排樁整流技術(shù)在大藤峽水利樞紐中的應(yīng)用

朱衛(wèi)國，王 斌

(1. 廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究有限公司， 南寧 530029；2.珠江水利科學(xué)研究院， 廣州 510611)

排樁整流技術(shù)在大藤峽水利樞紐中的應(yīng)用

朱衛(wèi)國1，王 斌2

(1. 廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究有限公司， 南寧 530029；2.珠江水利科學(xué)研究院， 廣州 510611)

基于物理模型試驗(yàn)，研究了大藤峽水利樞紐上下游口門區(qū)滿足通航水流條件，并首次將排樁整流技術(shù)運(yùn)用于改善引航道上下游口門區(qū)流態(tài)當(dāng)中，提出了改善口門區(qū)流態(tài)的排樁方案，試驗(yàn)結(jié)果表明，排樁整流技術(shù)可成功的改善引航道上下游口門區(qū)流態(tài)的同時，還能夠節(jié)省工期、降低造價。

排樁；大藤峽水利樞紐；口門區(qū)；回流流速；橫向流速

目前改善口門區(qū)流速、流態(tài)的改善措施主要包括導(dǎo)航墻(堤身開孔、優(yōu)化堤頭形式)[1]、導(dǎo)流墩、浮式導(dǎo)流堤、丁壩、潛壩以及浚深和拓寬過流斷面等，其中導(dǎo)航墻、隔流墻和導(dǎo)流墩是目前應(yīng)用最多的整流措施，通過單獨(dú)或組合使用這些技術(shù)基本能夠滿足工程口門區(qū)對水流條件的要求，但都有一定的局限性(如開孔導(dǎo)航墻若開孔角度過大將出現(xiàn)長條形泡水；浮式導(dǎo)流堤的連接形式和水流沖擊力等問題)[2]，且以往的改善措施的施工方法都是類似的，都需在圍堰的圍護(hù)下對地基進(jìn)行處理，然后進(jìn)行基坑內(nèi)施工作業(yè)，其施工過程復(fù)雜、工期長、造價高。

排樁在國內(nèi)外主要以透水丁壩的形式進(jìn)行運(yùn)用[3-5]，主要應(yīng)用于在河道岸線整治、航道整治[6]或海岸線保護(hù)工程中，如河流上建立的排樁[7-8]，用以增加排樁下游泥沙淤積，從而減少水流對河道凹岸的沖刷。國外主要將運(yùn)用在保護(hù)海岸線工程當(dāng)中，用于減少波浪和海流對海岸線的沖刷，如圖1所示荷蘭澤蘭省[9-10]用于海灘的排樁。

圖1 荷蘭澤蘭省沙灘上的排樁Fig.1 Pillars placed on the beach(Zeeland, the Netherlands)

本文首次將排樁整流技術(shù)運(yùn)用于航道治理當(dāng)中，運(yùn)用排樁阻流、降低流速的原理，改善航道水流流態(tài)，從而使得航道水流滿足規(guī)范及船舶安全運(yùn)行的要求。

1 排樁整流機(jī)理

排樁是由多個單樁組合排列組成，當(dāng)水流流經(jīng)排樁時，排樁的阻力作用使得上游水位升高，進(jìn)而造成上下游的水位差△Z，同時樁柱間歇可使部分水流在降低流速后流向下游，而多余的水流則導(dǎo)流至排樁兩側(cè)，從而達(dá)到降低排樁下游流量和流速的目的。前蘇聯(lián)C.B.依茲巴斯(許念曾著《河道水力學(xué)》)通過對單排支柱的初步研究，分析了排樁水位差及下游水流單寬流量q的關(guān)系，排樁下游單寬流量公式如下

(1)

2 工程應(yīng)用

圖2 排樁相關(guān)參數(shù)示意圖Fig.2 Sketch of row pile related parameters

2.1大藤峽水利樞紐概述

大藤峽水利樞紐是一座以防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。根大藤峽船閘按3 000噸級單級船閘設(shè)計(jì)，級別為Ⅰ級。大藤峽樞紐受布置空間限制，上游引航道口門區(qū)布置于彎道峽口末端的左岸灘地上，受峽口出口擴(kuò)散水流及彎道水流的共同作用，水流與口門區(qū)中心線形成較大的夾角；從泄水閘至下游引航道口門區(qū)，水流主流呈“S”形走向，并以一定交角進(jìn)入下游口門區(qū)，導(dǎo)致船閘上下游引航道口門區(qū)的天然水流條件較差。

2.2排樁整流技術(shù)在上游口門區(qū)的應(yīng)用[11]

2.2.1 上游口門區(qū)原方案

圖3 上游引航道口門區(qū)可研階段設(shè)計(jì)方案平面布置Fig.3 Plane layout of the upstream approach channel in design scheme

