多汊河流航電樞紐航線規(guī)劃及通航水流條件

韓昌海，楊 宇，余之光

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

多汊河流流態(tài)復(fù)雜，對多汊河流進(jìn)行河道渠化，以增加通航里程或增加通航保證率較為困難.主要在于如何選擇通航建筑物和通航航線，并針對樞紐特點，采取必要的特殊或綜合措施才能滿足通航水流條件，維護(hù)航道穩(wěn)定.其研究方法主要是物理模型試驗，如長洲水利樞紐［1］、大頂子山航電樞紐［2］、長沙綜合樞紐［3］、株洲航電樞紐［4-5］等工程.這些樞紐在進(jìn)行樞紐布置時各有各的特點，在遵循樞紐布置基本原則的基礎(chǔ)上［6-7］，首先要考慮工程的選址優(yōu)勢［8］，進(jìn)一步考慮航道與河道之間的關(guān)系［9］，最后還要考慮航道自身的水流條件［10-11］，根據(jù)工程所在河段具體特點予以研究解決.浙江衢江安仁鋪航電樞紐同時受到壩址選擇、布置型式和水流條件等因素的綜合制約，其研究結(jié)果對類似工程具有借鑒意義.

錢塘江中上游衢江位于浙江省西部，是錢塘江和南源蘭江的主流，河流全長257.9km，為浙江省內(nèi)河航道的骨干航道之一.根據(jù)《長江三角洲地區(qū)高等級航道網(wǎng)規(guī)劃》和《浙江省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃》，全線按Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃建設(shè)，通航500t級船舶.安仁鋪航電樞紐位于衢州市衢江新區(qū)下游，衢江區(qū)安仁鋪村上游約1.2km處，距上游塔底水利樞紐約8km.壩址以上集水面積8535km2，多年平均徑流量96.32億m3.工程以航運、發(fā)電為主，結(jié)合改善衢江區(qū)沿江兩岸水環(huán)境，兼顧農(nóng)田灌溉等綜合開發(fā).

1 工程布置及其特點

安仁鋪航電樞紐布置見圖1.根據(jù)當(dāng)?shù)睾拥篮屯恋乩们闆r，采取集中式“異岸布置”型式.自左至右依次為:船閘、主河道21孔泄水閘、江心洲、右側(cè)淺槽段河道14孔泄水閘、電站廠房.主河道布置21孔深槽泄洪泄水閘和14孔淺灘泄水閘，每孔凈寬均為12m，主河道泄水閘底板高程47.0m，淺槽段泄水閘底板高程49.0m，35孔泄水閘總寬525m，江心洲寬100m.船閘布置在左岸，閘室有效長度230m，有效寬度23m，門檻水深3.5m，最大通航水頭7.0m，最大通航流量Q=1117m3/s.河床式電站位于樞紐右岸，全長83.6m，電站最大發(fā)電流量Q=382m3/s，電站裝機4×4.25MW.樞紐工程正常蓄水位為53.5m.船閘上游引航道為開敞式，即臨河側(cè)不設(shè)導(dǎo)航隔水墻，上游航道底高程49.0m.下游引航道設(shè)長度為450m的導(dǎo)航隔水墻，下游航道底高程43.0m.上下游引航道底寬均為60.0m，航道底寬均為50.0m.

安仁鋪樞紐布置特點是樞紐布置在分汊河段.其上游河道分為左、中、右三汊，主流位于中間主汊道上，由此傾向于將上游航道規(guī)劃在中間主汊道上.原設(shè)計上游航線為中間和右側(cè)2條航線，其中中間航線為正常運行線，而右側(cè)航線是通向右岸樟潭港區(qū)航線(見圖1).該布置方案主要問題在于:(1)規(guī)劃上游2條航線與上游引航道連接區(qū)間與水流交角均較大，通航水流條件不易滿足規(guī)范要求.當(dāng)僅有電站發(fā)電時，庫區(qū)流速比較小，對船只航行安全威脅不大，但當(dāng)泄水閘泄水時，庫區(qū)流速對船只航行安全存在一定的隱患.(2)下游主流在引航道口門區(qū)偏于河道左側(cè)，因此船閘布置在左岸，可使下游引航道和河道主槽平順連接.但在下游引航道口門區(qū)以下，河道主槽從左岸轉(zhuǎn)向右岸，口門區(qū)航線與樞紐下泄水流交角較大，易造成較大的橫向流速，因此如何使下游引航道口門區(qū)通航水流條件滿足要求也是一個極為困難的問題.

