大源渡樞紐上游引航道隔水墻布置形式研究

任啟明，劉曉平，趙 江，周小玲，扈世龍

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230088）

大源渡樞紐上游引航道隔水墻布置形式研究

任啟明1，2，劉曉平1，趙 江1，周小玲1，扈世龍1

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230088）

為滿足航運(yùn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，大源渡樞紐擬在一線船閘的基礎(chǔ)上擴(kuò)建二線船閘，現(xiàn)有的一線船閘上游引航道口門區(qū)位于彎曲河段，水流條件比較復(fù)雜。為使擴(kuò)建后的二線船閘上游引航道口門區(qū)水流條件能夠滿足規(guī)范要求，主要選取3種不同形式的隔水墻布置方案，在最大通航流量Q＝17 500 m3/s（10 a一遇）下，研究不同的隔水墻布置方案時(shí)上游引航道口門區(qū)通航水流條件、樞紐河段行洪能力以及其改善措施。結(jié)果表明：隔水墻能夠改善口門區(qū)水流條件；綜合考慮通航和行洪的要求，上游引航道選取透空式隔水墻布置方案較為合適。其研究結(jié)果可為類似工程的設(shè)計(jì)研究提供參考。

大源渡樞紐；引航道；透空式；隔水墻；水流條件；行洪

2015，32（01）：88－91

1 問題的提出

大源渡航電樞紐現(xiàn)有的一線船閘可通航1 000 t級(jí)船舶，然而，近年來隨著湘江航運(yùn)的發(fā)展，船閘日開閘次數(shù)逐年增多，通過能力接近飽和，且隨著下游長(zhǎng)沙綜合樞紐和湘江（衡陽(yáng)—城陵磯）2 000 t級(jí)航道整治項(xiàng)目的建設(shè)，過閘運(yùn)量、過閘船舶、船舶噸位將會(huì)日益增長(zhǎng)。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，在大源渡航電樞紐建設(shè)二線2 000 t級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的船閘已迫在眉睫。

大源渡航電樞紐所處的河段為彎曲河段，左岸系凸岸，右岸系凹岸，主流靠右岸，河床斷面為不對(duì)稱“U”型。樞紐下游2 km處右岸有洣河入?yún)R，河口上首有一沖積洲。一線船閘布置在左岸臺(tái)地，采用閘壩分離的布置方式［1－3］。擬建的二線船閘位于一線船閘右側(cè)灘地（如圖1），兩閘室中心線距離為80 m，新建二線船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×4.5 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），設(shè)計(jì)代表船型近期船型為1 000 t級(jí)貨船，遠(yuǎn)期船型為一頂二2 000 t級(jí)船隊(duì)和2 000 t級(jí)貨船。

圖1 二線船閘平面布置Fig.1 Plane layout of the second ship lock

樞紐上游引航道口門區(qū)位于彎曲河段，連接段也處于彎道內(nèi)，口門區(qū)航線與河道主流的夾角較大（約30°），口門區(qū)受到向右的斜向水流作用，船舶在上游口門區(qū)航行時(shí)易發(fā)生橫漂，偏離航道［4－5］。另外，上游有一座在建的大源渡湘江特大橋，由于橋梁通航孔的限制，以及橋區(qū)復(fù)雜的水流條件，增加了船舶進(jìn)出上引航道的難度［6－7］。為使引航道口門區(qū)通航水流條件能夠滿足規(guī)范要求，讓船舶能安全航行，在上游引航道口門區(qū)布置隔水墻。隔水墻采取順岸形式，布置在空洲島上端魚嘴與大源渡湘江特大橋之間（如圖2）。

圖2 上游隔水墻布置圖Fig.2 Schematic diagram of upstream cut-off wall

2 試驗(yàn)方案及判別標(biāo)準(zhǔn)

2.1 試驗(yàn)方案

本文主要研究了3種不同形式的隔水墻方案。方案①：二線船閘上游引航道至連接段開挖原有一線船閘左岸護(hù)堤，隔水墻長(zhǎng)328 m，隔水墻末端布置3個(gè)隔水墩，隔水墩長(zhǎng)25 m，隔水墩與隔水墻的間距是10 m，隔水墩之間的間距是15 m；方案②：隔水墻采用墩板式，為不透空式的順岸隔水墻，連接至橋墩下游；方案③：在方案②的基礎(chǔ)上，隔水墻采用透空形式，隔水墻每段長(zhǎng)約23 m，下游部分間距7 m，上游部分間距13 m，透空率為43%。

