路蒞楓， 普曉剛

(1.湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司, 湖南 長沙 410004； 2.交通運輸部 天津水運工程科學研究院， 天津 300000)

五強溪樞紐船閘通航條件改善措施研究與創(chuàng)新

路蒞楓1， 普曉剛2

(1.湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司, 湖南 長沙 410004； 2.交通運輸部 天津水運工程科學研究院， 天津 300000)

五強溪樞紐船閘1995年建成通航以來，船閘下游引航道口門區(qū)及近閘段中洪水期礙航問題成為沅水高等級航道暢通的瓶頸。該問題納入了湖南省“十三五”高等級航道建設(shè)項目重點解決的議題，通過嚴謹?shù)奈锢砟Ｐ驮囼瀯?chuàng)新地提出了樁基透空式導流屏改造方案，2016年3月工程完工并達到了預期效果。

船閘； 五強溪樞紐； 通航條件； 導流； 模型試驗

1 概述

五強溪樞紐位于沅水干流下游湖南省沅陵縣境內(nèi)，樞紐建筑物由混凝土重力壩、右岸壩后式主、副發(fā)電廠房、9孔溢流壩及泄洪中孔和左岸三級船閘等組成，一列式布置。電站總裝機1200 MW，安裝5臺240 MW軸流式機組，單機滿發(fā)流量615 m3/s(基荷流量390 m3/s)；船閘為一線三級500 t級，下游導航墻堤長274.6 m，口門寬50 m。下游最低通航水位49.99 m(最低通航流量390 m3/s對應水位),口門區(qū)水深富裕，距下游引航道口門約800 m處為纜子灣大橋。

1995年2月船閘正式通航。樞紐所處河段為典型的山區(qū)河流，受河道邊界條件、樞紐運行及既有工程的影響，船閘下游口門區(qū)及近閘段通航流態(tài)較差，僅流量在1940 m3/s以下時，船閘下游口門區(qū)航道內(nèi)水流條件基本滿足通航要求，遠低于設(shè)計最大通航流量7800 m3/s。2014年底，沅水浦市至常德航道建設(shè)工程開工建設(shè)，該項目對五強溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件進行了物理模型試驗研究和創(chuàng)新，確定了導流結(jié)構(gòu)方案，實施效果達到了預期。

2 物理模型設(shè)計制作和驗證

為保證模型的水流運動相似和船模航行相似，整體模型為定床正態(tài)，幾何比尺選用1∶100，按重力相似準則進行模型設(shè)計，同時兼顧到船模的相似性要求。模型制作以工程設(shè)計單位提供的實測1∶2000河道地形圖為依據(jù)，平面放樣采用平面導線控制系統(tǒng)，地形制作采用斷面法。根據(jù)壩區(qū)河段河床、地貌及原型河床糙率情況，在制模時，采用梅花加糙的方法對模型進行了加糙處理。為保證模型進口水流平穩(wěn)和流量分配與原體相似，在模型進口加設(shè)消波和分流設(shè)施。模型布置見圖1。

圖1 模型平面布置示意圖

模型進口采用自動流量控制系統(tǒng)，流場和流速數(shù)據(jù)均采用自動采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。與物理模型一致，船模設(shè)計為幾何正態(tài)，比尺為1∶100。試驗船型為500 t級船舶。船模制作完成后進行船模與實船的相似性校準，采用實時測量系統(tǒng)進行船模航行數(shù)據(jù)采集，記錄船模航行過程中的航向角、漂角、漂移距、航速等參數(shù)，配合繪圖軟件，繪制打印船模航態(tài)圖和航行參數(shù)變化圖。

模型建成后進行了水工模型沿程水面線驗證和斷面流速分布驗證。驗證結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，確保了在此基礎(chǔ)上進行模型試驗成果的可靠性。

3 模型試驗條件和技術(shù)要求

3.1 試驗流量條件

試驗選取了10級典型流量進行水位、流場觀測，所選流量如表1所示。

表1 模型試驗特征流量

3.2 航線布置

試驗確定口門區(qū)長度為300 m，方向與船閘軸線平行，口門區(qū)寬度為50 m。五強溪樞紐船閘位于左岸，原天然航道亦位于左岸側(cè)，船舶(隊)出下游引航道口門區(qū)后直接進入原天然主航道，樞紐船閘下游可不設(shè)連接段航道，而直接定義為口門區(qū)以下航道。

