長江小南海樞紐施工二期導(dǎo)流明渠通航條件研究

李 霞，張緒進(jìn)，杜宗偉，李 平

（重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016）

長江小南海樞紐施工二期導(dǎo)流明渠通航條件研究

李 霞，張緒進(jìn)，杜宗偉，李 平

（重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016）

根據(jù)小南海樞紐河段河勢(shì)及水流條件特點(diǎn)，通過水工模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了小南海樞紐施工二期導(dǎo)流明渠通航條件及存在問題，提出了明渠進(jìn)口段炸除礙航礁石、出口段開挖新航槽的優(yōu)化方案。研究表明:導(dǎo)流明渠原設(shè)計(jì)方案明渠進(jìn)、出口段礁石礙航嚴(yán)重，通航水流條件差;優(yōu)化方案通過整治措施顯著改善了導(dǎo)流明渠的通航條件，保障了小南海樞紐施工二期長江上游航運(yùn)的安全暢通。

小南海樞紐;施工二期;導(dǎo)流明渠;通航水流條件

擬建的小南海水利樞紐位于長江上游重慶河段，是三峽水利樞紐的上游銜接梯級(jí)，其壩址上距江津區(qū)約28.5 m、下距重慶主城40 km，是云、貴、川、渝四省市通江達(dá)海的必經(jīng)之地，運(yùn)輸繁忙，物流量大。電站保證出力為761 MW，裝機(jī)容量為2 000 MW，年平均發(fā)電量為102.06億kW·h，是重慶統(tǒng)調(diào)電網(wǎng)中投資規(guī)模最大的水電工程［1］。因此，保障該樞紐施工二期航運(yùn)安全通暢是工程建設(shè)中須妥善解決的重大難題之一。為了分析研究小南海樞紐施工二期導(dǎo)流明渠的通航問題及改善措施，進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)。

1 小南海河段及樞紐工程概況

長江出大貓峽后河面逐漸放寬，進(jìn)入小南?！卸褜挏\分汊河段。擬建小南海樞紐，壩軸線橫穿大中壩江心洲中部，其上游約2.5 m為白沙沱鐵路大橋，該橋主跨僅80 m，汛期通航水流條件較差，時(shí)有海損事故發(fā)生［2］。鐵路大橋至江心洲洲頭河道微彎，右有石盤伸入江心，橫臥于明渠進(jìn)口段，枯水期水面寬度

navigation flow condition不足500 m。明渠渠身沿大中壩右汊布置，其下游出口段與天然河道銜接，該河段左岸邊灘發(fā)育，河心有中堆江心洲，右岸突咀挑流明顯，水流湍急，掃彎水強(qiáng)勁，為川江著名枯水險(xiǎn)灘［3］，其工程河段河勢(shì)見圖1。

小南海樞紐位于三峽水庫庫尾，目前為Ⅲ級(jí)航道，航道尺度為2.7 m×50 m×560 m（航深×航寬×彎曲半徑，下同）［4］，遠(yuǎn)期規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅰ級(jí)，航道尺度為3.5 m×100 m×1 000 m。

小南海樞紐總工期為8年2個(gè)月，擬采用三期施工導(dǎo)流通航方式:一期為導(dǎo)流明渠、左岸電站廠房施工期，主河床過流與通航，工期2年1個(gè)月;二期為仿自然通道左支、左岸溢流壩段、左岸電站廠房、船閘施工期，明渠過流與通航，工期4年;三期為右岸溢流壩段、右岸電站廠房、仿自然通道右支施工期，由左岸溢流壩段過流，船閘通航，工期17個(gè)月。從通航角度分析可知，施工二期導(dǎo)流明渠通航問題更為復(fù)雜，且時(shí)間長達(dá)4年，須做詳細(xì)深入地研究。

圖1 工程河段河勢(shì)Fig.1 Regime map of engineering reach

導(dǎo)流明渠布置在大中壩右汊，利用原河道的副槽（右汊），將其挖寬挖深，平面上呈微彎狀態(tài)。明渠中心線全長4 907 m，梯形斷面，渠底寬350 m，底部高程 168.0 m，出口段設(shè) 0.2‰斜坡降至高程166.0 m，再接1︰10 反坡升至 168.0 m，明渠進(jìn)口段左側(cè)（大中壩頭部）高程開挖至176.0 m，出口左側(cè)（大中壩尾部）高程開挖至170.0 m。明渠上、下游與天然河道銜接，進(jìn)口處石梁橫臥，出口處緊接川江著名枯水礙航灘險(xiǎn)，通航條件較差。

