漢江雅口航運(yùn)樞紐泄流能力試驗(yàn)研究

李君濤，閆濤，王艷華

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

漢江雅口航運(yùn)樞紐泄流能力試驗(yàn)研究

李君濤，閆濤，王艷華

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

為了論證和優(yōu)化擬建漢江雅口航運(yùn)樞紐總體布置，在初步設(shè)計(jì)階段采用比尺為1∶100的整體定床正態(tài)物理模型，對(duì)樞紐泄流能力進(jìn)行試驗(yàn)研究。文中闡述了設(shè)計(jì)方案工程布置條件下的樞紐泄流能力、分析了樞紐泄流方面存在的問題及其影響因素，針對(duì)設(shè)計(jì)方案在泄流能力方面存在的不足，通過調(diào)整樞紐上游隔流建筑物布置形式、縮窄船閘導(dǎo)航墻寬度及河床局部疏浚等多種優(yōu)化工程措施，提出了滿足樞紐泄流能力的總體布置方案，研究成果可供類似工程參考和借鑒。

雅口航運(yùn)樞紐；泄流能力；模型試驗(yàn)

擬建雅口航運(yùn)樞紐工程位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游13.7 km處，上距丹江口水利樞紐201 km，下距河口448 km，是漢江干流湖北省內(nèi)梯級(jí)開發(fā)中的第6級(jí)，其上下游分別與崔家營(yíng)梯級(jí)和碾盤山梯級(jí)銜接，距上游崔家營(yíng)梯級(jí)約為49.97 km，距下游碾盤山梯級(jí)約為62.24 km。

雅口航運(yùn)樞紐工程開發(fā)任務(wù)以航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電、灌溉、旅游等綜合利用效益。樞紐主要建筑物包括船閘、泄水閘、發(fā)電廠房、開關(guān)站、土石壩、魚道等。樞紐正常蓄水位55.22 m，相應(yīng)庫容3.37億m3，裝機(jī)容量75 MW，航道等級(jí)為Ⅲ（2）級(jí)。樞紐主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)洪水流量20 200 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇，相應(yīng)洪水流量為27 300 m3/s。為了解決樞紐總體布置、泄流能力及船閘通航條件等技術(shù)問題，進(jìn)行了整體水工模型試驗(yàn)。本文結(jié)合1∶100正態(tài)整體水工模型試驗(yàn)成果，就樞紐泄流能力問題進(jìn)行分析和討論。

1 樞紐工程布置設(shè)計(jì)方案及泄流能力試驗(yàn)

1.1 壩址河段河勢(shì)

雅口航運(yùn)樞紐工程所在河段總體流向?yàn)闁|南向，河道彎曲，河谷不對(duì)稱，心灘、洲灘發(fā)育，河段呈寬窄相間的蓮藕狀，主河槽呈“S”走向，壩址上游主槽貼左岸，壩址處主槽由左岸向右岸過渡，壩址以下主槽貼右岸。壩址區(qū)河谷開闊，主河槽寬約600～800 m，河底高程44.0～47.2 m。主河道右側(cè)低漫灘平坦寬闊，灘面寬560～1 000 m，灘面高程49.3～52.8 m。右岸為平坦開闊的Ⅰ級(jí)階地，寬度1 500～2 000 m，高程在52.0～54.0 m之間。

