì)惡化下游引航道內(nèi)的水流條件，影響船舶的安全。從樞紐布置看，船閘布置在左岸較為有利。

利澤航運(yùn)樞紐船閘全長(zhǎng)937.3 m，由上下閘首、閘室、上下游引航道的主輔導(dǎo)航墻、靠船墩、分水墻組成。上閘首采用整體式結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)邊墩和底板組成，長(zhǎng)45.5 m，寬43.4 m，頂高程為238.5 m，閘首門(mén)檻高程為206.3 m。閘室采用分離式，長(zhǎng)180 m，陸側(cè)閘墻頂寬2.5 m，外側(cè)閘墻頂寬3.5 m。下閘首采用整體式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)32 m，寬43.4 m，閘首頂高程為219.4 m，門(mén)檻高程198.5 m。船閘上行采用直線(xiàn)進(jìn)閘、曲線(xiàn)出閘的過(guò)閘方式，下行采用曲線(xiàn)進(jìn)閘、直線(xiàn)出閘的過(guò)閘方式。上游引航道通過(guò)轉(zhuǎn)彎半徑為800 m的連接段航道向河側(cè)轉(zhuǎn)彎31.5°與河道主河槽連接；下游引航道通過(guò)轉(zhuǎn)彎半徑為600 m的連接段航道向河側(cè)轉(zhuǎn)彎10°與河道主河槽連接。

3 船閘總體布置研究

3.1 原設(shè)計(jì)方案船閘上引航道口門(mén)區(qū)的通航條件

水流條件為船閘除地形、地質(zhì)條件外的最關(guān)鍵因素之一[3]。例如，引航道與電站的相對(duì)位置、長(zhǎng)寬以及彎曲半徑等都是為滿(mǎn)足通航水流條件而要求的。筆者針對(duì)利澤航運(yùn)樞紐設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，水工模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用幾何比尺為λL=λh=100正態(tài)實(shí)體模型，對(duì)流量Q=4 300 m3/s、6 750 m3/s、7 000 m3/s、16 400 m3/s四級(jí)流量、6種工況上、下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件進(jìn)行了流速測(cè)定[4]。設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，主要上引航道口門(mén)區(qū)流速分布情況見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)Q≤4 300 m3/s(電站滿(mǎn)發(fā))時(shí)，壩前水位保持在正常蓄水位高程210.725 m運(yùn)行，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)縱、橫向流速值均滿(mǎn)足通航要求，這是由于水庫(kù)壅水致使壩前水位較高、庫(kù)區(qū)水流相對(duì)較緩的緣故；但隨著上游來(lái)水流量的加大，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)附近流速變大且因船閘布置在樞紐彎道河段的左岸、彎道的凹岸和河段的深槽，因此，在流量Q>6 750 m3/s以上流量時(shí)，船閘上引航道口門(mén)區(qū)的縱橫向流速均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，不滿(mǎn)足口門(mén)區(qū)通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是當(dāng)Q>16 400 m3/s時(shí)，無(wú)論水庫(kù)是保持正常蓄水位還是沖沙水位，縱橫向流速均超過(guò)通航標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)工況表

表2 原方案上引航道口門(mén)區(qū)水流條件表

注：H為水位高程，m。

改善措施：在壩軸線(xiàn)上游上引航道口門(mén)區(qū)外0+850(上1#丁壩)、0+1 020(上2#丁壩)增設(shè)兩根潛丁壩，上1#丁壩壩頂長(zhǎng)35 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程206.5 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2；上2#丁壩壩頂長(zhǎng)45 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程為206.5 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2。改善后的流速分布情況見(jiàn)表3。

(1)當(dāng)流量Q=4 300 m3/s時(shí)，水庫(kù)按正常蓄水位高程210.725 m運(yùn)行?？陂T(mén)區(qū)范圍內(nèi)最大縱向流速為0.79 m/s，最大橫向流速為0.06 m/s，無(wú)回流。

表3 優(yōu)化后方案上引航道口門(mén)區(qū)水流條件表

(2)當(dāng)流量Q=6 750 m3/s時(shí)，水庫(kù)按正常蓄水位高程210.725 m運(yùn)行，泄洪沖沙閘1～12#孔全開(kāi)，13#孔控開(kāi)泄水。最大縱向流速為1.1 m/s，橫向流速為0.1 m/s，無(wú)回流。

(3)當(dāng)流量Q=16 400 m3/s時(shí)，水庫(kù)敞泄。最大縱向流速為1.91 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s，無(wú)回流。

這是由于在上引航道設(shè)潛丁壩的緣故，調(diào)整了引航道口門(mén)區(qū)單寬流量分布，很好地保障了引航道口門(mén)區(qū)內(nèi)的水流條件，使引航道口門(mén)區(qū)的水流條件能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水力指標(biāo)，能給船只提供良好的通行條件。

