嘉陵江蒼溪航電樞紐通航水力學(xué)試驗(yàn)研究

尹崇清，劉世偉，劉 洋，張 湛

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

0 工程概況

蒼溪航電樞紐工程［1］位于嘉陵江干流中游，下距蒼溪縣城3 km，是嘉陵江廣元至重慶段規(guī)劃的17級(jí)梯級(jí)渠化開發(fā)方案中的第3級(jí)航電工程，上游接亭子口水利樞紐工程，下游與沙溪航電樞紐工程相連，該工程是以改善航運(yùn)與發(fā)電相結(jié)合的綜合開發(fā)利用工程。蒼溪航電樞紐工程是嘉陵江龍頭水庫亭子口水利樞紐下游的反調(diào)節(jié)樞紐，該樞紐通航問題的研究及解決，對(duì)于確保嘉陵江全江航運(yùn)暢通至關(guān)重要，意義重大。樞紐設(shè)計(jì)洪水流QP=2%=26 700 m3/s，校核洪水流量 QP=0.2%=38 100 m3/s，水庫正常蓄水位373.0 m，相的水庫庫容為0.197億m3，死水位為372.6 m，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫容為230萬m3。

蒼溪航電樞紐壩址附近河段相對(duì)順直，該河段河床寬約600 m，河床型態(tài)呈U形斷面，右岸岸坡較陡，左岸平緩(圖1)。蒼溪樞紐壩軸線全長515.70 m，從左至右依次布置有左岸土石壩、電站廠房、泄水建筑物(由3孔泄洪閘+231.0 m水力自控翻板壩共同組成)及右岸船閘。蒼溪航電樞紐工程建成后將渠化航道18.7 km，與上游亭子口水利樞紐工程相銜接，船閘可一次性通過2×500 t級(jí)船隊(duì)，年通過能力達(dá)到376萬t以上，大大增強(qiáng)該河段的貨運(yùn)能力及嘉陵江的整體航運(yùn)效益。

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

根據(jù)嘉陵江航運(yùn)規(guī)劃，嘉陵江蒼溪河段航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)，按照 JTJ 305—2001《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］(以下簡稱《規(guī)范》)要求，設(shè)計(jì)最大通航流量為Q=11 800 m3/s(P=33.3%)，設(shè)計(jì)最低通航保證率為95%，對(duì)I～Ⅳ級(jí)船閘，其引航道口門區(qū)的水流表面縱向流速不超過2 m/s，橫向流速不超過0.3 m/s，回流流速不超過 0.4 m/s。

1 研究方法

根據(jù)本工程主要研究內(nèi)容及重點(diǎn)難點(diǎn)，擬采用蒼溪樞紐整體水工模型試驗(yàn)的方法，觀測(cè)船閘上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件，論證上、下游引航道平面布置的合理性，針對(duì)存在的問題提出改善工程措施等。根據(jù)《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》要求，模型必須滿足重力相似、阻力相似和水流流態(tài)相似，以保證研究水域水流相似和河床形態(tài)相似準(zhǔn)則，考慮在樞紐上、下游留有足夠長的過渡段，并綜合考慮了模型場(chǎng)地大小、供水能力要求等因素［5］，本模型決定采用幾何比尺為λL=λh=100的正態(tài)模型，模擬從距壩軸線以上2.0 km開始至壩軸線以下1.8 km止全長約3.8 km的原型河道，模型各比尺見表1。

表1 嘉陵江蒼溪航電樞紐水工模型比尺Table 1 Scale of the whole hydraulic model of Cangxi navigation-power junction in Jiangling River

2 影響口門區(qū)通航條件的因素

天然河道上修建通航建筑物后，通航建筑物進(jìn)出口，即船閘上、下游引航道與河流連接的區(qū)域稱為口門區(qū)，該區(qū)域水流條件的優(yōu)劣將直接影響船舶和船隊(duì)進(jìn)出閘的航行安全，是船舶和船隊(duì)進(jìn)出引航道的控制水域［3］。而根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》定義，口門區(qū)長度通常為(2.0～2.5)Lc，寬度與引航道口門寬度相同，其中Lc為船隊(duì)長。

一般來說，航電樞紐工程中影響船閘口門區(qū)通航條件的因素主要包括：河勢(shì)條件、樞紐整體布置、泄洪閘的開啟運(yùn)行方式，引航道口門區(qū)流速流向以及電站日調(diào)節(jié)時(shí)水流單位質(zhì)量的動(dòng)量增減等。對(duì)于蒼溪航電樞紐工程而言，其口門區(qū)通航水流條件主要受工程河段河勢(shì)條件、流速流向以及通航建筑物布置的影響［3-8］。

