甌江三溪口航電樞紐引航道布置優(yōu)化試驗(yàn)研究

李艷富，楊 宇，韓昌海，李 君

(南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

在多灣河道興建航電樞紐工程，難點(diǎn)之一是保證引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件良好。在彎道或入?yún)R水流影響下，口門區(qū)出現(xiàn)斜流或不穩(wěn)定流影響通航安全?；诂F(xiàn)行規(guī)范[1]，具有山區(qū)河流特點(diǎn)的曲線引航道布置型式被廣泛應(yīng)用[2]，同時(shí)導(dǎo)流墩[3-4]、導(dǎo)航墻開孔[5]、丁潛壩等措施有效地改善了通航水流條件[6-7]。三溪口航電樞紐是甌江干流規(guī)劃的下游梯級(jí)水電工程，該樞紐建成運(yùn)行后將發(fā)揮重要的發(fā)電和航運(yùn)效益。樞紐泄水閘壩和通航建筑物集中布置于多彎河段連接處，上游引航道采用半開敞型式，引航道及口門區(qū)水流條件受泄水閘泄水影響大，下游引航道口門區(qū)處于凸岸邊灘外側(cè)，其下游河道呈45°彎道，口門區(qū)水流條件難以達(dá)到通航規(guī)范要求，此外，汛期右岸有一小支流進(jìn)入下游引航道內(nèi)干擾通航，由此可見，三溪口樞紐引航道口門區(qū)及連接段水流條件復(fù)雜，需要研究論證：(1)泄洪閘運(yùn)行對(duì)半開敞式上游引航道通航的影響；(2)彎道凸岸引航道布置方案；(3)汛期右岸小支流對(duì)下游引航道口門區(qū)的影響，以解決三溪口樞紐通航。本文的研究成果對(duì)類似工程具有重要的借鑒意義。

1 工程概況

甌江是浙江南部重要水道，其干流河段共規(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站，航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)。三溪口樞紐是第4個(gè)梯級(jí)，以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)和防洪等綜合效益。樞紐從左到右依次為電站廠房、12孔深槽泄洪閘、10孔淺灘泄洪閘以及船閘等建筑物。通航建筑物為500 t級(jí)單線單級(jí)船閘，閘室有效尺度為210 m×23 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)。上游引航道采用半開敞直線型式，調(diào)順段、停泊段以及口門區(qū)位于水域較為開闊的庫(kù)區(qū)，靠近泄水閘壩側(cè)采用短導(dǎo)航隔水墻，靠岸側(cè)采用分層柱梁透水式導(dǎo)航架。下游引航道位于河道凸岸，采用限制性直線布置形式，口門區(qū)位于主河道收縮且45°轉(zhuǎn)彎區(qū)，靠岸側(cè)引航墻與凸岸邊灘間為小支流泄流道，三溪口樞紐布置如圖1所示。

上游通航水位為正常蓄水位18.0 m，電站機(jī)組滿發(fā)流量為1 227 m3/s，發(fā)電余水量通過(guò)逐級(jí)開啟泄洪閘均勻泄洪。通過(guò)上游引航道通航水流試驗(yàn)確定最大通航流量。根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，引航道口門區(qū)流速需滿足：縱向流速≤2 m/s，橫向流速≤0.3 m/s，回流流速≤0.4 m/s；引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段宜為靜水區(qū)，制動(dòng)段和停泊段的水面最大縱向流速≤0.5 m/s，橫向流速≤0.15 m/s；當(dāng)引航道內(nèi)難以避免出現(xiàn)取排水設(shè)施，應(yīng)保證設(shè)施不得占用引航道尺度。

圖1 三溪口樞紐總體布置Fig.1 General layout of Sanxikou hydroproject

2 模型設(shè)計(jì)

采用比尺為1:100的正態(tài)模型，滿足重力相似準(zhǔn)則。試驗(yàn)?zāi)M范圍充分反映工程段河道流態(tài)，上下游預(yù)留足夠的流態(tài)過(guò)渡段以保證上下游口門區(qū)水流流速分布的相似性。模型上游安裝量水堰測(cè)量控制樞紐流量，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)針讀取上下游水位，精度為0.1 mm，誤差為±0.05 mm。采用南京水利科學(xué)研究院自行研制的光電式旋槳流速儀測(cè)量流速，起動(dòng)流速為1 cm/s，儀器型號(hào)LS-Ⅱ、精度為0.01 cm/s，誤差為±0.01 cm/s。

3 上游引航道通航試驗(yàn)