1.2 設(shè)計(jì)方案工程布置

雅口航運(yùn)樞紐推薦壩線處于反“S”形主河槽由左向右的過渡段，右側(cè)為寬大的邊灘，壩軸線走向與工程所在河段的整體河勢(shì)斜交，與壩址處中、枯水河槽基本垂直。樞紐平面布置從右至左分別為右岸土石壩1 810.1 m、船閘44.0 m、連接段124.4 m、泄水閘壩814.0 m、電站廠房（含安裝場(chǎng)42.0 m）205.1 m、魚道、左岸土石壩182.3 m。船閘布置于右岸灘地的灘唇位置（右側(cè)預(yù)留二線船閘位置），閘室有效尺度為180 m×23.0 m×3.5 m（閘室長(zhǎng)度×寬度×檻上水深），為了防止洪水期右側(cè)灘地水流橫越口門區(qū)而產(chǎn)生不利的通航水流條件，設(shè)計(jì)方案在船閘上游口門區(qū)右側(cè)順?biāo)鞣较蛟O(shè)置一順直隔流堤；泄水閘布置于主河槽及右側(cè)低漫灘位置，共設(shè)有44個(gè)閘孔，泄洪閘采用平底寬頂堰，堰頂高程44.00 m，閘孔凈寬14 m；電站廠房布置在左岸主河槽內(nèi)，主廠房（包括安裝場(chǎng)）平面尺寸為177.1 m×24.0 m（長(zhǎng)×寬），廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)方案工程布置見圖1。

1.3 設(shè)計(jì)方案樞紐泄流能力

1）泄流能力控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范同時(shí)結(jié)合壩址河段河勢(shì)條件以及樞紐工程布置特點(diǎn)，確定的樞紐整體泄流能力控制標(biāo)準(zhǔn)為：樞紐建成后在宣泄設(shè)計(jì)洪水及以下流量時(shí)（Q≤20 200 m3/s）壩上最大水位壅高值不大于0.3 m，在宣泄校核洪水時(shí)（27 300 m3/s）不大于0.5 m。

2）泄流能力試驗(yàn)成果

選取Q=13 500 m3/s（10 a一遇）、Q=20 200 m3/s（設(shè)計(jì)洪水、50 a一遇）和27 300 m3/s（校核洪水、300 a一遇）三級(jí)特征洪水流量進(jìn)行樞紐泄流能力試驗(yàn)。工程前、后沿程水面線對(duì)比見圖2。

圖1 設(shè)計(jì)方案工程布置圖Fig.1 Layout sketch of the design scheme

圖2 設(shè)計(jì)方案工程前后沿程水面線Fig.2 Water-surface curve before and after the project in design scheme

試驗(yàn)結(jié)果表明，與工程前相比，樞紐建成后壩上水位壅高，且隨著流量的增加，水位壅高值逐漸增大，在設(shè)計(jì)洪水（20 200 m3/s）與校核洪水（27 300 m3/s）時(shí)壩上最大水位壅高值分別為0.63 m、0.99 m，均已超出樞紐泄流能力控制標(biāo)準(zhǔn)，由此可見在設(shè)計(jì)方案工程布置條件下樞紐泄流能力達(dá)不到要求。

由工程后樞紐上游水位壅高值沿程變化可以看出，壩上最大壅水位置出現(xiàn)在樞紐上游約3 km處，不同于一般樞紐最大壅水值位于壩前附近的壅水規(guī)律。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是船閘上游右側(cè)順直長(zhǎng)隔流堤的存在，在其堤頭位置形成了除泄水閘之外的又一水位控制斷面，在其限制作用下，由泄水閘造成的水位壅高值向上傳遞此處后又產(chǎn)生了累積疊加而致。

從各個(gè)閘孔過流能力分布曲線來看（圖3），布置于河道主槽內(nèi)的3號(hào)～29號(hào)閘孔（注：左起為1號(hào)）過流能力明顯高于其他閘孔，布置于最右側(cè)的10個(gè)閘孔（34號(hào)～44號(hào)）以及最左側(cè)2個(gè)閘孔的泄流能力相對(duì)較弱。

圖3 設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)圖Fig.3 Flow field in design scheme

