石旭芳，張建民，胡小禹，余 飛，栗 帥

(1.青海大學(xué) 水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016；2.水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014；4.青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，青海 西寧 810000)

在天然河道上興建航電樞紐，需要設(shè)置通航建筑物保證航運(yùn)要求，而其中引航道連接船閘和河流主航道，其口門區(qū)及鄰近水域的水流流速分布是船隊(duì)(舶)順暢過(guò)閘的關(guān)鍵影響因素，值得重點(diǎn)研究。譬如針對(duì)三峽船閘引航道，楊文俊[1]，戴會(huì)超[2]，陳永奎[3]，等進(jìn)行了系統(tǒng)而卓有成效的研究，提出了上游隔堤全包、雙線船閘錯(cuò)開充水方案改善航運(yùn)條件；周華興[4]，盧文蕾[5]，等則對(duì)口門區(qū)的通航水流條件進(jìn)行了深入探討，對(duì)現(xiàn)有規(guī)范限值提出了商榷意見；針對(duì)嘉陵江上以及梯級(jí)開發(fā)烏江流域的銀盤、構(gòu)皮灘，瀾滄江的景洪等樞紐工程，四川省交通廳內(nèi)河勘測(cè)設(shè)計(jì)院、交通部西南及天津水運(yùn)科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，對(duì)上下引航道提出了半開敞直線布置、半開敞曲線布置、限制性曲線布置等平面布置原則及具體尺寸建議值，同時(shí)采用透空結(jié)構(gòu)等工程措施改善航運(yùn)水流條件避免懸沙淤積，指出了透空范圍和透空高程的具體值，均取得了顯著的效果。但是引航道的布置受河道特性影響較大，筆者針對(duì)某大型航電工程在“S”形河道中的上下游引航道布置進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究上、下游引航道口門區(qū)的流態(tài)、流速分布，包括縱向流速、橫向流速、回流流速等，并提出優(yōu)化下游引航道口門位置和導(dǎo)墻型式的方案。

1 工程概況

某航電樞紐工程位于湄公河上游河段，裝機(jī)容量為9 120 MW，正常蓄水位340 m，采用“右岸船閘+右岸泄洪沖沙閘+左岸廠房”為基本樞紐布置格局方案，樞紐建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、電站建筑物、通航建筑物及過(guò)魚建筑物組成，具體布置形式如圖1。

圖1 樞紐平面總體布置Fig.1 General plane of the project

擋水建筑物包括左岸非溢流壩段、廠房壩段、泄洪沖沙閘壩段、船閘壩段及右岸非溢流壩段。壩頂高程346.00 m，最大壩高69.00 m。壩頂長(zhǎng)度899.50 m。廠房壩段位于左側(cè)主河槽部位，泄洪沖沙閘壩段位于右岸灘地，船閘壩段布置在右岸，在船閘壩段右側(cè)及廠房壩段左側(cè)布置非溢流壩段與岸坡銜接。

船閘級(jí)別為IV級(jí)，按通航500 t級(jí)船舶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)為單線單級(jí)船閘，靠右岸布置，閘室有效尺度為120 m × 12 m × 4 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)，上閘首結(jié)合攔河壩布置。設(shè)計(jì)最大通航流量為13 200 m3/s，最小通航流量為865 m3/s，試驗(yàn)工況均保持電站滿發(fā)流量6 440 m3/s，泄洪流量通過(guò)靠近電站方向的6孔泄洪閘均勻泄流。根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，引航道口門區(qū)表面流速：縱向流速≯2.00 m/s，橫向流速≯0.30 m/s，回流流速≯0.40 m/s。引航道停泊段表面流速：縱向流速≯0.50 m/s，橫向流速≯0.15 m/s。

2 模型布置及測(cè)量方式

模型比尺為1∶70，采用正態(tài)設(shè)計(jì)，河道范圍充分反映工程段河流的S狀情勢(shì)，上下游預(yù)留足夠的流態(tài)調(diào)整過(guò)渡段以保證上下游口門區(qū)水流的流速分布相似性。由于上、下游引航道口門區(qū)流速較低，且側(cè)向流速及回流流速需要更加精確的測(cè)量，故選擇聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀用來(lái)測(cè)量水流的三維流速。其測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)是相干多普勒處理，它的特點(diǎn)是測(cè)量精度高，沒有零點(diǎn)漂移。該儀器的流速測(cè)量范圍為 ± 0.01～4 m/s，精度為 ± 0.1 mm/s，采樣輸出頻率為1～200 Hz，達(dá)到了本水工模型試驗(yàn)測(cè)量的要求。

3 上游引航道試驗(yàn)