圖1 安仁鋪樞紐總體布置Fig.1 General layout of the Anrenfu hydroproject

在樞紐布置方案論證階段，曾將船閘布置在右岸，電站布置在左岸.船閘右岸布置上游引航道可以較小的交角與中汊主河道連接，同時也方便船舶通向右岸樟潭港.但由于下游右岸有支流匯入等原因，否定了船閘右岸布置方案.

2 上游航線規(guī)劃及通航水流條件

上游河道中汊為主汊，左、右汊為副汊.三汊中間的兩個灘地只有在較大洪水條件下才會漫灘過流，此時流量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大通航流量1117m3/s.因此在通航條件下，上游庫區(qū)分成三汊水流是明確的.在可研階段，考慮船舶正常行駛和右岸樟潭港區(qū)使用的要求，樞紐上游規(guī)劃了2條航線.左側(cè)航線為通向上游塔底樞紐的正常行駛航線，右側(cè)航線為通向樟潭港區(qū)航線.

通過模型試驗，根據(jù)流量大小，上游通航水流條件如下:

(1)在僅有電站運行情況下，上游庫區(qū)航道流速在0.25m/s以下，無論哪條航線都能滿足通航要求.

(2)最大通航流量1117m3/s，在不開啟深槽左岸7孔泄水閘泄洪時，上游引航道及引航道連接段，最大流速不大于0.15m/s，完全滿足規(guī)范通航要求;但若開啟主河道左岸7孔泄水閘泄洪，因上游采用開敞式引航道，引航道調(diào)順段和導(dǎo)航段內(nèi)流速可達(dá)0.5m/s以上，因此應(yīng)避免在通航流量下開啟主河道左岸7孔泄水閘泄洪.但在主流航線上，無論泄水閘如何調(diào)度運行，開啟左汊或是右汊泄水閘，通向樟潭港區(qū)航道中心線附近最大橫向流速都已達(dá)到0.50m/s以上，通向上游梯級的航道中心線附近最大流速已達(dá)到0.33m/s(合流速0.66m/s).由于樟潭港區(qū)航線橫向流速較大，若船舶動力不足很容易被水流吸向泄水閘而造成事故，因此航線要與樞紐保持足夠的安全距離，并設(shè)置禁航標(biāo)志，建立禁航區(qū)(見圖2).

(3)適當(dāng)降低通向樟潭港區(qū)的通航流量，如流量控制在700m3/s以下，則通向樟潭港區(qū)航道的最大流速可控制在0.4 m/s以下.

(4)在最大通航流量下，左右汊的流速均較小，左汊流速不大于0.2m/s，

考慮上述因素，上游正常通航航線最終選擇和上游引航道連接平順的左汊航線.并通過試驗和計算分析，對左汊航道的穩(wěn)定性作了研究，表明航道是穩(wěn)定的.為此，上游正常行駛航線規(guī)劃為左汊航線，通向樟潭港區(qū)的航線需在適當(dāng)降低通航流量下運用.

圖2 最大通航流量樞紐運行流態(tài)Fig.2 The operation flow pattern of the hydroproject under the maximum navigable discharge

3 下游航線規(guī)劃及通航水流條件

由于下游引航道口門區(qū)以下，河道主槽從左岸轉(zhuǎn)向右岸，因此下游航線必須順應(yīng)河道特性，從左岸過渡到右岸，這樣口門區(qū)航線與樞紐下泄水流就產(chǎn)生較大交角，易造成較大的橫向流速.為此，在下游航線規(guī)劃中，口門區(qū)航線應(yīng)盡量向左岸布置，然后再過渡到右岸.如圖3所示，口門區(qū)航線下游調(diào)整后航道較原布置航道最大左移了約60m.在原方案引航道和尾水渠布置條件下(見圖1)，電站最大發(fā)電流量382m3/s時，下游引航道口門區(qū)最大橫向流速達(dá)0.44 m/s;而在最大通航流量Q=1117m3/s情況下，下游引航道口門區(qū)最大橫向流速達(dá)1.10m/s，因此除采取口門區(qū)航線左移外，下游河道還需作較大范圍的疏浚.