3）泄流能力影響分析

根據(jù)模型觀測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)方案樞紐泄流能力較弱的原因[1-2]：一是各泄水閘孔過流能力分布不均，左右兩側(cè)部分閘孔泄流能力明顯較弱。其中右側(cè)10個(gè)閘孔因布置于低漫灘位置，以及受船閘上游口門區(qū)右側(cè)長(zhǎng)導(dǎo)堤挑流影響和導(dǎo)航墻掩護(hù)作用，閘前水動(dòng)力較弱（圖3），造成閘孔過流能力低下。此外，受廠壩間隔水墻挑流影響，最左側(cè)2個(gè)閘孔前為回流，其泄流能力亦未得到有效發(fā)揮；二是樞紐上游因船閘右側(cè)隔流堤而形成的水位控制斷面，使得壩上水位進(jìn)一步壅高。

2 優(yōu)化方案布置及試驗(yàn)

2.1 優(yōu)化工程措施

通過設(shè)計(jì)方案樞紐泄流能力試驗(yàn)成果綜合分析認(rèn)為，影響因素主要包括船閘上游隔流堤、導(dǎo)航墻、廠壩間隔水墻以及河床地形等多種。因此，優(yōu)化方案工程布置綜合考慮了以上因素，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出了以下優(yōu)化改進(jìn)措施[3-7]（圖4①～⑥）。

1）船閘上游隔流堤向上游延伸1 080 m，布置形式由原設(shè)計(jì)方案的單一直線型調(diào)整為直線（下段）與曲線（上段）相結(jié)合的復(fù)合型；

圖4 優(yōu)化方案工程布置圖Fig.4 Project layout in optimized scheme

2）右側(cè)10孔泄水閘閘前灘地疏挖至47.6 m高程；

3）船閘上游口門區(qū)及連接段右側(cè)隔流堤右移160 m至預(yù)留二線船閘引航道右側(cè)；

4）船閘上、下游導(dǎo)航堤的寬度由86 m縮窄為10 m；

5）廠壩間上游隔水墻長(zhǎng)度由84 m縮短為35 m，且采用墻身開孔的布置形式；

6）樞紐下游高灘的右側(cè)灘唇部位疏浚至46.5 m高程。

2.2 試驗(yàn)成果分析與討論

通過對(duì)樞紐優(yōu)化布置方案進(jìn)行試驗(yàn)，樞紐整體泄流能力大大改善，取得以下主要成果。

1）結(jié)合壩區(qū)河勢(shì)及樞紐布置特點(diǎn)，船閘上游隔流堤適當(dāng)延長(zhǎng)同時(shí)將上段調(diào)整為圓弧形可適應(yīng)洪水期右側(cè)灘地側(cè)向收縮水流的流線方向，消除因堤頭挑流而導(dǎo)致的右側(cè)泄水閘孔閘前水流動(dòng)力較弱的不利因素，提高了閘孔過流能力，上述優(yōu)化措施實(shí)施后，設(shè)計(jì)洪水與校核洪水流量壩上最大水位壅高值降低為0.45 m、0.78 m。

2）樞紐右側(cè)10個(gè)泄水閘孔布置于低漫灘，閘前灘地高程一般在49.0～52.0 m，高出泄水閘堰頂5.0～8.0 m，極大影響了閘孔的引流條件。優(yōu)化方案通過疏挖閘前灘地，改善了相應(yīng)閘孔的引流條件。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在調(diào)整隔流堤布置基礎(chǔ)上繼續(xù)實(shí)施低漫灘疏挖措施實(shí)施后，設(shè)計(jì)洪水與校核洪水流量壩上最大水位壅高值降低為0.33 m、0.65 m。由此可見，優(yōu)化措施工程效果較為明顯，樞紐整體泄流能力增強(qiáng)（圖5）。

圖5 閘孔過流能力分布圖Fig.5 Discharge capacity distribution through each sluice hole

3）由設(shè)計(jì)方案樞紐泄流能力影響分析可知，上游隔流堤堤頭處形成的水位控制斷面也是造成工程后壩上水位壅高較大的另一影響因素。為此，提出了將隔流堤右移以增大堤頭附近河道過水面積，減弱其對(duì)泄水閘上游水位控制的優(yōu)化措施。試驗(yàn)表明，隔流堤右移后，設(shè)計(jì)洪水與校核洪水流量壩上最大水位壅高值分別降低為0.27 m、0.56 m，樞紐泄流能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