船閘及上游引航道中心線與壩軸線垂線形成7°的夾角，偏向河道左側(cè)，上游引航道具體布置形式如圖2，導(dǎo)墻呈外擴(kuò)型，左側(cè)長(zhǎng)隔流墻長(zhǎng)225 m，右側(cè)短隔流墻長(zhǎng)89 m平行于船閘中心線，兩者均采用板樁式結(jié)構(gòu)，上下分層透空式設(shè)計(jì)[6]，上部連續(xù)墻高于最高通航水位2 m，低于最低通航水位4 m，其下部直接與水流連通。

國(guó)內(nèi)外的研究和工程實(shí)踐表明，引航道的透空式隔流墻可以改善上游口門區(qū)水流條件[7-8]，但這種改善作用受工程所在的河道情勢(shì)、透空方式等條件影響，同時(shí)之前的研究大多關(guān)注的是隔流墻縱向開口的形式，對(duì)垂向分層形式的研究可供參照的案例較少，垂向分層的形式要求避免下部水流牽引由此導(dǎo)致引航道停泊段的水流波動(dòng)。因此對(duì)口門區(qū)和停泊段的水流流速特性都進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)流量選取涵括最小和最大設(shè)計(jì)通航流量，內(nèi)插多年平均流量和洪水流量等特征流量，能夠比較完全的反映引航道在各種工況特別是不利工況下的流速情況，見表1。

圖2 上游引航道布置及結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Layout and structure of the upstream approach channel

工況流量/(m3·s-1)縱向流速橫向流速回流流速范圍/(m·s-1)超限比例/%范圍/(m·s-1)超限比例/%范圍/(m·s-1)超限比例/%最小通航流量8650．02～0．200．000．01～0．130．000．01～0．090．00多年平均流量31600．01～0．300．000．01～0．200．000．01～0．170．00汛期平均流量54400．01～0．290．000．01～0．170．000．01～0．220．00常遇洪水100000．02～0．320．000．01～0．326．170．03～0．100．00洪峰流量均值122000．01～1．210．000．01～0．4714．580．07～0．270．00最大通航流量132000．04～2．052．080．01～0．5422．920．07～0．542．08

由表1可見，對(duì)于常遇洪水以下流量的工況，由于電站滿發(fā)，大部分流量通過(guò)河道左側(cè)電站方向下泄，庫(kù)區(qū)右側(cè)基本為靜水，壩前水位較高，整個(gè)庫(kù)區(qū)的水流平緩，上游引航道各項(xiàng)流速指標(biāo)都在規(guī)范限值之下。

隨著流量逐步增加，泄洪閘區(qū)域加大的下泄流量對(duì)引航道附近水體的牽引作用明顯，縱向流速急劇增大，最大通航流量下的最大值達(dá)到2.05 m/s，隔流墻頂端附近的口門區(qū)的斜向流作用顯著，停泊段隔流墻底部的透水作用增強(qiáng)，都出現(xiàn)了較明顯的側(cè)向流速，口門區(qū)和停泊段總的側(cè)向流速超限比例最大達(dá)到了22.93%左右，口門區(qū)最大側(cè)向流速達(dá)到0.52 m/s，停泊段靠近左側(cè)隔流墻附近出現(xiàn)最大側(cè)向流速為0.40 m/s，船隊(duì)(舶)航行可能產(chǎn)生較大的漂移，最大通航流量下靠近河道右岸的水域存在一定的回流流速，但是回流區(qū)距離航道中心線較遠(yuǎn)，同時(shí)超限比例較小，對(duì)船隊(duì)(舶)的影響不大。

總體來(lái)說(shuō)，上游引航道采用的垂直分層透空式隔流墻布置形式是合理的，上下分層型式能夠經(jīng)濟(jì)有效的減小水面流速，下部水體的引入對(duì)減小回流流速大有裨益，同時(shí)上游引航道與壩軸線的非垂直布置，使得隔流墻開口方向自然與主流方向形成小銳角，調(diào)整了口門區(qū)流速分布，也使得航道中心線偏離回流區(qū)域，除了較大洪峰流量外，在其他各種通航工況下都基本能夠保證口門區(qū)內(nèi)流速滿足規(guī)范要求。

4 下游引航道試驗(yàn)

下游河道存在接近直角的轉(zhuǎn)彎段，引航道的合理設(shè)置對(duì)船隊(duì)(舶)的順利歸槽有著至關(guān)重要的影響。下游引航道的設(shè)計(jì)不能過(guò)短，否則河道轉(zhuǎn)彎段的水流會(huì)順勢(shì)沖擊出口，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使船舶無(wú)法順利歸槽，也不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的引航道會(huì)在其下游范圍出現(xiàn)了較大的緩流區(qū)，容易造成泥沙淤積，影響錨地的正常使用，同時(shí)損失經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