3 原方案船閘口門區(qū)通航條件

3.1 船閘原方案布置

蒼溪航電樞紐船閘布置于河段右岸，閘室有效尺度120 m×16 m×2.5 m(閘室有效長×寬×門檻水深)，閘室底板高程361.00 m，上、下游引航道寬均為40 m，按向河心側(cè)擴(kuò)展方式進(jìn)行布置，上引航道底高程為367.25 m，下引航道底高程為361.50 m，上、下游引航道長分別為170和180 m。船閘設(shè)計(jì)上游最高通航水位為375.79 m、最低通航水位為370.05 m，下游最高通航水位為375.15 m、最低通航水位為 364.0 m(圖2)。

圖2 船閘及引航道原方案布置Fig.2 Layout plan of the original program of ship-lock and approaching channels

3.2 上引航道口門區(qū)通航水流條件

模型試驗(yàn)觀測(cè)了流量Q=1 240，3 500 m3/s電站發(fā)電以及 Q=3 500，7 000，9 350，11 800 m3/s全閘敞泄共6級(jí)流量原方案上引航道口門區(qū)流速分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)當(dāng)流量Q≤1 240 m3/s時(shí)，電站發(fā)電，壩前水位保持在373～372.6 m運(yùn)行。實(shí)測(cè)Q=1 240 m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)水流較為平緩，流速小，平均流速僅0.3 m/s左右，其縱橫向流速值均滿足安全通航要求。

2)當(dāng)流量1 240 m3/s＜Q≤3 500 m3/s時(shí)，電站發(fā)電，壩前水位保持373 m運(yùn)行。實(shí)測(cè)Q=3 500 m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)水流仍較為平緩，流態(tài)較好，平均流速約0.5 m/s，最大縱、橫向流速及回流流速分別為 0.50，0.18 和0.35 m/s。其流速值仍然滿足船舶安全通航的要求。

3)當(dāng)流量Q＞3 500 m3/s時(shí)，電站停機(jī)，全閘敞泄。在流量較小全閘又處于敞泄?fàn)顟B(tài)下，上引航道口門區(qū)外側(cè)邊沿及上游連接段水流較為湍急，流速較大，橫向流速超標(biāo)，對(duì)船舶的正常航行并進(jìn)入上引航道將產(chǎn)生較為不利的影響。實(shí)測(cè)Q=3 500，7 000，9 350，11 800 m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)最大縱向流速分別為1.54，1.62，1.74，1.92 m/s，最大橫向流速分別為0.42，0.43，0.57，0.68 m/s;最大回流流速分別為0.50，0.91，0.76，0.68 m/s，回流區(qū)大致穩(wěn)定在導(dǎo)航墻堤頭至下游45～50 m的范圍(表2、圖3)。

表2 原方案船閘上引航道口門區(qū)的水流條件Table 2 Flow conditions of the original ship-lock at upper entrance area

試驗(yàn)還觀察到在中等流量情況下，由于上引航道口門區(qū)流速相對(duì)較大，主航槽又是從河床左岸逐漸過渡到右岸引航道口門區(qū)，左岸基巖岸壁部分伸入引航道內(nèi)，使該引航道及口門變得相對(duì)狹窄，航道轉(zhuǎn)彎半徑小，上下行船舶進(jìn)出閘較困難，易擦掛靠船墩或撞擊外導(dǎo)航墻堤頭，影響船舶航行安全。

圖3 原方案船閘上下引航道口門區(qū)流速分布(Q=3 500 m3/s敞泄)(單位：m/s)Fig.3 Velocity distribution of the original ship-lock at upper and lower entrance areas(Q=3 500 m3/s)

3.3 下引航道口門區(qū)通航水流條件

針對(duì)原方案下引航道通航水流條件，試驗(yàn)同樣觀測(cè)了Q=1 240～11 800 m3/s共7級(jí)流量的流速分布資料。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)在流量Q=1 240 m3/s電站發(fā)電時(shí)，電站尾水從左側(cè)徑直沖向下引航道口門區(qū)尾端枯水主河槽附近，該處泡水漩水并存，流態(tài)惡劣，在其上游至下引航道入口之間形成大范圍的回漩水流區(qū)域，最大回流流速1.37 m/s，在該股水流下游縱橫向流速均較大，且流速分布不均，不能滿足安全通航的要求。

2)在流量Q=2 000 m3/s電站發(fā)電時(shí)，下引航道口門區(qū)的流態(tài)有一定程度的改善，但仍存在大范圍大強(qiáng)度的回漩水流區(qū)域，最大回流流速1.12 m/s，不能滿足安全通航的要求。當(dāng)Q=3 500 m3/s時(shí)，由于下游水位繼續(xù)抬高，水面寬度增大，口門區(qū)的流態(tài)有一定程度的改善，實(shí)測(cè)口門區(qū)最大縱、橫向流速和回流流速分別為 2.10、0.28 和 0.36 m/s，基本可滿足船舶安全通航的要求。

