長沙綜合樞紐三期施工導流及通航模型試驗研究

蔣明鋒，李 帆，劉方舟，乾東岳

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責任公司，長沙410000；2.長沙理工大學，長沙410076）

長沙綜合樞紐位于湘江長沙段蔡家洲，具有改善環(huán)境、通航、發(fā)電、給水、灌溉、旅游等綜合效益。壩址處河道順直開闊，地形特點有利于分期施工及施工導流［1］。樞紐建設施工導流期間，圍堰等導流建筑物將束窄河段，減小過水斷面面積，改變原始水流特性，從而影響河段的行洪能力和通航水流條件。行洪能力是否滿足要求，關系到壩址以上河段沿岸生命財產(chǎn)安全以及施工進度的順利進行，是樞紐建設中至關重要的問題。而為了確保工程施工安全及地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，則必須保證施工期間河段的水流條件能夠滿足船舶的安全通航［2］。

根據(jù)樞紐河段地形、水流條件等特點，同時綜合考慮工程進度安排，長沙綜合樞紐分三期進行施工導流：一期圍右汊20 孔泄水閘，由左汊河床過流和通航；二期圍左汊左岸船閘及部分泄水閘，由左汊束窄河床及右汊已建20 孔泄水閘泄流，左汊臨時航道通航；三期圍左汊右岸電站廠房及剩余的泄水閘，由已建左汊和右汊的泄水閘泄流，已建船閘通航。本文主要針對長沙綜合樞紐三期工程，通過水工模型試驗，重點分析河段的行洪能力和通航水流條件，研究確定合理的導流方案。

1 模型設計及試驗控制條件

1.1 模型設計

模型設計范圍上起壩軸線上游約4.3 km，下至壩軸線下游約7.4 km，全長約11.7 km。寬度超過河流兩岸防洪堤范圍，并考慮溈水匯入的影響，其值為10～25 km 不等。根據(jù)幾何相似、水流運動相似、動力相似及阻力相似準則，模型試驗所用的水工模型采用1：100 正態(tài)定床模型［3-4］。表面流場測量采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）系統(tǒng)對表面粒子實時圖像采集與處理。

1.2 試驗控制條件

通過分析比較施工導流前后沿程水位，從而得到上游水位雍高值以反映施工導流期間河段的行洪能力。設計要求施工導流后的雍高值控制在45 cm 以內。

三期施工導流期左汊左岸永久船閘已建設完工，屬于Ⅱ級船閘。根據(jù)《船閘總體設計規(guī)范》［5］，對船閘口門區(qū)通航水流的要求如表1 所示。

2 三期施工導流行洪能力研究

2.1 導流設計方案行洪能力研究

2.1.1 設計導流方案

表1 口門區(qū)水面最大極限流速Tab.1 The maximum limit value of entrance area surface velocity m/s

設計方案按全年2 a 一遇標準設計圍堰，圍左汊剩余的16.5 孔泄水閘和廠房（圖1）。擋水工況時，由左汊已建10 孔泄水閘和右汊20 孔高堰閘壩聯(lián)合過流，已建船閘通航；過水工況時，由已建左汊10 孔閘壩、右汊20 孔閘壩與左汊三期過水圍堰聯(lián)合泄流。

圖1 三期圍堰平面布置圖Fig.1 Sketch of plane arrangement for third-stage cofferdam

2.1.2 試驗結果分析

三期圍堰在設計標準（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）時，圍堰上游最大壅高為62 cm，不滿足小于45 cm 的設計要求，說明三期施工導流的設計方案壅高值較大，泄流能力不足。

通過觀察三期上游圍堰處流場發(fā)現(xiàn)，受上游圍堰的影響，左汊泄水閘前存在回流區(qū)（圖2），較大程度地影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力。通過觀測左汊10 孔泄水閘閘前流速發(fā)現(xiàn)，從第一孔至第八孔泄水閘閘前行進流速一般在2.8～4.0 m/s；第九孔泄水閘受回流區(qū)的影響，閘前行進流速較小，只有0.7 m/s；第十孔泄水閘受到回流區(qū)的影響嚴重，不僅沒有泄流，甚至產(chǎn)生了倒流，流速為-0.6 m/s，使得泄水閘實際過流能力減小。

圖2 三期設計方案圍堰附近流場圖Fig.2 Flow field around cofferdam for the third design proposal

2.2 優(yōu)化設計方案行洪能力研究

由于三期施工導流設計方案存在水位壅高較高的情況，需按設計標準（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）對圍堰的平面布置形式進行優(yōu)化。

通過分析長沙綜合樞紐三期施工導流的具體情況，發(fā)現(xiàn)其有以下特點。首先，三期施工導流的布置與二期施工導流的布置關系緊密，兩者之間的過流寬度需分配合理。增加其中一方的溢流寬度，則會減小另一方的溢流寬度。所以，若為了使三期導流滿足行洪要求而不斷增加其溢流寬度，那么將減小二期導流的溢流寬度從而影響二期的行洪能力。其次，從三期導流設計方案的上游圍堰流場圖可以看出，回流影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力，使得現(xiàn)有的溢流寬度未充分發(fā)揮溢流作用。

當施工導流的行洪能力不足時，通常考慮的是增加溢流寬度以及河道疏浚［6-7］，從而使上游雍高值滿足設計要求。但是，根據(jù)長沙綜合樞紐三期施工導流的特點，不能一味地增加其溢流寬度，而需要同時考慮通過調整圍堰平面布置形式，調順水流方向，改善水流條件，從而提高河段的行洪能力。

