崔家營(yíng)樞紐導(dǎo)流明渠運(yùn)行期通航條件分析

徐 敏，陳 立，劉 燃，范紅利

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院，南京210098；3.湖北省港路勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，湖北430072）

導(dǎo)流明渠廣泛應(yīng)用于大中型水利樞紐施工中，特別是有通航需求的河流。由于導(dǎo)流明渠的建設(shè)將極大地改變局部河段邊界條件，因此河段水流運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，并引起河道的沖淤調(diào)整，因此，在考慮河道沖淤調(diào)整的前提下，合理確定施工明渠導(dǎo)流方案，不僅關(guān)系到施工期的防洪安全，也關(guān)系到航道條件是否得到滿足。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)導(dǎo)流明渠試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究，如導(dǎo)流方案對(duì)工程的進(jìn)度、施工安全性等關(guān)鍵問(wèn)題的影響［1］、明渠截流效果［2］、明渠參與通航的必要性和合理性［3］及彎道處布置明渠的可行性［4］等。由于河段邊界條件的極大差異，因此導(dǎo)流明渠通航條件及泄流能力一般需要通過(guò)河工模型試驗(yàn)手段研究確定。

崔家營(yíng)航電樞紐所處河流——漢江是國(guó)家內(nèi)河水運(yùn)主要通道之一，其施工期通航十分重要，為確保樞紐施工截流期間漢江的航運(yùn)暢通，設(shè)計(jì)部門(mén)采用明渠通航方案［5］。對(duì)于明渠施工期導(dǎo)流能力及通航條件，交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院采用定床模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化，從而為設(shè)計(jì)提供相應(yīng)依據(jù)，使工程建設(shè)得以順利進(jìn)行［6］。實(shí)際運(yùn)行的情況表明，導(dǎo)流明渠的設(shè)計(jì)是正確合理的，這也表明模型試驗(yàn)成果的科學(xué)性，但仍存在一定的偏差。為了給類(lèi)似導(dǎo)流明渠工程設(shè)計(jì)施工以及制訂施工期安全通航措施提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和建議，本文依據(jù)導(dǎo)流明渠原型觀測(cè)資料，分析了導(dǎo)流明渠實(shí)際通航條件，對(duì)比分析實(shí)際通航條件與設(shè)計(jì)階段模型試驗(yàn)結(jié)果的異同及其原因。

崔家營(yíng)航電樞紐位于漢江中游丹江口至鐘祥河段，距襄陽(yáng)市17 km，是一座以航運(yùn)和發(fā)電為主的綜合性電站。該工程于2010 年建成并投入運(yùn)行，在工程一期圍堰施工期（2006 年12 月～2008 年9 月）內(nèi)，泄洪及通航改由導(dǎo)流明渠進(jìn)行。根據(jù)漢江通航的實(shí)際需求，導(dǎo)流明渠設(shè)計(jì)通航主要參數(shù)如下：（1）當(dāng)河道水深大于1.6 m，且斷面平均流速小于2.0 m/s 時(shí)，船舶可以自航；當(dāng)斷面平均流速為2.0～3.0 m/s 時(shí)，由拖輪助航；當(dāng)斷面平均流速大于3.0 m/s 時(shí)，河道斷航；（2）明渠最小通航流量為470 m3/s，最大自航通航流量為2 800 m3/s；（3）當(dāng)流量小于2 800 m3/s 時(shí)船舶或船隊(duì)自航，當(dāng)流量在2 800～5 500 m3/s 之間時(shí)由拖輪助航，當(dāng)流量大于5 500 m3/s 時(shí)明渠斷航。在導(dǎo)流明渠運(yùn)行期間，于2007 年5 月14 日～2008 年5 月31 日觀測(cè)了不同流量下導(dǎo)流明渠的水位、水面比降、流速等，觀測(cè)斷面位置見(jiàn)圖1。