原設(shè)計(jì)方案下游引航道整體沿河道右岸布置，具體形式如圖3，順河勢(shì)形成較大的彎曲，寬45 m，船閘出口接193.628 m的直線段，再接366.738 m的轉(zhuǎn)彎段，半徑為330 m，轉(zhuǎn)彎角63°40′27″，最后接179.359 m的直線段，該段引航道寬度拓寬至65 m。該體型下游引航道均采用重力式實(shí)體隔流墻，出口方向基本與河道主流方向一致。

圖3 原設(shè)計(jì)下游引航道體型Fig.3 Original design of downstream approach channel

對(duì)原體型下游引航道口門區(qū)的流速測(cè)量結(jié)果如表2，在常遇洪水以下工況，各項(xiàng)流速指標(biāo)能滿足規(guī)范要求，但是在10 000 m3/s以上流量下，口門區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大范圍的側(cè)向流速和回流流速，究其原因，是主流流速和航道出口口門區(qū)存在顯著的流速差，流速較高的主流繞過(guò)引航道隔流墻端口向低流速的口門區(qū)擴(kuò)散，形成三角狀的側(cè)向流速區(qū)和靠近右岸的回流流速區(qū)。隨著流量的增加，側(cè)向流速超限的范圍有所擴(kuò)大，由于引航道較長(zhǎng)，側(cè)向流速整體上不大，但是超限區(qū)域較廣，在最大通航流量時(shí)達(dá)到了20%左右。

表2 原設(shè)計(jì)下游引航道口門區(qū)流速試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Flow rates of entrance area of original design downstream approach

4.2 修改體型Ⅰ試驗(yàn)結(jié)果

修改體型Ⅰ如圖4，將下游引航道寬度加寬至50 m，船閘出口接261.607 m直線段，再接326.421 m轉(zhuǎn)彎段,轉(zhuǎn)彎半徑保持330 m，轉(zhuǎn)彎角56°40′28″，再接40.538 m的直線段，最后為84.4 m的透空延長(zhǎng)段。該方案整體上縮短了引航道長(zhǎng)度，出口與彎段后的河道主流小夾角相匯，同時(shí)希望通過(guò)透空延長(zhǎng)段的設(shè)置減少回流和側(cè)向流速，以期達(dá)到與主流平順相接的目的。

圖4 下游引航道修改體型ⅠFig.4 Modified typeⅠof downstream approach channel

對(duì)修改體型Ⅰ下游引航道口門區(qū)的流速測(cè)量見表3，雖然引航道總長(zhǎng)度事實(shí)上較原體型縮短，出口與河道主流方向形成了小夾角，然而總體流速條件反而相對(duì)更良好。各個(gè)工況下都沒有出現(xiàn)過(guò)大的側(cè)向流速，由于口門區(qū)和主流之間存在流速差，不可避免的在口門區(qū)靠近河道右岸處形成回流區(qū)，引航道縮短導(dǎo)致出口處的主流流速偏大，相應(yīng)的回流流速和回流區(qū)域也更大，在最大通航流量下達(dá)到了0.69 m/s，回流區(qū)域達(dá)13%，但是與之對(duì)應(yīng)的，出口處引航道由50 m拓寬至65 m，回流區(qū)域集中在加寬的15 m范圍內(nèi)，船隊(duì)(舶)歸槽恰好能夠避開回流區(qū)域。

表3 下游引航道修改體型Ⅰ、Ⅱ流速試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Flow rates of entrance area of modified typeⅠ&Ⅱdownstream approach

4.3 修改體型Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果

修改體型Ⅱ如圖5，在體型Ⅰ的基礎(chǔ)上，將下游引航道再次截短，初步試驗(yàn)中取消體型Ⅰ尾部的直線段和透空段，彎曲段縮短為151.212 m，轉(zhuǎn)彎角為26°21′03″，其余部分保持不變。該體型下，引航道出口切線方向與轉(zhuǎn)彎后河道主流方向形成約為33.18°的夾角。

圖5 下游引航道修改體型ⅡFig.5 Modified typeⅡof downstream approach channel

對(duì)該體型的流速測(cè)量結(jié)果如表3，由于電站滿發(fā)狀態(tài)下的尾水從河道左岸沿河道轉(zhuǎn)彎，同時(shí)頂托泄洪閘方向的泄流向左側(cè)偏轉(zhuǎn)過(guò)渡，而該體型引航道出口方向與這種斜向主流方向存在角度差，因此口門區(qū)外側(cè)必然會(huì)出現(xiàn)指向右岸的側(cè)向流速，在泄洪工況中，泄洪閘的泄流更加大了這一效應(yīng)，各個(gè)工況下都存在10%～20%的側(cè)向流速超標(biāo)，同時(shí)引航道的縮短導(dǎo)致縱向流速的增大，洪峰流量時(shí)有小幅度的超標(biāo)，在最大通航流量下由于下游水位較高，縱向流速和側(cè)向流速有所減小，靠近河道右岸區(qū)域卻出現(xiàn)大范圍的回流流速。