3.3 測流斷面及測點布置

樞紐下游河道流場測量以壩軸線為基準，沿主河道向下游約80 m為一個測流斷面，每個測流斷面測點間距為20 m。樞紐下引航道口門區(qū)內(nèi)從堤頭開始每隔50 m布置一個測流斷面，共設(shè)7個斷面，每一個斷面在航道范圍內(nèi)布置7個測流點，航中線一點，左右每隔8 m設(shè)一個測點。

3.4 通航標準

1) 口門區(qū)通航水流標準。引航道口門區(qū)表面流速： 縱向流速≤2 m/s，橫向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.40 m/s。

2) 船舶進出口門區(qū)航行標準。船舶或船隊在口門區(qū)航行時，為保證安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角應不大于20°，航行漂角應不大于10°。船模在航道航行時，上行的難易程度以對岸航速不得小于4 km/h來判定。

4 改善船閘通航條件的導流結(jié)構(gòu)方案與創(chuàng)新

物理模型對五強溪船閘通航條件改善開展了多個類型的導流結(jié)構(gòu)方案研究：方案1船閘下游導流墩方案、方案2船閘下游口門區(qū)與近閘段河床形態(tài)挖槽方案(左挖槽方案、右挖槽方案)、方案3船閘下游樁基隔流堤方案、方案4船閘下游樁基透空式導流屏方案。各類型導流結(jié)構(gòu)均分別進行了3組以上不同方案的對比和優(yōu)化。

4.1 導流墩方案

方案1： 堤頭下游共布置7個長20 m、寬3 m的菱形導流墩，墩間距20 m；方案2：堤頭下游共布置9個導流墩，尺寸同方案1，1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m；方案3：在方案2的基礎(chǔ)上將堤頭附近深槽回填至45.0 m高程。

模型試驗通過對導流墩不同布置方案下口門區(qū)通航水流條件改善效果研究，對比分析各方案，得出方案3(即在引航道布置9個導流墩，其中1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m，并對導航墻外側(cè)沖溝及堤頭附近深槽進行回填)對引航道口門區(qū)水流條件改善效果相對較優(yōu)。該方案在Q≤3500 m3/s時，口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求；Q>3500 m3/s時，口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速超出規(guī)范限值，通航水流條件不能滿足規(guī)范要求。

4.2 挖槽方案

左槽方案： 疏挖區(qū)位于樞紐左側(cè)3#～5#泄水閘消力池以下至導航墻堤頭以下760 m處，挖槽范圍總長1170 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽方案： 疏挖區(qū)位于電站以下至攬子灣大橋處，挖槽范圍總長1490 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽優(yōu)化方案：在右槽方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合原導航墻外側(cè)沖溝及堤頭附近深槽回填，并沿堤頭布置4個導流墩。

挖槽方案對比研究成果表明，單純的挖槽方案對引航道口門區(qū)水流條件改善效果并不理想，右槽方案改善效果優(yōu)于左槽方案。挖槽方案在挖槽底標高為42.0 m情況下，Q≤3500 m3/s時口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求。而在洪水流量下，挖槽對樞紐下游斷面流速分布調(diào)整作用逐漸減弱，口門區(qū)水流條件改善效果不佳。

通過對右槽方案優(yōu)化，Q≤6500 m3/s時，口門區(qū)通航水流滿足規(guī)范要求，在最大通航流量Q=7800 m3/s時，口門區(qū)僅個別測點橫向流速超出規(guī)范要求。因此，優(yōu)化后的挖槽方案：右槽+深槽回填+導流墩的方案，對口門區(qū)通航水流條件改善效果較好，最大通航流量以下口門區(qū)水流條件基本滿足規(guī)范要求。

4.3 隔流堤方案

隔流堤方案1： 分為15段，由16個樁基連系墩和15段插板組成，總長307 m。隔流堤方案2：對方案1優(yōu)化，即在導航墻堤頭以下130 m范圍深槽進行回填，回填標高至45.0 m，并降低1#～8#墩間插板底標高至最低通航水位以下1.5 m，減小引航道口門區(qū)引流量，削弱回流及斜流的影響。隔流堤方案3：對方案2再優(yōu)化，即在原導航墻外側(cè)新建2條潛壩，距離堤頭分別為150、75 m，潛壩軸線與導航墻夾角為45°，壩長78 m，壩頂高程為53 m。

