王建平

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院 水利部珠江河口治理與保護重點實驗室 水利部珠江河口海岸工程技術(shù)研究中心，510610，廣州）

一、研究背景

大藤峽水利樞紐是國務院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程的標志性項目，是集防洪、航運、發(fā)電、水資源配置、灌溉等功能于一體的珠江流域關(guān)鍵控制性工程。大藤峽水利樞紐是低水頭河床式水電站，河床式水電站多修建在河流河面較寬、比降較小的中下游河段上，由于地形相對平坦，不允許淹沒更多的土地，只能修建較低的閘壩來適當抬高水頭，不會形成大面積水庫。最常見的布置方式是泄水閘（或溢流壩）建在河床中部，溢流前緣較寬，閘門孔數(shù)較多；水電站廠房建在一邊或兩邊，廠房與壩排成一體，共同擋水；水電站所需水量直接從廠房上游側(cè)引入廠房，不必修建專門的引水建筑物，以節(jié)省投資。河床式水利樞紐多建在水量豐沛河流上，壩一般不高，主要靠流量大出力，屬低水頭大流量型水電站。施工導流方式常對水利樞紐的總體布置選擇具有重大影響。

在大藤峽水利樞紐工程設計階段，開展了一系列專題模型試驗研究，驗證樞紐布置的合理性，復核泄水閘過流能力，驗證泄水閘調(diào)度方案，評估消能防沖效果，優(yōu)化船閘引航道口門區(qū)及航道連接段通航水流條件，論證施工導截流方案可行性等，為工程設計、建設及運行管理提供科學依據(jù)。工程建設時間長達9年，船閘試通航以及左岸機組投產(chǎn)發(fā)電運行已超過3 年，在工程實際建設和運行期間，因為水文情勢、地形條件、施工工藝、運行規(guī)則、管理要求等方面發(fā)生了諸多變化，原有的部分專題研究成果已不能適應新的工程應用條件，對工程建設及運行期新出現(xiàn)的重難點問題及時開展相關(guān)研究是非常必要的。

二、問題分析

1.二期圍堰拆除

根據(jù)大藤峽水利樞紐工程建設時間節(jié)點安排，二期圍堰填筑完成后，在二期圍堰擋水條件下，大藤峽水利樞紐下閘蓄水，投入初期運用，在右岸建筑物具備擋水條件后開始拆除二期圍堰，右岸首臺機組發(fā)電前完成拆除工作。

二期圍堰拆除面臨四大難題：①水下拆除工程量大。橫向圍堰土石方拆除總量為193.35萬m3，縱向混凝土圍堰拆除總量為15.79 萬m3，而僅水下部分的土石方就達117.65萬m3。②拆除工期緊。原計劃圍堰拆除工期為7個月，由于右岸首臺機組發(fā)電時間節(jié)點提前1個月，工期調(diào)整為6個月。③限制條件多。拆除方案不得降低工程防洪標準，圍堰拆除期間需保持46.7 m的庫區(qū)水位，不得影響左岸船閘通航與一期機組發(fā)電的正常運行。④水下施工難度高。為避免圍堰爆破石渣對右岸機組和泄水閘的運行影響，拆除方案選擇效率相對較低的抓斗式挖泥船挖裝方式；橫向土石圍堰采用基坑開挖料填筑，大顆粒占比大，水下拆除效率低；圍堰防滲墻采用預注漿工藝施工，周圍進行補強灌漿，結(jié)構(gòu)強度大，拆除難度進一步增加。

二期圍堰拆除工程量大、時間緊、限制條件多、難度高、任務艱巨，需要優(yōu)化圍堰拆除方案，減少圍堰拆除對發(fā)電和行洪影響，降低拆除工程量與難度，縮短工期。