3)當(dāng)流量Q≥3 500 m3/s全閘敞泄以后，下引航道口門區(qū)附近縱橫向流速隨著流量增大顯著增大，回流流速也有所增大，但回流區(qū)的范圍變化不大，基本穩(wěn)定在導(dǎo)航墻堤頭至下游85～95 m的范圍。實(shí)測(cè)當(dāng)流量Q=3 500，9 350和11 800 m3/s時(shí)，口門區(qū)最大縱向流速分別為 2.34，3.56 和 3.89 m/s，最大橫向流速分別為 0.48，0.50 和 0.55 m/s，最大回流流速分別為 0.46，0.47 和0.66 m/s(表 3、圖3)，流速值超過《規(guī)范》允許值。其原因是船閘下引航道布置于河道右岸深槽，河道左岸地形高，經(jīng)泄洪閘和翻板壩下泄的水流必然會(huì)逐漸向河道右岸深槽下引航道口門區(qū)集中，致使該處縱橫向流速均較大，斜向流較強(qiáng)，且分布不均，在下引航道入口附近產(chǎn)生一定范圍和強(qiáng)度的回流區(qū)域，對(duì)船舶安全進(jìn)出閘造成不利影響。

表3 原方案船閘下引航道口門區(qū)的水流條件Table 3 Flow conditions of the original ship-lock at lower entrance area

4 修改方案引航道口門區(qū)通航條件

4.1 船閘修改方案布置

針對(duì)原設(shè)計(jì)布置中存在的問題，試驗(yàn)對(duì)修改布置及方案進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，確定采取的主要工程措施［4］包括：①適當(dāng)向外偏轉(zhuǎn)上引航道外導(dǎo)航墻折線段和直線段，使上引航道及其口門寬度均由原方案的40 m擴(kuò)寬至48 m;②上引航道外導(dǎo)航墻直線段由實(shí)體式改為透空式，具體型式為：開孔段上游距離外導(dǎo)航墻堤頭10 m，共開孔6個(gè)，開孔尺寸為4.0 m×8.0 m(寬×高)，孔間距6 m，開孔方向與導(dǎo)航墻呈30°(順時(shí)針方向);③擴(kuò)大閘壩下游主河槽左側(cè)邊灘開挖范圍，降低河床床面高程，開挖底高程361 m;④將下引航道口門寬度由原設(shè)計(jì)方案的40 m擴(kuò)大到45 m(圖4)。

圖4 船閘修改方案布置Fig.4 Layout plan of the improved program of ship-lock

4.2 上引航道口門區(qū)通航水流條件

針對(duì)導(dǎo)航墻開孔問題，通過反復(fù)試驗(yàn)包括導(dǎo)航墻是否透空及透空的位置、長度、角度和高度對(duì)整個(gè)引航道口門區(qū)的水流條件的影響情況等進(jìn)行了深入的研究分析，試驗(yàn)得出，當(dāng)透空比λ=0.4，透空孔軸線與導(dǎo)航墻軸線順?biāo)鞣较蚪唤浅?0°可以明顯減弱引航道口門區(qū)橫流速和回流流速大小和范圍，有效改善引航道口門區(qū)的通航水流條件，在此限于篇幅就不再贅述。

表4 修改方案船閘上引航道口門區(qū)的水流條件Table 4 Flow conditions of the improved ship-lock at upper entrance area

修改方案同樣觀測(cè)了Q=1 240～11 800 m3/s共6級(jí)流量，上引航道口門區(qū)的通航水流條件。實(shí)測(cè)在Q≤3 500 m3/s，電站發(fā)電的各級(jí)流量情況下，上引航道口門區(qū)水流平緩，無泡水、漩水等不良流態(tài)，通航水流條件均較好，其中Q=3 500 m3/s時(shí)縱橫向流速及回流流速最大，分別為 0.59，0.06，0.30 m/s，其流速值均未超過《規(guī)范》規(guī)定的允許值，能夠滿足船舶安全通航的要求。

在Q＞3 500 m3/s全閘敞泄后，上引航道口門區(qū)縱橫向流速隨著上游來流量的增大而逐漸增大。實(shí)測(cè)當(dāng)流量Q=3 500 m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)最大縱、橫向流速分別為 1.34，0.40 m/s，基本不存在回流區(qū)域(圖 5);當(dāng)流量 Q=7 000，9 350，11 800 m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)最大縱向流速分別為1.53，1.74，1.91 m/s，最大橫向流速分別為0.30，0.27，0.34 m/s;最大回流流速分別為 0.26，0.33，0.39 m/s;回流區(qū)穩(wěn)定在導(dǎo)航墻堤頭至上游30～35 m的范圍(表4、圖5)。