1 導(dǎo)流明渠實(shí)際通航條件

1.1 運(yùn)行期不同流量的水深

圖1 觀測(cè)斷面位置圖Fig.1 Location of observed sections

根據(jù)原型觀測(cè)的720 m3/s、1 170 m3/s、1 270 m3/s和1 780 m3/s 四級(jí)流量的實(shí)測(cè)水位繪制了導(dǎo)流明渠內(nèi)水位的沿程變化（圖2）。圖2 中同時(shí)給出了最低通航流量470 m3/s 和最大自航通航流量2 800 m3/s模型試驗(yàn)的水位觀測(cè)結(jié)果。由圖2 可以獲得以下認(rèn)識(shí)：隨著流量的增加，明渠內(nèi)的水位上升，但不同流量的水位漲率（這里的水位漲率采用流量每增加100 m3時(shí)的水位漲幅）不同，且流量越大，水位漲率越小，以J 斷面為例，當(dāng)流量由720 m3/s 變?yōu)? 170 m3/s 時(shí)，J 斷面水位的漲率為0.189 m/100 m3，流量由1 170 m3/s漲至1 270 m3/s 時(shí)漲率為0.143 m/100 m3，從1 270 m3/s 增加到1 780 m3/s 時(shí)，水位漲率減小為0.139 m/100 m3。而模型試驗(yàn)中流量由470 m3/s 增大至2 800 m3/s 時(shí)，J 斷面的漲率為0.122 m/100 m3。

在4 次水位測(cè)量中，明渠及上、下游過(guò)渡段水位最低值為54.614 m（黃海高程，下同），該點(diǎn)處明渠底部高程為52.5 m，此時(shí)水深為2.114 m，大于1.6 m。

1.2 導(dǎo)流明渠內(nèi)的水面比降

圖2 模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)明渠沿程水面比降Fig.2 Water surface slope of prototype observation and physical model test

由圖1 和圖2 可知：不同流量的沿程水面比降并不是均勻的，AD 段水面比降在0.056‰～0.110‰，DF 水 面 比 降 為0.188‰～0.448‰，F(xiàn)J 段 比 降 在0.012‰～0.065‰。即渠道段（DF 段）的比降最大，進(jìn)口段（AD 段）的比降次之，出口段（FJ 段）最小。而渠道段內(nèi)DE 段水面比降最大，為0.266‰～0.817‰。

隨著流量的增加，明渠的水面比降增加，其中明渠上中段比降增加較為明顯，而下游段水面比降變化不明顯。

1.3 明渠內(nèi)的流速

圖3 給出了不同流量下不同斷面的垂線平均流速的橫向分布，從圖3 中可以看出：

相同流量下不同斷面的平均流速及流速分布形態(tài)均不同。其中渠道段E 斷面平均流速最大，明渠進(jìn)口段C 斷面次之，下游出口段G 斷面最小：當(dāng)Q=653～5 219 m3/s 時(shí)，E 斷面平均流速在1.12～2.31 m/s；C 斷面的平均流速在0.42～1.14 m/s 之間；G 斷面平均流速在0.19～0.85 m/s 范圍內(nèi)。明渠段E 斷面的流速分布較為均勻，上游段流速分布均勻性居中，而G 斷面則呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱形態(tài)。

不同斷面的流速及流速橫向分布隨流量增加的變化也各不相同。隨著流量的增大，C、E、G 斷面平均流速均增大，其中E 斷面的過(guò)水寬度隨流量的增加沒(méi)有明顯的增大，流速橫向分布形態(tài)也沒(méi)有明顯的變化，即斷面上各垂線上的流速增加幅度相差不大；而C 斷面過(guò)水寬度逐漸變大，最大流速點(diǎn)也由靠近右側(cè)向渠道左側(cè)移動(dòng)，其流速分布也變得愈加對(duì)稱，G 斷面流速分布形態(tài)極不對(duì)稱，各級(jí)流量下主流穩(wěn)定居左。

2 通航條件的對(duì)比分析

2.1 物理模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 各級(jí)流量下的水深及比降

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)最低通航流量Q=470 m3/s 時(shí)，明渠內(nèi)水位為54.894～54.622 m，水深在1.894～2.122 m 之間，即明渠水深能滿足通航水深大于1.6 m的要求。

圖3 斷面流速分布Fig.3 Velocity distribution

不同流量下水面比降不同。在470 m3/s 流量下，水面比降較緩；470 m3/s≤Q≤5 500 m3/s 時(shí)，水面比降≤0.365‰；Q＞5 500 m3/s 后，水面比降更大。

各級(jí)流量下導(dǎo)流明渠水面比降沿程是變化的，壩軸線以上水面比降較大，壩軸線以下水面比降相對(duì)較緩，最大水面比降imax出現(xiàn)在壩軸線至上游600 m 之間。