在三期施工導流設計方案的基礎上，從增加溢流寬度和調整縱向圍堰與水流方向兩方面對其進行優(yōu)化，共提出了3 種優(yōu)化方案。

2.2.1 平面布置優(yōu)化

（1）優(yōu)化方案1：增加溢流寬度20 m（增加一孔泄水閘，由原設計方案的10 孔改成11 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖3 所示；該方案從增加溢流寬度角度出發(fā)，增大過流面積以降低上游的水位壅高。

圖3 三期施工導流優(yōu)化方案1 示意圖Fig.3 Sketch of the first optimum proposal for third-stage construction diversion

圖4 三期施工導流優(yōu)化方案2 示意圖Fig.4 Sketch of the second optimum proposal for third-stage construction diversion

（2）優(yōu)化方案2：增加溢流寬度20 m，且上游縱向圍堰端部向右岸上游橫向圍堰方向移動30 m，如圖4所示。

（3）優(yōu)化方案3：增加溢流寬度40 m（增加兩孔泄水閘，由原設計方案的10 孔變成12 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖5 所示。

圖5 三期施工導流優(yōu)化方案3 示意圖Fig5 Sketch of the third optimum proposal for third-stage construction diversion

2.2.2 試驗結果分析

各優(yōu)化方案在2 a 一遇洪水流量（Q=13 500 m3/s）工況下，在采取各種措施后圍堰上游的最大壅高值原方案為62 cm，優(yōu)化方案1 為57 cm，優(yōu)化方案2 為43 cm，優(yōu)化方案3 為52 cm。

分析試驗結果可知：

（1）各優(yōu)化方案的壅高值較原方案均有所減小，其中優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案3 的壅高值降低較小，最大壅高值分別為57 cm 和52 cm，不滿足小于45 cm 的設計要求。優(yōu)化方案2 的壅高值降低較多，最大水位壅高值為43 cm，滿足小于45 cm 的設計要求。

（2）優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案3 在設計方案的基礎上僅“增加溢流寬度”，未優(yōu)化縱向圍堰的結構型式，使得上游縱向圍堰處的回流并未得到改善，靠近縱向圍堰的2～3 孔泄水閘泄流能力未提高。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，每增加20 m 的溢流寬度，水位雍高值減小5 cm，說明僅靠“增加溢流寬度”的方法對提高導流期的行洪能力所起到的效果是有限的。

（3）優(yōu)化方案2 是在優(yōu)化方案1 的基礎上將縱向圍堰改為折線，“調整縱向圍堰與水流方向”，使水流更加平順，從而大大降低了回流區(qū)影響范圍（圖6），使得靠近縱向圍堰兩孔泄水閘閘前行進流速比原方案有較大的提高，從而提高了泄水閘的泄流能力。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出：優(yōu)化方案2 較優(yōu)化方案1 的縱向圍堰端部右移30 m，水位壅高值減小了14 cm，說明“調整縱向圍堰與水流方向平順”方法更有利于提高施工導流期的河段行洪能力。

綜上所述，僅優(yōu)化方案2 滿足行洪要求。分析各優(yōu)化方案可知，優(yōu)化方案2 是在設計方案的基礎上，同時結合了增加溢流寬度和調順縱向圍堰與水流方向的方法，其不僅增大了水流的實際過流寬度，而且調順了水流，降低了回流區(qū)的影響范圍，從而較大地提高了河段的行洪能力。因此，在優(yōu)化方案2 的基礎上校核船閘引航道及口門區(qū)的通航水流條件。

圖6 優(yōu)化方案2 左汊泄水閘前流場示意圖Fig.6 Flow field in front of left branch floodgate for the second optimum proposal

3 三期施工導流通航水流條件研究

施工導流方案在保證河段具有較好行洪能力的同時，也須確保河段水流條件滿足船舶安全通航要求［8］。針對優(yōu)化方案2，選取2 a 一遇（Q=13 500 m3/s）、5 a一遇（Q=17 500 m3/s）和10 a 一遇（Q=19 700 m3/s）洪水流量，研究船閘引航道及口門區(qū)的通航水流條件。

通過觀測流場，發(fā)現(xiàn)船閘引航道內基本為靜水，重點研究船閘上、下游口門區(qū)的通航水流條件，試驗結果如表2 所示。

表2 推薦方案口門區(qū)通航水流條件Tab.2 Navigation flow conditions of entrance area for recommended proposal m/s

優(yōu)化方案2 在各級典型流量下，船閘上、下游口門區(qū)水流條件均滿足規(guī)范要求，能夠保證船舶的安全通行，可以作為三期施工導流的推薦方案。

4 結論

（1）三期施工導流設計方案，由于左汊上游圍堰造成的回流區(qū)和溢流寬度不足影響了泄水閘的過流能力，導致三期施工導流期圍堰上游河段水位壅高較高，不滿足設計要求；

（2）在設計方案的基礎上，共提出3 種優(yōu)化方案。其中優(yōu)化方案2 能滿足河段的行洪能力要求，也能保證較好的通航水流條件，故選取優(yōu)化方案2 作為三期施工導流的推薦方案；

（3）當施工導流的行洪能力不足時，通?？紤]的是增加溢流寬度。但是，通過分析比較三期施工導流各種方案的行洪能力可知，采用調整圍堰局部平面布置、調順水流方向、增大溢流孔的有效過流能力對降低水位雍高所起的作用更為明顯。本文研究推薦方案不僅可以作為設計的依據(jù)，也為類似工程通過了優(yōu)化思路；

（4）通過物理模型試驗研究河段施工導流期的行洪能力和通航水流條件，其成果可為設計、施工部門相關方案的制定提供科學依據(jù)，其研究方法可為類似工程提供參考。

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