設(shè)計(jì)明渠最高通航流量為20 000 m3/s，最低通航流量為2 300 m3/s（通航保證率為98%）。

2 水工模型試驗(yàn)及船模試驗(yàn)概況

樞紐所在河段為微彎分汊型河道，根據(jù)河勢(shì)特點(diǎn)和研究內(nèi)容，為確保研究河段的水流結(jié)構(gòu)相似，模型選用幾何比尺為1︰150的正態(tài)模型，實(shí)際模擬從壩軸線上游6.2 km至壩軸線下游6.7 km共計(jì)12.9 km的原型河道（圖2）。按照重力相似和阻力相似的準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型建成后對(duì)河道水面線、斷面流速分布、水流流向等進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型與原型是相似的，且模型水流處于阻力平方區(qū)，屬紊流狀態(tài)，與天然水流相似，模型最小水深＞3 cm，滿足模型水流不受表面張力影響的要求。

圖2 模型試驗(yàn)布置Fig.2 Layout of the hydraulic model

船模試驗(yàn)根據(jù)《川江及三峽庫區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，代表船舶選用3 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)貨船（船舶尺度 92.0 m ×16.2 m ×3.5 m，船長×船寬×吃水），船模靜水航速上行為0.45 m/s，下行為 0.33 m/s。船模試驗(yàn)時(shí)首先按比尺要求制作船模后在試驗(yàn)水池中進(jìn)行率定，后用遙控設(shè)備操縱船模在水工模型相應(yīng)航段航行。船模的航跡、航速、船位、漂角等航行要素有激光快速掃描遙測(cè)，船模的用車、用舵等操縱因素由CMJ-3無線電接口遙測(cè)，數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)算和繪圖。

由于小南海河段位于三峽水庫庫尾回水變動(dòng)區(qū)，施工期明渠通航條件受三峽水庫運(yùn)行方式的影響較大。根據(jù)該河段的實(shí)際情況，結(jié)合三峽水庫調(diào)度運(yùn)行方式，擬定6級(jí)流量作為施工期明渠通航條件的試驗(yàn)工況，見表1。

表1 明渠通航條件試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions of the open channel navigation

3 原設(shè)計(jì)方案通航水流條件試驗(yàn)

3.1 水流條件分析

明渠水流兼具彎、急雙重特點(diǎn)（汛期尤為明顯）。中、小流量時(shí)明渠水流平穩(wěn)，渠身段通航條件較好，但上、下游連接段航道彎曲;大流量時(shí)受明渠過水?dāng)嗝嫦拗疲魉?、比降增大，通航條件惡化，不同流量下明渠通航條件差異較大［5-6］，見表2。

表2 原設(shè)計(jì)方案上水航線流速、水面比降Table 2 Velocity＆slope in up-navigation route of original design scheme

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流量為Q=2 300，5 000 m3/s時(shí)，明渠內(nèi)水流平緩，流態(tài)良好，通航條件優(yōu)越。但明渠上游連接段右岸岸線凸出，巨大石梁橫臥于進(jìn)口，航道曲率半徑僅為350 m，船舶進(jìn)、出明渠十分困難;明渠出口與川江枯水礙航灘險(xiǎn)（渣角灘）相連，使得枯水航道更加彎曲，航行條件惡劣。

當(dāng)流量Q=10 000 m3/s時(shí)，明渠內(nèi)除大中壩壩頭斜流出現(xiàn)外，其余部位水流仍較平穩(wěn)，水流條件滿足船舶通航要求。但明渠上游連接段石梁頂部水深仍不夠，船舶進(jìn)、出須繞行;明渠下游連接段因河面增寬、航線選擇余地較大，船舶進(jìn)、出明渠下口難度減小。

當(dāng)流量Q=15 000 m3/s時(shí)，受明渠過水?dāng)嗝娴南拗?，渠?nèi)流速、比降顯著增大，進(jìn)口左側(cè)大中壩壩頭斜流最大達(dá)4.30 m/s，其他部位無明顯不良流態(tài)。此時(shí)船舶自航上行過渠已較困難，另外明渠上游連接段礁石附近泡漩較強(qiáng)，影響航行安全;下游連接段水深、河寬進(jìn)一步增大，航線選擇余地大，船舶進(jìn)、出明渠下口的通航水流條件根本改善。

當(dāng)流量為設(shè)計(jì)最大通航流量Q=20 000 m3/s時(shí)，明渠上水航線上的流速為3.07 ～4.38 m/s，渠內(nèi)水面波動(dòng)較明顯，船舶需減載上行。上游連接段石梁頂部水深雖夠，但仍存在泡漩等不良流態(tài);下游連接段通航條件滿足要求。

長江流量為大洪水Q=25 000 m3/s時(shí)，明渠內(nèi)水陡流急，渠內(nèi)水面波動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，通航條件進(jìn)一步惡化，通航條件已不能滿足船舶自航上行過明渠的要求。

3.2 存在的通航問題

通過試驗(yàn)分析可知，明渠渠身段受斷面型式限制，流態(tài)隨流量的增大而逐漸變差;而明渠進(jìn)、出口段受地形條件影響顯著，枯水期航道曲率半徑不能滿足相應(yīng)規(guī)范要求，且水流湍急，航行條件惡劣。因此，明渠上、下游進(jìn)出口段，尤其是連接段的通航水流條件為重點(diǎn)改善對(duì)象［7-8］。