4）縮窄船閘導(dǎo)航堤，使其盡量遠(yuǎn)離泄水閘，可減弱其對(duì)泄水閘右側(cè)邊孔的掩護(hù)影響，有利于邊孔過流能力的改善。

5）縮短廠壩間上游隔水墻且采用墻身開孔的布置形式，可減小最左側(cè)2孔泄水閘閘前回流區(qū)的范圍，有利于閘孔有效過流寬度的增加。

6）樞紐下游高灘的右側(cè)灘唇部位疏浚主要為改善中洪水流量船閘下游通航條件而提出，該措施的實(shí)施在改善船閘通航條件的同時(shí)，也有利于泄水閘出流更為順暢，對(duì)于提高洪水期泄水閘的泄流能力起到了積極作用。

7）優(yōu)化方案在上述各優(yōu)化措施的綜合作用下樞紐整體泄流能力提高，設(shè)計(jì)洪水與校核洪水流量壩上最大水位壅高值分別為0.23 m、0.48 m，樞紐泄流能力達(dá)到了控制標(biāo)準(zhǔn)。

8）優(yōu)化方案下樞紐整體泄流能力增強(qiáng)，但是左右兩端部分閘孔受隔導(dǎo)流建筑物掩護(hù)影響過流能力仍然相對(duì)較弱，這也是集中布置的水利樞紐普遍存在的問題。

3 結(jié)語

1）雅口航運(yùn)樞紐工程壩址所處河段存在寬大的邊灘，為防止洪水期邊灘水流橫越船閘上游口門區(qū)，在其外側(cè)設(shè)置隔流堤改善船閘通航條件是必要的，但隔流堤的挑流作用以及形成新的水位控制斷面是造成樞紐整體泄流能力較弱的原因之一。

2）內(nèi)河樞紐各建筑物集中布置時(shí)，泄水閘左右兩端部分閘孔受隔、導(dǎo)流建筑物掩護(hù)影響過流能力相對(duì)較弱是普遍存在的問題，在樞紐布置時(shí)可考慮采用局部開孔的隔水建筑物形式或?qū)?dǎo)流建筑物適當(dāng)遠(yuǎn)離泄水閘，盡量提高邊孔過流能力。

3）內(nèi)河樞紐泄水閘泄流能力除受樞紐建筑物總體布置、泄流閘堰類型、堰頂高程以及隔導(dǎo)流建筑物等影響以外，其上下游附近河床地形也是重要的影響因素，不容忽視。

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Experimental study on shiplock discharge capacity of Yakou hydro-junction in Hanjiang River

LI Jun-tao,YAN Tao，WANG Yan-hua
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

Based on the integrated physical model test with the scale of 1:100 in preliminary design phase,we studied the discharge capacity of Yakou hydro-junction in Hanjiang River in order to demonstrate and optimize the general planning project.In this paper,we described the discharge capacity of hydro-junction under the engineering arrangement in design scheme,and analyzed the existing problems and its influence factors.Aiming at the disadvantages of discharge capacity which exist in the design scheme,we proposed the optimized measures such as adjustment of layout pattern of separation levee at the upstream of the hydro-junction,narrowing the width of ship lock guide wall and the local dredging in the channel bed.The research results may serve as reference for the other similar projects.

Yakou hydro-junction;discharge capacity;model test

U641.32；TV61

A

2095-7874（2017）01-0038-04

10.7640/zggwjs201701008

2016-08-11

2016-11-01

李君濤（1983— ），男，河北衡水人，高級(jí)工程師，主要從事通航及航道工程研究。E-mail：lijuntao2005@163.com