上游引航道處于較為寬闊的庫(kù)區(qū)，采用半開敞直線型式，導(dǎo)航段、調(diào)順段和停泊段沿岸呈直線布置，引航道中心線與壩軸線垂直。引航道直線段長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求，相關(guān)研究[8]表明該布置方案可使船閘盡早地轉(zhuǎn)向駛?cè)雽拸V的水域，常年洪水流量下可安全通航。臨河側(cè)設(shè)置50 m短導(dǎo)航隔墻(大于1倍船長(zhǎng))，靠岸側(cè)設(shè)置分層柱梁透水式導(dǎo)航架，長(zhǎng)400 m且平行于航道中心線，其下部重力式擋墻結(jié)構(gòu)頂高程為12.0 m，上部導(dǎo)航架頂高程為20.0 m?？梢娡ê剿?8.0 m處于透水式導(dǎo)航架結(jié)構(gòu)區(qū)，該結(jié)構(gòu)起著削弱回流和斜流等作用，并可減弱由庫(kù)區(qū)動(dòng)水帶來(lái)的水位波動(dòng)[4，9]。

上游引航道口門區(qū)位于小溪支流入?yún)R口下游400 m處。入?yún)R水流易干擾口門區(qū)水流流態(tài)，此外，泄水閘泄水時(shí)，動(dòng)水牽引引航道內(nèi)靜水波動(dòng)，因此對(duì)上游引航道及口門區(qū)的水流流速特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)流量選取電站滿發(fā)流量1 227 m3/s以及2 000，2 500，3 000，3 500 m3/s幾組來(lái)流量，上游通航水位為18.0 m。樞紐泄洪通過(guò)逐級(jí)開啟泄洪閘均勻泄洪，并分為深槽泄水閘開啟、淺槽和深槽泄水閘組合泄水兩種方式。在保證通航流量最大化和通航安全的前提下，確定適宜的樞紐泄洪調(diào)度，以及根據(jù)安全通航水流條件要求確定樞紐最大通航流量。

由表1可見，當(dāng)流量小于2 000 m3/s時(shí)，小溪無(wú)來(lái)流，電站滿發(fā)余洪量通過(guò)深槽泄水閘泄洪，右側(cè)淺灘庫(kù)區(qū)水流平緩，引航道及口門區(qū)的各項(xiàng)流速指標(biāo)都滿足通航要求。隨著流量增加到2 500 m3/s時(shí)，深槽泄水閘泄水量增加，對(duì)右側(cè)淺灘庫(kù)區(qū)靜水的拖曳作用加強(qiáng)，使得引航道停泊段出現(xiàn)橫向流速，口門區(qū)的橫向和縱向流速增加，各項(xiàng)流速指標(biāo)仍滿足通航要求。

當(dāng)流量為3 000 m3/s，電站滿發(fā)余洪量?jī)H通過(guò)深槽泄水閘泄洪時(shí)，受壩址上游彎道影響，庫(kù)區(qū)出現(xiàn)大面積平緩回流區(qū)(圖2)，同時(shí)受小溪入流對(duì)引航道口門區(qū)斜流作用，引航道及口門區(qū)的橫向流速增加，但仍滿足通航要求。當(dāng)流量增加到3 500 m3/s，深槽泄水閘增加開度泄洪，此時(shí)停泊段最大橫向流速為0.14 m/s，引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段局部出現(xiàn)不穩(wěn)定流速，不滿足通航要求。

表1 上游引航道及口門區(qū)最大流速測(cè)量值Tab.1 Experimental results of the maximum flow velocities in the entrance area and the upper approach

圖2 流量為3 000 m3/s電站滿發(fā)深槽泄水閘開啟時(shí)引航道及口門區(qū)流速分布(單位： m/s)Fig.2 Velocity distribution along the upper approach and its entrance area under the condition of 3 000 m3/s discharge of the deep drainage sluice only (unit： m/s)

當(dāng)流量為3 000 m3/s，電站滿發(fā)余洪量通過(guò)深槽泄水閘和淺灘泄水閘下泄時(shí)，淺灘庫(kù)區(qū)處于動(dòng)水區(qū)，對(duì)引航道內(nèi)靜水的牽引作用明顯，導(dǎo)航段內(nèi)水體開始流動(dòng)，當(dāng)淺灘左側(cè)泄水閘部分開啟時(shí)，導(dǎo)航段出現(xiàn)0.02 m/s橫向流速，當(dāng)淺灘泄水閘全部開啟時(shí)，導(dǎo)航段出現(xiàn)0.09 m/s回流流速，均不滿足通航要求。

綜上所述，在滿足甌江梯級(jí)航電開發(fā)項(xiàng)目通航要求條件下，建議最大通航流量為3 000 m3/s。在通航條件下樞紐泄洪調(diào)度以增加深槽泄水閘開度為主，以減少樞紐泄洪對(duì)上游引航道通航影響。為了保證船舶安全，航線要與小溪入?yún)R口保持足夠的安全距離，并設(shè)置禁航標(biāo)志。

4 下游引航道通航試驗(yàn)