4 優(yōu)化方案通航水流條件試驗(yàn)

4.1 優(yōu)化措施

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案明渠進(jìn)、出口段存在的問題，在保持明渠渠身段總體布置不變的基礎(chǔ)上，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。上游連接段炸除右岸石梁突出部分，炸礁基線與明渠軸線基本平行，炸至168 m高程，邊坡為1︰1;下游連接段開挖新航槽，將中左汊挖寬挖深，挖槽軸線長約1 600 m，梯斷面，航槽底寬100 m，水深3.5 m;調(diào)順明渠下段右邊線，為使明渠水流與新挖航槽平順銜接，將明渠下段的右邊線向左移動(dòng)0～100 m，見圖3。

圖3 導(dǎo)流明渠優(yōu)化方案措施示意Fig.3 Optimization scheme measures of diversion channel

4.2 優(yōu)化方案水流條件分析

各級(jí)流量的試驗(yàn)成果見表3。

表3 優(yōu)化方案上水航線流速、水面比降Table 3 Velocity and slope in up-navigation route of optimization scheme

試驗(yàn)表明，當(dāng)流量Q=2 300 m3/s時(shí)，上游連接段水流平緩，流態(tài)良好，船舶進(jìn)、出明渠的通航條件得到根本改善;明渠段水流平緩、流態(tài)良好，航行條件優(yōu)越;下游連接段與新挖航槽銜接平順，航槽流速為 0.99 ～ 2.5 m/s，水面比降i≤ 0.90‰，滿足通航水流條件要求。

當(dāng)流量為Q=5 000～10 000 m3/s時(shí)，整治后明渠段上、下游連接段航線平順，航槽水深富裕、流速較緩、比降較小，無礙航流態(tài)，通航條件良好;當(dāng)流量Q=15 000～20 000 m3/s時(shí)，隨著長江流量的增大，明渠及其上、下游連接段的水流流速加大，不良流態(tài)顯現(xiàn)，通航條件逐漸變差;當(dāng)流量Q=25 000 m3/s時(shí)，受明渠過水?dāng)嗝娴南拗?，大洪水時(shí)明渠及其上、下游連接段流速、比降顯著增大，明渠進(jìn)口斜流較強(qiáng)，渠內(nèi)掃彎水勢(shì)較明顯，水面波動(dòng)較大，通航條件進(jìn)一步惡化。

綜上所述，優(yōu)化方案對(duì)明渠上、下游連接段航道進(jìn)行整治后，航道彎曲半徑由480 m增加到800 m，航線順暢，船舶進(jìn)、出明渠不需繞行，安全、快捷。中、低水期，明渠及其上、下游連接段水流平穩(wěn)、流態(tài)良好，通航條件優(yōu)越;洪水期流速、比降增大，斜流顯現(xiàn)，通航難度逐漸增大，在長江流量小于20 000 m3/s時(shí)，船舶可采取助推、減載等措施上行過渠。

5 結(jié)語

針對(duì)長江小南海樞紐施工二期導(dǎo)流明渠原設(shè)計(jì)方案枯水期上游進(jìn)口段和下游出口段通航條件差、洪水期明渠流急坡陡的問題，優(yōu)化方案在保持明渠布置、規(guī)模、尺度不變的基礎(chǔ)上，炸除進(jìn)口段礙航礁石、調(diào)整渠身段右岸邊線及出口段利用淺灘汊道開挖新航槽的方案解決了施工期明渠通航關(guān)鍵技術(shù)難題。結(jié)合長江三峽導(dǎo)流明渠中存在的問題及解決方案，再一次證明導(dǎo)流明渠設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)，往往不在明渠本身而在明渠的上、下游進(jìn)口段與航道的連接段。該試驗(yàn)研究成果為通航河流上修建大型水電站樞紐設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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Diversion Channel Navigation Condition in Construction PhaseⅡ of Xiaonanhai Water Control Project on Yangtze River

Li Xia，Zhang Xujin，Du Zongwei，Li Ping
（Southwest Hydraulic Engineering Institute for Water Transport，Chongqiong 400016，China）

According to river regime and flow condition characteristics of Xiaonanhai Water Control Project reach，diversion channel navigation condition and existing problems in construction phaseⅡare studied by hydraulic model and ship-model test.Generally，navigation flow condition is bad because of the rocks at the import and export section of diversion channel in original diversion channel design，and has been significantly improved in optimization scheme by regulation the import and export section of diversion channel and excavation new channel.

Xiaonanhai Water Control Project;construction phaseⅡ;diversion channel;

U617.3

A

1674-0696（2013）02-0306-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.28

2012-09-16;

2012-12-20

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2008 328 000 20）

李 霞（1984—），女，四川彭州人，碩士，主要從事水利水運(yùn)工程研究。E-mail:lxhhu@163.com。