圖3 開啟主河道泄水閘下游水流流態(tài)Fig.3 Water flow regime downstream of the opened sluice on the main channel

經(jīng)多次逐步擴大開挖，下游電站尾水渠和河道由原規(guī)劃開挖線擴大到圖1所示開挖線，擴大開挖最大寬度較原設(shè)計方案增大210m，長度增加400m.在電站發(fā)電流量382m3/s下，口門區(qū)航道橫向流速較小，口門區(qū)300m內(nèi)最大橫向流速不大于0.10m/s，滿足了Ⅳ級航道要求.在最大通航流量Q=1117m3/s情況下，開啟主河道右10孔泄水閘運行，下游引航道口門區(qū)最大縱向流速1.01 m/s，最大橫向流速0.30m/s，口門區(qū)水流條件滿足通航要求.

4 泄水閘運行調(diào)度對通航水流的影響

安仁鋪樞紐共布置35孔泄水閘，分為主河道21孔深槽泄洪泄水閘和14孔淺槽段泄水閘，泄水閘運行調(diào)度對上下游通航均有重大影響.當(dāng)泄水閘開啟主河道左側(cè)7孔閘孔，由于上游為開敞式引航道，引航道調(diào)順段和導(dǎo)航段內(nèi)流速可達(dá)0.5m/s以上，因此應(yīng)避免在通航流量下開啟主河道左岸7孔泄水閘泄洪.除此之外，泄水閘運行調(diào)度對上游通航影響不大.

開孔區(qū)間對下游流態(tài)影響較大，如開啟主河道左3孔、中3孔和右3孔下游流態(tài)如圖3所示.開啟左3孔水流流態(tài)較為平順，水流和口門區(qū)航線夾角最小，口門區(qū)橫向流速最小;而開啟中間3孔或右3孔，水閘下游會產(chǎn)生回流區(qū)，而且水流主流與口門區(qū)航線夾角較大，產(chǎn)生較大的橫向流速.但考慮開啟左側(cè)閘孔對上游通航不利，在開啟其他區(qū)域閘孔時，只能開啟較多的閘孔，以減小下游水流集中度，減小主流流速，達(dá)到改善口門區(qū)通航水流條件的目的.如在最大通航流量Q=1117m3/s情況下，開啟主河道右7孔泄水閘運行，下游引航道口門區(qū)最大縱向流速1.34 m/s，最大橫向流速0.41 m/s，因?qū)賯€別點上超出規(guī)范要求，水流條件可基本滿足通航要求;而開啟主河道右10孔泄水閘運行下游引航道口門區(qū)水流條件可完全滿足通航要求.

開啟淺槽段中間5孔泄水閘，下游口門區(qū)基本形成一個弱回流區(qū)，回流流速小于0.4 m/s，也能夠滿足IV級航道通航水流條件.但因淺槽段閘孔不在河道的主槽上，不能滿足主槽優(yōu)先泄水的需要.

5 結(jié)語

多汊河流上樞紐布置、航線規(guī)劃和通航水流條件是個復(fù)雜的問題.本文以浙江衢江安仁鋪航電樞紐為例，研究了樞紐航線規(guī)劃和通航水流條件，得出如下幾點認(rèn)識:

(1)應(yīng)盡量創(chuàng)造條件采用與主流夾角較小的航線，如上游采取左汊航線，下游口門航線盡可能左移，使得引航道口門區(qū)水流條件易于滿足通航要求.如因特殊原因航線與水流交角較大，需設(shè)置禁航標(biāo)志，建立禁航區(qū)，并選擇在較小流量下航行.

(2)泄水閘運行調(diào)度對通航影響較大.在樞紐布置確定的情況下，只有采取合理的運行調(diào)度方式，才能同時滿足上下游通航水流條件.

(3)除綜合考慮各方面因素外，河道疏浚往往是不可或缺的.本工程在原布置下游河道條件下，僅在電站單獨運行條件下都滿足不了通航要求，因此，必須采取必要的河道疏浚，才能滿足通航水流條件.

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