5 結(jié) 論

1)航電工程中引航道的合理體型和恰當(dāng)布置是通航水流條件的重要影響因素。上游引航道采用上下分層透水方案能夠改善回流流速，在常遇洪水及以下流量下，都不會(huì)出現(xiàn)回流流速超標(biāo)，縱向流速也僅在最大通航流量下超標(biāo)2.08%，但需要控制透水流量，防止過(guò)大的透水流量導(dǎo)致停泊段出現(xiàn)不利的側(cè)向流速，最大流量下泄導(dǎo)致的側(cè)向流速超標(biāo)范圍達(dá)23%。同時(shí)船閘軸線和壩軸線呈7°夾角的非垂直布置能夠有效的規(guī)避回流區(qū)。

2)對(duì)于急轉(zhuǎn)彎式的下游河道，單純加長(zhǎng)引航道能降低側(cè)向流速的大小，最大側(cè)向流速?gòu)?.71 m/s降至0.48 m/s，并不能減少側(cè)向流速范圍，超限范圍仍然在15%～20%左右，根據(jù)河勢(shì)可以恰當(dāng)?shù)目s短引航道長(zhǎng)度，透空段的設(shè)置對(duì)改善側(cè)向流速有幫助，恰當(dāng)長(zhǎng)度引航道設(shè)置透空段后側(cè)向流速超限基本消除，僅有少量工況為8%左右，引航道出口設(shè)在彎曲段會(huì)導(dǎo)致較大的側(cè)向流速，建議增設(shè)導(dǎo)流墩、分層透水導(dǎo)流堤等改善流態(tài)。

3)“S”形河道中上下游引航道的布置受制于地形條件與河流流場(chǎng)彎曲，筆者對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了上游引航道采用上下分層透水方案的基本可靠性，認(rèn)為下游引航道不宜過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的透空段，對(duì)類似工程具有借鑒指導(dǎo)意義。

[1] 楊文俊,孫爾雨,楊偉,等.三峽水利樞紐工程非恒定流通航影響研究Ⅰ:上、下引航道[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(1):45-49.

Yang Wenjun,Sun Eryu,Yang Wei,et al.Research on the influence of unsteady flow produced by operation of TGP on navigation :upper and lower access channels[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2006,25(1):45-49.

[2] 戴會(huì)超,朱紅兵.三峽工程引航道布置方案與泥沙研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(2):46-51.

Dai Huichao,Zhu Hongbing.Research of navigable channel scheme and sediment deposit in Three Gorges project[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2005,24(2):46-51.

[3] 陳永奎,王列,楊淳,等.三峽工程船閘上游引航道口門區(qū)斜流特性研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),1999,16(2):1-6.

Cheng Yongkui,Wang Lie,Yang Chun,et al.Investigation on oblique flow characteristics in upstream approach entrance region of Tgp’S lock[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,1999,16(2):1-6.

[4] 周華興,鄭寶友,李金合.船閘引航道口門區(qū)水流條件限值的探討[J].水運(yùn)工程,2002(1):38-42.

Zhou Huaxing,Zheng Baoyou,Li Jinhe.An approach to the limiting value for the flow conditions at the entrance area of shiplock approach channel[J].Port & Waterway Engineering,2002(1):38-42.

[5] 盧文蕾,陳作強(qiáng).通航建筑物口門區(qū)及連接段通航水流條件研究[J].西南公路,2008(3):69-75.

Lu Wenlei,Chen Zuoqiang.Study of navigation flow condition of the entrance area and the connecting section of the navigation structures[J].Southwest Highway,2008(3):69-75.

[6] 劉新,馬殿光,趙家強(qiáng).構(gòu)皮灘樞紐下游通航水流條件及改善措施[J].水運(yùn)工程,2009(9):118-123.

Liu Xin,Ma Dianguang,Zhao Jiaqiang.Flow conditions and improvement measures in Goupitan hydro-power station downstream[J].Port & Waterway Engineering,2009(9):118-123.

[7] 王波,程子兵,金峰.水電站引航道透空式隔流堤水力學(xué)試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江,2012,43(7):67-69.

Wang Bo,Cheng Zibing,Jin Feng.Hydraulic experimental study of hollow-type separation levee of approach channel in hydropower station[J].Yangtze River,2012,43(7):67-69.

[8] 陳桂馥,張曉明,王召兵.船閘導(dǎo)航建筑物透空形式對(duì)通航水流條件的影響[J].水運(yùn)工程,2006(9):56-59.

Chen Guifu,Zhang Xiaoming,Wang Zhaobing.Influence of open-type guide works on flow condition for navigation of shiplock[J].Port & Waterway Engineering,2006(9):56-59.