4.1 原設(shè)計(jì)方案口門區(qū)通航水流條件

下游引航道布置于彎道凸岸，采用限制性直線型布置型式，導(dǎo)航段、調(diào)順段和停泊段沿岸呈直線布置，引航道中心線與壩軸線垂直(圖1)。引航道直線距離為460 m，引航道寬度為50 m，底板高程為3 m。引航道口門區(qū)位于近45°彎道頂部，航線與河道主流夾角較大，會(huì)出現(xiàn)大面積斜流影響通航安全?？陂T區(qū)水流條件復(fù)雜是山區(qū)河道航電樞紐引航道布置的常見問(wèn)題，需根據(jù)工程自身問(wèn)題提出合理方案和措施以保證通航安全[9-10]。此外，本工程屬于在建工程，引航道受到汛期右岸小支流影響，通過(guò)引航道外開挖過(guò)水導(dǎo)渠使支流水流沿引航道導(dǎo)墻外流動(dòng)(圖1)，不影響引航道。引航道口門區(qū)距離樞紐較遠(yuǎn)，樞紐泄洪方式對(duì)下游引航道及口門區(qū)水流影響較小。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)下游引航道及口門區(qū)的水流流速特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)流量選取2 500 m3/s，暫不考慮右岸支流來(lái)流。由流速測(cè)量結(jié)果可知，引航道口門區(qū)局部回流流速達(dá)到0.4 m/s，橫向流速普遍大于0.3 m/s，最大值可達(dá)0.7 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通航安全流速值。經(jīng)分析，直線引航道口門區(qū)處于河流彎道頂部，航道中心線與河道主流的夾角過(guò)大是造成口門區(qū)大范圍橫向流速超標(biāo)的主要原因，應(yīng)通過(guò)調(diào)整引航道航線或口門區(qū)位置，減小口門區(qū)內(nèi)主流與航線的夾角，以達(dá)到改善口門區(qū)水流條件的目的。

4.2 優(yōu)化方案布置試驗(yàn)

針對(duì)原方案存在的問(wèn)題從改變航線和口門區(qū)位置入手提出修改方案，試驗(yàn)流量選擇為最大通航流量3 000 m3/s。3種修改方案見圖3，各方案下流速測(cè)量結(jié)果見表2。

(a) 修改方案Ⅰ (b) 修改方案Ⅱ (c) 修改方案Ⅲ圖3 下游引航道修改方案Fig.3 Improved schemes of the lower approach

表2 下游引航道口門區(qū)500 m范圍內(nèi)的流速Tab.2 Experimental results of the maximum flow velocities in the entrance area of the lower approach

修改方案Ⅰ中，疏浚河道凸岸邊灘，拓寬河道寬度，并將直線型引航道改變?yōu)榍€型引航道，這樣引航道和航線在經(jīng)疏浚后的邊灘上靠近右岸布置(圖3(a))。該修改方案中口門區(qū)航線與河道主流夾角減小至22°，滿足安全范圍20°～25°的要求[12-13]。流速測(cè)量結(jié)果表明，河道凸岸開挖方案大大增加了河道水流的過(guò)水?dāng)嗝妫陂T區(qū)范圍內(nèi)的河道水流均勻下泄，橫向流速大大減小，滿足安全通航要求，但在口門區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積回流區(qū)，航道右邊線上的回流流速達(dá)0.65 m/s(圖3(a))，超過(guò)通航水流條件要求。

在修改方案Ⅰ的基礎(chǔ)上，縮短引航道停泊段長(zhǎng)度，并減少右岸灘地開挖量；修改方案Ⅱ如圖3(b)所示，該方案中引航道口門區(qū)的回流區(qū)面積減小，回流流速減小，但橫向流速達(dá)0.45 m/s，縱向流速達(dá)2.3 m/s，仍不滿足通航要求。

從優(yōu)化口門區(qū)位置和引航道角度入手提出修改方案Ⅲ(推薦方案)，保持修改方案I的河道凸岸灘地疏浚方案；將引航道順向經(jīng)疏浚的凸岸岸坡布置，并保證引航道內(nèi)調(diào)順段具有足夠?qū)挾?，引航道直線段長(zhǎng)度設(shè)為193 m(約3～4倍船長(zhǎng))，接98 m圓弧(約2倍船長(zhǎng))，半徑為205 m，轉(zhuǎn)彎角度為27°，再接直線型停泊段；停泊段長(zhǎng)度為250 m(約4～5倍船長(zhǎng))，保證足以壓縮口門區(qū)回流范圍；調(diào)整停泊段導(dǎo)流墻角度，進(jìn)一步減小引航道與河道主流方向夾角至8°；靠近右岸一側(cè)采用100 m長(zhǎng)導(dǎo)航墻(約2倍船長(zhǎng))，堤頭設(shè)置多個(gè)消能墩，右岸支流不影響引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段水流條件，修改方案Ⅲ如圖3(c)所示。該方案中口門區(qū)水流條件明顯改善，口門區(qū)水流平順，且與河道主流方向基本一致，回流流速和橫向流速均很小，最大回流流速值和最大橫向流速值為0.31和0.14 m/s，最大縱向流速為1.92 m/s，滿足通航水流條件要求。