研究成果表明： 隔流堤方案實施后，船閘下引航道口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，回流強度略有增大；中枯水流量下口門區(qū)內(nèi)橫向流速有所減小，但盡管采取了多種措施減小引航道口門區(qū)引流量，橫向流速仍超出規(guī)范要求；洪水流量下口門區(qū)內(nèi)產(chǎn)生漩渦、泡漩水等不良流態(tài)，對船舶航行不利。因此，隔流堤方案對引航道口門區(qū)水流條件改善效果不佳。

4.4 樁基透空式導流屏方案

樁基透空式導流屏是通過本次試驗提出的一種創(chuàng)新型導流建筑物。該方案結(jié)合樁基隔流堤與導流墩各自優(yōu)勢，通過插板限制表層斜向水流，通過插板間間隔向引航道內(nèi)引入部分表層水流壓縮口門區(qū)內(nèi)回流，通過底部透空孔引入底部水流分擔部分引流量，相互限制，相互抵消，以達到削弱口門區(qū)內(nèi)斜流強度及泡漩水的效果。樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)型式見圖2，方案平面布置見圖3。

圖2 樁基透空式導流屏結(jié)構(gòu)型式圖

圖3 樁基透空式導流屏方案平面布置圖

樁基透空式導流屏由灌注樁、承臺及插板組成，分為15段，總長324 m。導流屏中心軸線順航線平行布置，距航道右邊線5.5 m。每隔20.8 m中心間距布置一承臺，承臺高3 m，底標高45.0 m，最上游的承臺與原有導航墻緊密銜接，承臺上部為2根直徑3 m、間距2.5 m混凝土樁，樁上設(shè)有插槽，在插槽范圍內(nèi)布置插板，插板分為10塊等高分層排列，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長20 m。

在此基礎(chǔ)上，對導流屏方案進行多方案優(yōu)化對比。其中，導流屏優(yōu)化方案1：以減小底部過流量為出發(fā)點，對堤頭附近深槽進行回填，回填標高至45.0 m，試驗表明整體回填工況下原設(shè)計方案發(fā)生的引航道口門區(qū)局部范圍內(nèi)花水現(xiàn)象基本消失。導流屏優(yōu)化方案2：對縮短導流屏長度進行研究，節(jié)省工程量。

通過對導流屏方案及其優(yōu)化方案的研究表明，各通航流量級下，引航道口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，通過不同回填范圍優(yōu)化和導流屏長度優(yōu)化后，在口門區(qū)附近深槽整體回填至45.0 m時，Q=7800 m3/s流量下，口門區(qū)150～200 m范圍內(nèi)航中線右側(cè)航道個別測點橫向流速最大為0.33 m/s，略高于規(guī)范限值，口門區(qū)通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。

自航船模試驗研究結(jié)果表明： 各通航流量級下，船模均能夠安全通過口門區(qū)段航道，當流量為7800 m3/s時，船模經(jīng)過口門區(qū)最大漂角為-9.0°，所需最大舵角為19.4°。船模航行條件較導流屏方案實施前改善明顯，能夠滿足船模安全航行要求。

5 結(jié)論

國內(nèi)外學者研究了船閘口門區(qū)多種透空式結(jié)構(gòu)改善水流條件的措施，如導流墩、開孔導航墻、浮式導流堤、透空式導流墻等方法。工程實踐中，為解決已建樞紐船閘口門區(qū)通航條件困難問題，需結(jié)合現(xiàn)場地形等邊界條件和現(xiàn)有研究成果，采取多種工程措施相結(jié)合的方法，不能生搬硬套。導流結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式需要通過物理模型試驗進行綜合對比、優(yōu)化分析和試驗驗證，才能達到有效改善口門區(qū)通航水流條件的目的。

五強溪樞紐船閘下游引航道樁基透空式導流屏方案通過模型試驗選定，按照試驗成果實施了引航道改造工程施工。2016年3月底改造工程順利完工，從完工以來通航條件效果觀測情況來看,新建導流結(jié)構(gòu)很好地改善了引航道口門區(qū)水流條件，改造前口門區(qū)礙航問題得到很好地解決。

[1] 交通運輸部天津水運工程科學研究所. 五強溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)通航條件物理模型試驗研究報告[R]. 2015.

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2017-05-05

路蒞楓(1973-)，男，碩士研究生，高級工程師，主要從事水運重點建設(shè)項目工程管理。

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