2.1.2 各級(jí)流量下的流速

流量Q=470 ～2 800 m3/s 時(shí)，斷面平均流速沿程先增大后減小，其中進(jìn)口段斷面平均流速普遍較小，一般在0.6 ～1.3 m/s；渠道段斷面平均流速一般在1.5～1.9 m/s；而出口段的斷面平均流速一般在1.0～1.5 m/s。斷面平均流速均＜2.0 m/s，滿足自航流速限值要求。

明渠內(nèi)水流平穩(wěn)，渠道段斷面流速橫向分布均勻，進(jìn)出口段的流速分布具有一定的不對(duì)稱性。進(jìn)口段斷面最大垂線平均流速位于明渠中心線右側(cè)，渠道段最大垂線平均流速基本位于明渠中心線處，出口段水流最大垂線平均流速仍位于明渠中心線右，但相比進(jìn)口段，最大垂線平均流速位置已明顯向左移動(dòng)。

流量Q=2 800～5 500 m3/s 時(shí)，斷面平均流速的沿程變化規(guī)律依舊，其中進(jìn)口段斷面平均流速普遍較小，一般在0.9 ～1.7 m/s，渠道段流速一般在1.9 ～3.0 m/s，出口段流速落于2.0～2.5 m/s。渠道段最大流速小于3.0 m/s，滿足助航流速限值要求。

雖然斷面平均流速滿足助航的要求，但是在流量達(dá)到5 500 m3/s 時(shí)，明渠段最大垂線平均流速達(dá)到3.41 m/s，流速超過(guò)3.0 m/s 的范圍主要是明渠中心線以右90 m 范圍內(nèi)。

2.2 實(shí)際通航條件與模型試驗(yàn)結(jié)果的異同

2.2.1 水深對(duì)比原型與模型水位均隨著流量的增加而增大，流量越大，水位漲率越小。從圖4 給出的E、G 斷面水位流量關(guān)系也可以看出：模型水位流量關(guān)系曲線與原型實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系曲線基本平行，即水位隨流量的變化規(guī)律大體相同。

圖4 模型試驗(yàn)和原型試驗(yàn)E 斷面水位流量關(guān)系Fig.4 Comparison of stage-discharge relationship of section E

雖然水位隨流量的變化趨勢(shì)一致，但模型和原型同流量水位之間存在較為明顯的差異。由圖4 中實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系可知，最小通航流量470 m3/s 時(shí)原型E 斷面對(duì)應(yīng)的水位為54.099 m，而該斷面底部高程為52.8 m，因此水深為1.299 m，不滿足1.6 m 的最小通航水深要求。

圖4 中還可以看出，原型觀測(cè)Q=5 219 m3/s 時(shí)E斷面水位為59.73 m，而模型觀測(cè)的Q=5 500 m3/s 時(shí)E 斷面的水位為59.282 m，顯然洪水時(shí)同流量下原型水位高于模型。

2.2.2 比降對(duì)比

各級(jí)流量下，模型和原型中均表現(xiàn)為明渠渠道段水面比降最大，進(jìn)口段和出口段水面比降相對(duì)比較平緩；隨著流量的增加，模型和原型明渠內(nèi)各段的水面比降均逐漸地加大，流量越大，水面比降沿程變化越不均勻；模型與原型中水面比降的量級(jí)相同。模型中Q=470～2 800 m3/s 時(shí)，水面比降范圍從0.04‰～0.23‰增加到0.04‰～0.67‰，而原型中流量Q=720 m3/s 增加到Q=1 270 m3/s 時(shí)，水面比降由0.01‰～0.27‰變?yōu)?.02‰～0.30‰。

2.2.3 流速對(duì)比

圖5 給出了原型觀測(cè)中E 斷面在653 m3/s、1 340 m3/s 和5 219 m3/s 三級(jí)流量下垂線平均流速的橫向分布，以及模型中470 m3/s、2 880 m3/s 和5 500 m3/s 下的該斷面的垂線平均流速橫向分布試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)E 斷面流速橫向分布Fig.5 Comparison of velocity distribution of section E

原型與模型觀測(cè)的流速橫向分布形態(tài)基本相似。流速沿程的變化均表現(xiàn)為明渠進(jìn)口段最小，而后流速沿程逐漸加大，至壩軸線處流速最大，之后又逐漸減小。