2.泄水閘分區(qū)調(diào)度方式

根據(jù)西江地理特點、氣象特性、洪水特性等，大藤峽水利樞紐泄水閘采用多孔閘、高低孔相結(jié)合形式。多孔閘在正常運行期間通常采用部分開啟方式，往往具有下泄單寬流量大、上下水位差大特點，閘下水流易形成渦流、回流等不良流態(tài)。工程設計階段，針對泄水閘分區(qū)調(diào)度開展了一系列專題研究。隨著工程建設的逐步推進，工程的實際建設方案和運行條件與初步設計方案相比也發(fā)生了一定變更，如二期上下游橫向與縱向圍堰拆除方案變化、泄水閘上下游附近岸灘開挖帶來的河勢變化、工程建設和施工擾動帶來的下游河道地形變化、下游左右岸岸坡防護范圍與結(jié)構(gòu)形式發(fā)生調(diào)整、下游航道整治帶來的壩下水位-流量關(guān)系曲線變化等。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)首啟右區(qū)存在消力池斷面水流左右不均、下游河床沖刷等問題，另外閘門開啟邊孔受關(guān)閉孔回流擠壓，還會引起水躍拍打弧門箱梁的情況。由于工程運行條件發(fā)生較大變化，結(jié)合工程實際運行出現(xiàn)的問題，需要進一步優(yōu)化泄水閘分區(qū)調(diào)度方案。

3.船閘下游航道連接段通航水流條件

樞紐下游主河槽河底高程約14.60～16.70 m，左側(cè)灘地開挖航道連接段的高程為16.65 m，主河槽及航道連接段之間為高程20.00～22.00 m 的灘地。主河槽主流在引航道口門區(qū)附近分流，部分水流斜向進入航道連接段。黔江航段現(xiàn)狀為五級航道，遠期規(guī)劃為二級航道。2022 年下游航道進行疏浚施工，2023 年后明顯發(fā)現(xiàn)航道及連接段水面大幅度降低，導致航道連接段分流量和分流落差增大，分流水量集中匯入航道連接段，致使航道連接段內(nèi)橫向流速過大。主槽與航道連接段內(nèi)水面差達到1.6 m（航下2+790，最下游排樁附近）、橫向流速近0.7 m/s，航下3+105～3+195 區(qū)域橫向流速最大，影響范圍也最廣，測量船只僅能在航道連接段左側(cè)航行，也測到了1.2 m/s 橫向流速值。船舶下行進入下游航道連接段，在通過受橫流影響區(qū)域時，需預先加大舵角，以抵消橫流的不利影響，對船舶操控要求高，存在安全隱患，更無法滿足遠期夜航要求。

為消除下游航道連接段橫向水流的不利影響，從保證通航安全、防洪安全等角度出發(fā)，需要對下游航道連接段通航水流條件治理方案的有效性和合理性進行驗證和優(yōu)化，為工程安全運行提供技術(shù)支撐。

4.壩前漂浮物

水庫漂浮物清理是庫區(qū)管理的常見難題。由于人類活動、自然災害等原因，水庫中常常會出現(xiàn)大量的漂浮物，如果不能得到及時清理，它們會在水面上積累，不僅會影響水庫的美觀，還可能對水庫水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和人類健康造成負面影響。電站運行期間，受發(fā)電引水的吸引力作用，漂浮物會聚積在電廠進水渠的攔漂排附近，攔漂排在上游側(cè)聚積漂浮物的作用下發(fā)生凹陷變形，從而聚積更多的漂浮物，攔漂排上下游水頭損失增大，導致發(fā)電效益降低。清理水庫漂浮物的方法有很多種，包括水力攔導、人工打撈、機械打撈等。水力攔導通常是在電站進水渠設置攔漂排，阻止大部分漂浮物進入電站引水口（進口前緣布置攔污柵可以清理少量漂浮物），輔以邊孔閘門泄流，將漂浮物導向下游。泄水閘邊孔排漂實施難度較大，主要在于以下幾個方面：漂浮物種類多，大小形狀和重量各不相同，數(shù)量變化大；為滿足排漂需求邊孔需敞泄或大開度運行，耗水量大，排漂時長有限，且邊孔泄流導漂排漂效應僅限于周邊附近區(qū)域；攔漂排變形后與下泄水流夾角增大，導漂排漂難度增大；泄水閘結(jié)構(gòu)設計主要是為了泄流，排漂邊孔通常會抬高堰面，從而降低了泄水閘的過流能力，邊孔運行對庫水位變幅適應能力差，并伴隨壩下低水位工況的消能防沖問題。另外水力攔導漂浮物沒有從根本上解決問題，而是將問題從庫區(qū)轉(zhuǎn)移到下游，不符合河道管理要求。人工打撈是最傳統(tǒng)的方法，但效率低且成本較高。機械打撈可以高效地清理大量漂浮物，但需要配置專業(yè)的打撈船舶和打撈設備進行日常作業(yè)。