3.2 原設(shè)計(jì)方案船閘下引航道口門(mén)區(qū)的通航條件

原設(shè)計(jì)方案船閘下引航道口門(mén)區(qū)流速分布情況見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：船閘下引航道布置在彎道左岸深槽內(nèi)且位于彎道末端，當(dāng)上游來(lái)流量Q=4 300 m3/s時(shí)，上游右側(cè)電站尾水渠以及沖沙閘下泄的水流向下引航道口門(mén)區(qū)尾端以下的枯水主河槽沖去，形成較大的回流區(qū)，其各項(xiàng)指標(biāo)均不滿(mǎn)足通航要求；當(dāng)上游來(lái)流量Q=6 750 m3/s時(shí)，其流態(tài)和Q=4 300 m3/s時(shí)大致相同，右岸電廠(chǎng)的出流和右岸7～14#孔泄洪沖沙閘運(yùn)行，電廠(chǎng)尾水和出閘水流與船閘口門(mén)軸線(xiàn)的交角約為40°～45°，導(dǎo)致船閘下引航道口門(mén)區(qū)及連接段出現(xiàn)高強(qiáng)度、大面積的回流區(qū)，最大回流流速達(dá)0.8 m/s以上；當(dāng)上游來(lái)流量Q=16 400 m3/s時(shí)，其縱橫向流速大大超過(guò)《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》允許值[5]。

表4 原方案船閘下引航道口門(mén)區(qū)水流條件表

改善措施：

(1)為減小下引航道口門(mén)區(qū)的回流，在壩軸線(xiàn)下游下引航道口門(mén)區(qū)左側(cè)0+1 380(下1#丁壩)、0+1 620(下2#丁壩)處增設(shè)了兩根丁壩，下1#丁壩壩頂長(zhǎng)35 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程209 m；下2#丁壩壩頂長(zhǎng)45 m，壩頂高程為209 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2。

(2)將下游引航道內(nèi)導(dǎo)墻直線(xiàn)段末喇叭口段延長(zhǎng)至100 m，末端樁號(hào)為0+744.88，喇叭口段軸線(xiàn)與直線(xiàn)段軸線(xiàn)夾角由15°調(diào)整為9°。

(3)在喇叭口段開(kāi)孔，孔寬3 m，孔高10 m，孔間距5 m，孔軸向與堤軸線(xiàn)呈40°交角。

改善后的流速分布情況見(jiàn)表5。

由表5可以看出：

(1)當(dāng)流量Q=4 300 m3/s時(shí)，水庫(kù)按正常蓄水位高程210.725 m運(yùn)行，電站發(fā)電，最大縱向流速為1.83 m/s，最大橫向流速為0.1 m/s，無(wú)回流，口門(mén)區(qū)范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速以及回流速度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

⑵當(dāng)流量Q=6 750 m3/s時(shí)，水庫(kù)按正常蓄水位高程210.725 m運(yùn)行，泄洪沖沙閘1～12#孔全開(kāi)，13#孔控開(kāi)泄水。口門(mén)區(qū)內(nèi)縱向流速達(dá)1.81 m/s，橫向流速為0，回流速度為0.32 m/s。縱橫向流速及回流速度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)當(dāng)流量Q=16 400 m3/s時(shí)，水庫(kù)敞泄。最大縱向流速為1.4 m/s，最大橫向流速為0.19 m/s，個(gè)別點(diǎn)最大回流速度為0.46 m/s?？陂T(mén)區(qū)范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速以及回流速度基本滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表5 優(yōu)化后方案下引航道口門(mén)區(qū)水流條件表

綜上所述，通過(guò)修建下引航道口門(mén)左側(cè)處兩根丁壩、延長(zhǎng)導(dǎo)墻直線(xiàn)段末的喇叭口、調(diào)整喇叭口段軸線(xiàn)與直線(xiàn)段軸線(xiàn)夾角等措施，使下泄水流直沖下引航道口門(mén)區(qū)尾段的現(xiàn)象基本消失，該區(qū)域存在的回流基本消除，流速分布變得均勻。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究與工程自身特點(diǎn)，在確定左船閘、右廠(chǎng)房設(shè)計(jì)方案整體布局下，筆者與設(shè)計(jì)人員提出了將下游引航道內(nèi)導(dǎo)墻直線(xiàn)段末喇叭口段延長(zhǎng)、上下游引航道丁壩的設(shè)置以及下游喇叭口段軸線(xiàn)與直線(xiàn)段軸線(xiàn)夾角調(diào)整的工程優(yōu)化措施合理可行，且工程量較原來(lái)相比有所減小，航道標(biāo)準(zhǔn)較原來(lái)有所提高，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似航運(yùn)樞紐工程提供借鑒。