綜合修改方案試驗(yàn)結(jié)果可知，若引航道口門區(qū)處于近45°彎道頂部，通過(guò)合理疏浚整治河道凸岸灘地，將河道拓寬至足夠?qū)挾纫詼p小河道水流轉(zhuǎn)彎角度，進(jìn)而避免口門區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)斜流導(dǎo)致橫向流速超標(biāo)；此外，適當(dāng)調(diào)整引航道導(dǎo)墻長(zhǎng)度和角度，使得引航道導(dǎo)墻順向河道主流，可大大減小回流范圍和回流流速，使得口門區(qū)流速滿足通航要求。

4.3 右岸支流對(duì)引航道及口門區(qū)水流的影響

現(xiàn)行規(guī)范[1]規(guī)定，應(yīng)避免引航道內(nèi)布置排水設(shè)施，但本樞紐工程屬于在建工程，為免受汛期右岸小支流影響，對(duì)下游引航道最終修改方案開展右岸支流影響試驗(yàn)。支流導(dǎo)渠中心線與引航道導(dǎo)航段中心線平行，導(dǎo)渠出口為引航道調(diào)順段，入?yún)R水流與引航道內(nèi)的水流夾角較小，并設(shè)置3個(gè)消能墩以減弱水流影響。試驗(yàn)流量選定為上游來(lái)流1 227，2 000和3 000 m3/s，并根據(jù)流域資料設(shè)定右岸支流為0，60，120和180 m3/s，其中最大流量180 m3/s為該支流區(qū)間百年一遇同頻洪水，重現(xiàn)期遠(yuǎn)高于最大通航流量重現(xiàn)期。

試驗(yàn)結(jié)果表明，上游來(lái)流1 227 m3/s時(shí)引航道內(nèi)水深為4.99 m，當(dāng)支流流量不大于60 m3/s時(shí)，引航道和口門區(qū)的水流滿足通航要求，隨著支流流量超過(guò)120 m3/s，支流進(jìn)入引航道的流量增加，對(duì)引航道內(nèi)的靜水干擾增強(qiáng)，引航道停泊段出現(xiàn)回流，縱向流速超過(guò)0.5 m/s，不滿足通航要求；值得一提的是，支流流量120 m3/s的重現(xiàn)期遠(yuǎn)高于上游來(lái)流量1 227 m3/s的重現(xiàn)期，因此在小流量低水位條件下，受支流流量影響的引航道水流條件滿足通航要求；上游來(lái)流2 000 m3/s時(shí)引航道內(nèi)水深為5.87 m，當(dāng)右岸支流流量超過(guò)180 m3/s時(shí)，引航道停泊段出現(xiàn)回流和橫向流速，縱向流速普遍大于0.5 m/s，不滿足通航要求；上游來(lái)流3 000 m3/s時(shí)引航道內(nèi)水深7.0 m，水深明顯增加，當(dāng)右岸支流來(lái)流增加到180 m3/s時(shí)，對(duì)引航道內(nèi)靜水的干擾作用較弱，水流條件滿足通航要求。綜上所述，下游引航道最終修改方案能夠滿足最大通航流量的通航要求。此外，建議采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)或警示措施，保證船舶安全進(jìn)出下游引航道。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)半開敞上引航道受樞紐泄水閘運(yùn)行調(diào)度影響較大，水庫(kù)動(dòng)水范圍對(duì)引航道內(nèi)水流干擾程度不同，通過(guò)不同運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)比試驗(yàn)，表明在通航條件下樞紐泄洪調(diào)度以深槽泄水閘增加開度為主，以減少樞紐泄洪對(duì)上游引航道通航影響。

(2)當(dāng)引航道口門區(qū)處于彎道頂部，通過(guò)合理疏浚河道凸岸灘地，拓寬河道至足夠?qū)挾?，進(jìn)而大大縮小航線與河道主流夾角，并適當(dāng)調(diào)整引航道導(dǎo)墻長(zhǎng)度和角度，使得口門區(qū)流速滿足通航要求。

(3)當(dāng)無(wú)法避免引航道內(nèi)出現(xiàn)支流入?yún)R情況，若引航道內(nèi)水深足夠，可通過(guò)合理布置支流導(dǎo)渠和引航道以及消能墩等結(jié)構(gòu)，保證引航道及口門區(qū)水流條件滿足通航要求。

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