圖5 修改方案船閘上下引航道口門區(qū)流速分布(Q=3 500 m3/s敞泄)(單位：m/s)Fig.5 Velocity distribution of the improved ship-lock upper and lower entrance areas(Q=3 500 m3/s)

與原方案相比，修改方案流速峰值均有不同程度減小，流態(tài)有較大程度改善(圖6)，上引航道口門區(qū)的縱橫向流速和回流流速能夠滿足《規(guī)范》要求，回流區(qū)的范圍明顯減小。由表4可知修改方案在流量等于或略大于3 500 m3/s(全閘敞泄)及最高通航流量11 800 m3/s的情況下，上引航道口門區(qū)除個(gè)別點(diǎn)橫向流速指標(biāo)略有超標(biāo)外，其余流速指標(biāo)均滿足《規(guī)范》要求。由此也可說明，修改方案對(duì)調(diào)整上引航道口門區(qū)及連接段的流速分布，降低回流流速，改善通航條件具有較明顯的作用。

圖6 原方案與修改方案上引航道流速的對(duì)比Fig.6 Comparison of velocity changes of the upper entrance area between the two ship-lock layouts

4.3 下引航道口門區(qū)通航水流條件

修改方案試驗(yàn)實(shí)測(cè)了Q=1 240～11 800 m3/s共6級(jí)流量7種情況的流速分布資料。結(jié)果表明，當(dāng)流量Q=1 240，2 000 m3/s時(shí)，在船閘下引航道口門區(qū)大部分回流區(qū)域基本消失，回流區(qū)的范圍主要集中在口門區(qū)的尾端，最大回流流速已分別降低至0.35，0.39 m/s，下引航道口門區(qū)右側(cè)及下游連接段流速峰值相應(yīng)減小，流速向均勻化方向有所發(fā)展;當(dāng)流量Q=3 500 m3/s全閘敞泄時(shí)，下引航道口門區(qū)的縱橫向流速和回流流速基本能夠滿足《規(guī)范》要求;而在Q≥7 000 m3/s全閘敞泄時(shí)，下引航道口門區(qū)上段約100 m范圍內(nèi)的縱橫向流速及回流流速基本滿足《規(guī)范》要求，其下游段的縱橫向流速(特別是縱向流速)有一定的超標(biāo)，不能滿足《規(guī)范》要求(表5、圖5)。

表5 修改方案船閘下引航道口門區(qū)的水流條件Table 5 Flow conditions of the improved ship-lock at lower entrance area

綜上所述，與原方案相比(圖7)，修改方案在流量Q≤7 000 m3/s的各級(jí)流量情況下引航道口門區(qū)的通航條件均有明顯的作用，大幅度減小了下引航道口門區(qū)的回流范圍和回流強(qiáng)度。但在Q＞7 000 m3/s大流量情況下，由于船閘下引航道口門區(qū)及連接段位于河道右岸主河槽，天然情況下該處流速亦較大，因此，下引航道口門區(qū)存在流速分布不均，縱橫向流速超標(biāo)的問題。

圖7 原方案與修改方案下引航道流速的對(duì)比Fig.7 Comparison of velocity changes of the lower entrance area between the two ship-lock layouts

5 結(jié)語

1)蒼溪樞紐原設(shè)計(jì)布置方案上引航道在全閘敞泄時(shí)，由于壩上游水位較低，上引航道口門區(qū)水深較淺，流速大，引航道口門偏窄，上游連接段航道轉(zhuǎn)彎半徑較小，船舶進(jìn)出閘較為困難;下引航道受河床地形及下泄水流歸槽影響，水流斜沖口門區(qū)，流態(tài)紊亂，縱、橫向流速及回流流速嚴(yán)重超標(biāo)，不能滿足船舶順利航行和安全進(jìn)出閘的要求。

2)修改方案通過增加上下引航道口門寬度、引航墻開孔，擴(kuò)大壩下游河道左岸邊灘開挖范圍等綜合性工程措施，有效地改善了上下游引航道口門區(qū)通航水流條件，口門區(qū)流態(tài)較好，通航條件有顯著改善［6-8］。通過整體樞紐水工模型試驗(yàn)研究，將船閘上引航道口門區(qū)的最高通航流量由原來的3 500 m3/s提高至11 800m3/s，將船閘下引航道口門區(qū)的最高通航流量由原來的基本不能通航提高至7 000 m3/s。

3)由于蒼溪航電樞紐工程是嘉陵江龍頭水庫亭子口水利樞紐下游的反調(diào)節(jié)樞紐，該樞紐通航問題的研究及解決對(duì)于確保嘉陵江全江航運(yùn)暢通至關(guān)重要。通過采用適當(dāng)增大引航道口門寬度、引航墻開孔，以及結(jié)合河道整治等綜合性工程措施，可有效地解決了本樞紐船閘上下游引航道口門區(qū)的通航問題，其研究成果可作為類似工程借鑒和參考。

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