當(dāng)流量小于Q＝8 900 m3/s時(shí)，泄水閘開啟較少，上游庫(kù)區(qū)處于蓄水發(fā)電狀態(tài)，口門區(qū)流速較小，其通航水流條件均滿足規(guī)范要求。隨著流量的增大，泄水閘大部分或全部開啟，其通航水流條件隨流量的增大而越來越差。主要原因是：上游引航道口門區(qū)處于彎曲河段的凸岸側(cè)，彎曲河道中的水流由于受到離心力、重力和水流摩阻力的綜合作用，表層水流流向凹岸［8］，形成了相對(duì)于縱向流速較大的橫向流速。因此，試驗(yàn)選取最大通航流量Q＝17 500 m3/s（10 a一遇），研究隔水墻不同布置形式時(shí)，上游口門區(qū)通航水流條件和樞紐河段的行洪能力。

2.2 判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［9］第4.3.2條：船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大流速，應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 口門區(qū)水流表面最大流速限值Table 1 Lim it ofmaximum velocity of surface flow in the entrance area m/s

本樞紐船閘擴(kuò)建后屬于Ⅱ級(jí)，故本文引航道口門區(qū)表面流速：平行于航線的縱向流速V縱≤2.0 m/s，垂直航線的橫向流速V橫≤0.30 m/s，回流流速V回≤0.4 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 上游引航道口門區(qū)通航水流條件

在Q＝17 500 m3/s流量下，對(duì)以上3種不同形式的隔水墻布置方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出了上游引航道口門區(qū)表面流速值，如表2所示。

表2 上游引航道口門區(qū)表面流速值（Q＝17 500 m3/s）Table 2 Surface flow velocity at the upstream entrance area of approach channel（Q＝17 500 m3/s）

（1）方案①：上游口門區(qū)受到向右的斜向水流的作用，從表2可知，水流與航線的夾角較大，在7°～24°之間，且橫向、縱向流速較大，接近一半的區(qū)域不滿足規(guī)范要求，最大橫向流速Vxmax＝1.09 m/s，最大縱向流速Vymax＝3.24 m/s，通航水流條件不滿足規(guī)范要求（流場(chǎng)圖見圖3（a））；

（2）方案②：上游采用不透空式隔水墻連接至大橋橋墩下游，此時(shí)上游引航道水流流速較小，基本為靜水，有部分回流，但回流流速都小于0.4 m/s，通航水流條件好（流場(chǎng)圖見圖3（b））。

（3）方案③：上游采用透空式隔水墻（透空率為43%），試驗(yàn)結(jié)果為：口門區(qū)最大縱向流速為1.87 m/s，平均縱向流速Vyavr＝0.55m/s；最大橫向流速為0.49m/s，平均橫向流速Vxavr＝0.09m/s，只有個(gè)別測(cè)點(diǎn)的橫向流速不滿足規(guī)范限值。小范圍不滿足通航條件的區(qū)域，通過船模試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)船舶的安全航行影響較小?？陂T區(qū)通航水流條件較好［10］（流場(chǎng)圖見圖3（c））。

圖3 不同形式隔水墻布置方案下上游引航道口門區(qū)流場(chǎng)Fig.3 Flow field at the upstream entrance area of approach channel in the presence of different cut-off wall patterns

3.2 樞紐河段行洪能力

（1）流量為17 500m3/s時(shí)，泄水閘全開電站機(jī)組關(guān)閉，研究3種不同方案時(shí)樞紐河段的行洪能力。

由圖4（a）可知，在同一試驗(yàn)條件下，原隔水形式上游水位最低，其次是方案①和方案③，方案②上游水位最高。與原隔水形式相比，其中方案①最大雍高值為6 cm，方案②最大雍高值為14 cm，方案③最大雍高值為10 cm，方案②和方案③的雍高值都較大，不滿足行洪要求。