三、對策思考

1.圍堰拆除方案優(yōu)化

大藤峽水利樞紐采用左岸3臺機組、中部26孔泄水閘、右岸5臺機組的布置型式，右側(cè)5孔泄水閘和右岸5臺機組廠房在二期圍堰的防護下施工。試驗推薦了上游二期橫向圍堰采用左低右高的“Z”形拆除方案：二期橫向圍堰左側(cè)150 m段（泄水閘上游）拆除至25.00 m高程，右側(cè)段（右岸電廠上游）拆除至31.17 m高程，可有效保障右側(cè)5孔泄水閘的泄流能力，并降低對機組發(fā)電水頭影響，且圍堰拆除剩余部分的局部沖刷不影響泄水閘及電廠運行，可減少土石方拆除量約26萬m3。

為減少上游庫區(qū)淹沒，改善泄水閘泄洪流態(tài)，提出上游縱向圍堰部分拆除方案，上游縱向圍堰保留50 m，可有效減小主流向左折轉(zhuǎn)夾角，降低堰后回流，增加左中區(qū)21個泄水閘孔的分流量，進而降低上游水位（20年一遇洪水，上游水位低于設計值0.40 m），減少上游庫區(qū)淹沒，消除進閘不良流態(tài)，有效保障工程的防洪安全。開展下游縱向圍堰全部保留，拆除至30.0 m與拆除至26.5 m高程的方案對比試驗，從下游河勢變化、圍堰剩余部分的穩(wěn)定性、下游河床及左岸岸坡沖刷等方面，論證了下游縱向圍堰拆除至30.0 m的可行性，可減少拆除量約3.7萬m3。

在滿足工程泄洪安全及對工程發(fā)電影響程度較小的前提下，優(yōu)化二期圍堰拆除方案。優(yōu)化后的二期圍堰不等高拆除方案減少了圍堰拆除工程量，降低了拆除難度，縮短了拆除工期，有效保證了右岸首臺機組發(fā)電節(jié)點要求，也可為其他工程圍堰拆除提供技術(shù)參考。

2.泄水閘分區(qū)調(diào)度原則研究

對大藤峽水利樞紐閘門分區(qū)首啟、閘門開啟順序及閘門開度開展對比優(yōu)化試驗。結(jié)果表明，在相同泄流條件下，首啟右區(qū)時泄洪流態(tài)相對較差，可通過調(diào)整閘門開度或閘孔開啟位置來減小對下游基巖的沖刷；首啟中區(qū)時泄洪流態(tài)最佳且對下游基巖無明顯沖刷；首啟左區(qū)較難協(xié)調(diào)水流流態(tài)與下游沖坑的關(guān)系。閘門開度為0.3、0.5、0.7 時，右區(qū)可調(diào)空間小，各開度消力池及下游河道流態(tài)相差不大；中區(qū)各開度流態(tài)相差不大；左區(qū)以0.3 開度為最佳，0.5 次之。右區(qū)閘門開啟順序宜從中間向兩側(cè)開啟，閘門開啟間隔以1 孔為宜，不宜超過2 孔；中區(qū)閘門開啟順序以左側(cè)閘門向右依次開啟為宜；左區(qū)閘門開啟順序宜由右側(cè)閘門向左依次開啟。綜上，泄水閘分區(qū)調(diào)度以中區(qū)首啟為最佳，可調(diào)整空間大，消力池流態(tài)相對順直，下游沖刷小。試驗提出的調(diào)度原則優(yōu)化方案能解決原調(diào)度規(guī)則下擬定的調(diào)度方案中出現(xiàn)的問題，為樞紐泄水閘調(diào)度運行管理提供依據(jù)。