模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)中渠道段平均流速均隨著流量的增大而增大，當(dāng)原型觀測(cè)流量在模型實(shí)測(cè)流量范圍內(nèi)時(shí)，原型觀測(cè)的斷面平均流速值也落在模型實(shí)測(cè)的斷面平均流速值范圍內(nèi)：流量在Q=470～5 500 m3/s時(shí)，模型觀測(cè)的渠道段平均流速在0.9～3.0 m/s；而原型觀測(cè)流量Q=653～5 219 m3/s 時(shí)的渠道段平均流速在1.12～2.31 m/s。模型與原型觀測(cè)結(jié)果均滿足助航對(duì)流速的限制要求。

原型和模型的差異體現(xiàn)在兩方面，一是原型觀測(cè)的流速橫向分布較模型更均勻，二是原型觀測(cè)的洪峰流量（5 219 m3/s）的垂線平均流速小于2.4 m/s，而模型中Q=5 500 m3/s 時(shí)，最大垂線平均流速超過(guò)3.0 m/s。

2.3 差異的原因分析

如前所述，導(dǎo)流明渠設(shè)計(jì)階段模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行期觀測(cè)的實(shí)際通航條件總體上是一致的，包括流速的大小、水面比降等，但也存在著差異，主要的差異在于運(yùn)行期觀測(cè)設(shè)計(jì)最小通航流量的水深小于設(shè)計(jì)值，而洪水期導(dǎo)流明渠的實(shí)測(cè)水位高于同流量的設(shè)計(jì)值。

枯水流量水位差異產(chǎn)生的主要原因是導(dǎo)流明渠運(yùn)行期河床的沖刷。雖然渠道段進(jìn)行了全面的護(hù)砌，但是明渠的進(jìn)出口段則只是對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，運(yùn)行期內(nèi)，河床發(fā)生了明顯的沖刷下切。

圖6 給出了導(dǎo)流明渠典型斷面的沖淤變化。由圖6 可以看出，處于壩軸線位置的E 斷面附近由于實(shí)施了全斷面防護(hù)［7］，因此運(yùn)行期該斷面幾乎沒(méi)有沖淤變化，而明渠段其他斷面僅對(duì)左右岸采取防護(hù)措施，則渠底的沖刷幅度較大，如F 斷面最大沖刷下切達(dá)4 m；同時(shí)位于彎道段的G 斷面，左岸為凹岸，右岸在一期圍堰后突然展寬，形成緩回流區(qū)，因此河道呈明顯的左沖右淤現(xiàn)象［8］，即主槽沖刷而灘地淤積，而枯水流量下水流所經(jīng)的主槽的侵蝕基準(zhǔn)面下降［9-10］。這必然使得相同枯水流量下原型中E 斷面的水位較模型中的水位低。

圖6 E、F、G 斷面沖淤變化圖Fig.6 Deposition and erosion of section E，F(xiàn) and G

洪水期水流漫灘過(guò)流，此時(shí)出口斷面右側(cè)淤積面積大于左側(cè)沖刷面積，因而洪水期的侵蝕基面不但未下降，反而有所抬升，故相同流量下的實(shí)測(cè)流速小于原型。而設(shè)計(jì)階段模型試驗(yàn)采用的是定床模型，因此不能反映導(dǎo)流明渠運(yùn)行過(guò)程中的河床沖淤調(diào)整，導(dǎo)致枯水期壩軸線處的水位偏低，而洪水期明渠內(nèi)的流速偏小。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)行期實(shí)際通航條件與設(shè)計(jì)基本一致：模型和原型水面比降量級(jí)相同，沿程變化規(guī)律相同，且均隨著流量的增加而增大；流速沿程變化、斷面流速分布也相似，均滿足自航和助航的流速要求。

（2）運(yùn)行期實(shí)際通航條件與模型試驗(yàn)通航條件的差異在水深方面：導(dǎo)流明渠運(yùn)行期最小通航流量下壩軸線處的水深明顯小于模型試驗(yàn)值，而洪水流量下該斷面原型實(shí)測(cè)水深又大于模型試驗(yàn)結(jié)果。

（3）差異產(chǎn)生主要是由導(dǎo)流明渠運(yùn)行期河床的沖刷造成的，而設(shè)計(jì)階段模型試驗(yàn)采用的是定床模型，不能反映導(dǎo)流明渠運(yùn)行過(guò)程中的河床沖淤調(diào)整，建議以后在設(shè)計(jì)階段模型試驗(yàn)時(shí)，邊界條件的確定應(yīng)反映河床的沖刷下降。

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