（2）鑒于3種隔水墻布置方案都會(huì)使樞紐河段水位有一定的雍高，不滿足防洪控制指標(biāo)（防洪部門要求二線船閘工程基本不再增加樞紐河段水位新的雍高），因此需采取河道疏浚措施，以提高樞紐河段的行洪能力，具體是對(duì)樞紐行洪能力起控制作用的下游束窄河段（斷面Q1至Q2之間，如圖1）進(jìn)行疏挖。疏浚后3種不同方案樞紐河段行洪能力的試驗(yàn)結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 沿程水面線Fig.4 Water surface profiles

疏挖下游束窄河段后，3種方案的上游水位都在下降，方案①最大雍高值為－1 cm，方案②最大雍高值為5 cm，方案③最大雍高值為0 cm。由圖4（b）可知，下游疏挖后，方案①和方案③的水位不但沒有雍高反而有所下降，可以滿足行洪要求，而方案②的水位雍高值依然較大，不滿足行洪要求。因此，綜合分析口門區(qū)通航水流條件和樞紐行洪能力的影響，上游引航道選取透空式隔水墻布置方案較為合適。

4 結(jié) 論

通過對(duì)方案①（隔水墻＋透空隔水墩）、方案②（隔水墻不透空）和方案③（隔水墻透空）的研究，本文主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）船閘上游引航道口門區(qū)及其連接段位于彎曲河道凸岸時(shí)，水流條件比較復(fù)雜，船舶受到斜向水流的影響比較明顯，在引航道修建隔水墻可以有效改善引航道口門區(qū)通航水流條件。

（2）隔水墻方案由于減少了河道的過水?dāng)嗝?，?duì)河段行洪能力有一定影響，可綜合采取河道疏浚等措施提高樞紐河段的行洪能力。

（3）結(jié)合船閘通航和行洪的要求，上游引航道選取透空式隔水墻布置方案較為合適。

［1］楊錫安，劉德全.湘江大源渡航電樞紐總圖設(shè)計(jì)［J］.水運(yùn)工程，2000，（7）：42－45，48.（YANG Xi-an，LIUDe-quan.General Layout Design of Xiangjiang Dayuandu Navigation-Hydropower Junction［J］.Port＆Waterway Engineering，2000，（7）：42－45，48.（in Chinese））

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［6］劉曉平，李 明.橋區(qū)河段橫流對(duì)船舶航行的影響［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012，（2）：21－26.（LIU Xiao-ping，LIMing.Influence of Cross Current on Ship in Bridge Navigable Waters［J］.Hydro-science and Engineering，2012，（2）：21－26.（in Chinese））

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［8］王昌杰.河流動(dòng)力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2008：105.（WANG Chang-jie.River Dynamics.［M］Beijing：People’s Communication Press，2008：105.（in Chinese））

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［10］周華興.船閘口門外連接段通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)初探［J］.水運(yùn)工程，2004，（4）：62－67.（ZHOU Hua-xing.An Approach to the Standard of Navigable Flow Condition at the Connection Reach Outside the Lock Entrance［J］.Port＆Waterway Engineering，2004，（4）：62－67.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Arrangement of Permeable Cut-off Wall at the Upstream Approach Channel of Dayuandu Navigation-Hydropower Junction

REN Qi-ming1，2，LIU Xiao-ping1，ZHAO Jiang1，ZHOU Xiao-ling1，HU Shi-long1
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410076，China；2.Anhui Transport Consulting＆Design Institute Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Tomeet the requirements of shipping and economic development，a second shiplock is planned to be built at Dayuandu Navigation-Hydropower Junction，but the approach channel’s entrance area in the upstream of the existing first shiplock is in bend reach with complex flow conditions.Tomake sure that the flow condition at the second shiplock could meet standard requirements，we designed three cases of cut-off wall pattern，and analyzed the navigation condition，flood discharge capacity and improvementmeasures under maximum flow（Q＝17 500 m3/s，once in 10 years）respectively in the presence of these three cut-off walls.According to calculation results and comprehensive considerations，we recommend permeable cut-off wall at upstream entrance area of approach channel.The research result could be regarded as reference for similar engineering design.

Dayuandu hydropower junction；approach channel；permeable；cut-offwall；flow condition；flood discharge

TV143

A

1001－5485（2015）01－0088－04

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.018

2013－08－23；

2013－09－16

任啟明（1988－），男，安徽淮北人，碩士，主要從事港口、航道及近海工程方面的研究，（電話）18326053295（電子信箱）cl＿rqm＠163.com。