3.船閘航道連接段水流條件改善

橫向流優(yōu)化整治主要包括下游主槽開挖、主槽與航道連接段之間灘地低洼處填筑透水堤及組合措施。因主流斜沖至航道連接段的問題多在下游水位較低時發(fā)生，故試驗重點關(guān)注樞紐小流量工況下游航道連接段的流態(tài)及橫向流速分布。

主河槽局部開挖方案有兩種，一種是通過對下游引航道口門區(qū)連接段與主河道間的淺灘進行開挖，增加斜向流的過流面積和范圍，減小原河道與引航道之間的水位差，進而減小橫向流流速和集中度，改善通航條件；另一種是對主河槽的深泓線區(qū)域進行拓寬，增大主河槽的過流面積和范圍，減小原河道與引航道之間的水位差，進而減小橫向流流速和集中度，改善通航條件。

在主河槽及航道連接段之間灘地低洼處填筑透水堤是根據(jù)現(xiàn)狀地形，在航下2+840 m～航下3+280 m范圍內(nèi)，該段地形有3～4 處高于23.00 m 的淺灘，為保證設置的透水堤在下泄流量1010 m3/s（即該段河道水位約23.00 m）時，有較大的過水面積且堤頂可以與周圍地形平順相接，將透水堤頂高程設置為22.50 m，透水堤頂寬10 m，靠近引航道側(cè)2 m 鋪設厚50 cm 和厚80 cm 兩種規(guī)格的鋼筋石籠，靠近河道側(cè)8 m 鋪設塊石。填筑透水堤可以封堵主河槽及航道連接段之間灘地低洼處分流通道，沿程均勻分散透水，可避免主槽水流集中匯入航道連接段，減小橫向流流速，改善通航條件。

局部開挖方案需水下爆破，開挖難度大，安全性低，需要填筑臨時施工道路并在施工后拆除，開挖范圍及工程量大；填筑透水堤方案開挖量小，施工簡易。從施工安全、施工難易和工程量角度考慮，填筑透水堤方案更優(yōu)。

4.壩前自動化機械排漂探索

庫區(qū)排漂困難的核心在于能攔不能導（排），攔截結(jié)構(gòu)僅僅是被動地阻擋漂浮物，而不能有效地引導這些物質(zhì)到特定的位置進行處理，需要人工或者額外的動力來源來移除漂浮物。傳統(tǒng)措施存在排漂不及時、排漂水量損失大、清漂船工作時風險較大等缺點。優(yōu)化庫區(qū)清漂工作，消除清漂對機組運行的影響，需要對水利樞紐現(xiàn)有清漂方案或設施進行升級改造，實現(xiàn)壩前自動化機械排漂，是運行期庫區(qū)排漂的重點和難點。

壩前自動化機械排漂方案中，平面布置呈直角三角形分布，電廠前緣和臨岸為直角邊，迎水面為三角形斜邊，三角形結(jié)構(gòu)可以消除迎水面攔漂排受漂浮物擠壓變形而產(chǎn)生的不利影響。三角形的頂點為固定式支點，設置浮筒式驅(qū)動裝置。攔漂單元為截面梯形的中空密閉結(jié)構(gòu)，自體產(chǎn)生浮力，單元間鉸接成履帶式的帶狀結(jié)構(gòu)，將漂浮物運送至壩前設置的履帶傳送機，垂直輸送至壩頂后裝車轉(zhuǎn)運清理。壩前自動化機械排漂方案，自動化程度高，清漂及時，可提升發(fā)電效率，實施成功后可起到較好的示范效果。