大藤峽樞紐上游河道為彎曲河道，且彎曲河道凹岸的主流直沖口門區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入口門區(qū)流量、流速較大，是口門區(qū)縱向及橫向流速超標(biāo)。原設(shè)計(jì)方案為了改善口門區(qū)內(nèi)的水流流態(tài)，在口門區(qū)河道側(cè)設(shè)一道長485.0 m、頂高程為47.0 m的隔流堤；同時為防止河床質(zhì)泥沙進(jìn)入到口門區(qū)及引航道內(nèi)，在口門區(qū)上游設(shè)置一道攔砂坎與隔流堤相連，攔砂坎頂高程為39.2 m(與上游引航道及口門區(qū)底高程相同)，原設(shè)計(jì)方案上游引航道及口門區(qū)布置如圖3所示。

在5 a和10 a一遇洪水情況下，原設(shè)計(jì)方案口門區(qū)水流流態(tài)圖如圖4、5所示，方案設(shè)置的隔流堤使上游來流提前折轉(zhuǎn)進(jìn)入主河槽，上游口門區(qū)中心線與水流流向夾角在10°～20°之間；上游來流在慣性力以及隔流堤導(dǎo)流作用下，部分水流沿著隔流堤進(jìn)入引航道內(nèi)，并在引航道前端形成逆時針的回流區(qū)，回流區(qū)域內(nèi)回流流速超標(biāo)；同時在引航道內(nèi)形成往復(fù)流，試驗(yàn)測得的引航道內(nèi)水面波動幅度可達(dá)1.0 m，往復(fù)流的存在將影響船舶的正常停泊。

2.2.2 上游口門區(qū)排樁方案

圖4 原方案口門區(qū)水流流態(tài)(Q20%=30600m3∕s)Fig.4Flowconditionattheentranceareainoriginalscheme(Q20%=30600m3∕s)圖5 原方案上游口門區(qū)水流流態(tài)(Q10%=35200m3∕s)Fig.5Flowconditionatupstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

通過分析上游口門區(qū)的水流發(fā)現(xiàn)，由于大藤峽通航流量大，且口門區(qū)位于左岸主流區(qū)，使得口門區(qū)的進(jìn)水流量Q進(jìn)非常大，口門區(qū)入流及出流示意圖如圖6所示，優(yōu)化方案須首先考慮減小口門區(qū)的進(jìn)水流量Q進(jìn)，對右側(cè)對船閘上游口門區(qū)、連接段航道的右側(cè)，及口門區(qū)上游附近低于38.2 m的河床回填，并回填至38.2 m高程，是個一石二鳥的辦法：回填口門區(qū)上游河床能夠阻擋底部水流進(jìn)入口門區(qū)，減少進(jìn)入口門區(qū)流量；回填口門區(qū)、連接段右側(cè)，使得口門區(qū)右側(cè)的整體阻力均勻，從而調(diào)整流量分配、使水流從口門區(qū)右側(cè)均勻泄出，與此同時，大藤峽施工過程形成的大量棄渣得以部分解決。

其次，進(jìn)入口門區(qū)的水流在慣性作用下沿口門區(qū)運(yùn)動，流至分流口附近時才側(cè)向集中橫向出流，導(dǎo)致橫向流速超標(biāo)，調(diào)整，排樁可通過其樁柱阻水作用，抬升口門區(qū)水位，從而降低口門區(qū)上下游水位差，同時使部分水流從排樁間隙通過，令口門區(qū)流出水流沿口門長度方向側(cè)向均勻出流，將橫向集中出流轉(zhuǎn)化為均勻分散出流，從而降低口門區(qū)橫向流速。

圖6 口門區(qū)入流及出流示意圖Fig.6Sketchofflowdirectionattheentrancearea圖7 排樁方案上游口門區(qū)平面布置圖Fig.7Planelayoutoftheupstreamentranceareaafterpiling

具體排樁優(yōu)化方案：(1)彎道弧度由29°調(diào)整至23°，半徑調(diào)整為1 479.2 m，并以179 m的直線段與口門區(qū)相連；口門區(qū)與上游主航道以半徑910 m、弧度23°的彎段連接；(2)將上游口門區(qū)左側(cè)灘地與口門區(qū)邊線保持10 m寬度；上游口門區(qū)右側(cè)灘地開挖至41.5 m高程，灘地與口門區(qū)邊線保持30 m寬度；(3)在上游口門區(qū)右側(cè)開挖灘地上加設(shè)排樁，樁徑為3.3 m，樁頂高程為46.0 m，其中，航上1+467～航上1+595樁間距為6.6 m，航上1+595～航上1+780樁間距為3.3 m；(4)將上游口門區(qū)連接段河道及灘地進(jìn)行回填，回填范圍至航上2+592斷面，回填高程至38.2 m；(5)將上游口門區(qū)連接段與南木江副壩之間河床回填至38.2 m高程。排樁方案的平面布置圖如圖7所示。

圖8 排樁方案上游口門區(qū)水流流態(tài)(Q10%=35200m3∕s)Fig.8Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖9 排樁方案上游口門區(qū)水流流態(tài)(Q20%=30600m3)Fig.9Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3)

實(shí)施排樁優(yōu)化方案后，各試驗(yàn)工況下上游口門區(qū)流態(tài)分布圖如圖8、圖9所示，流速分布圖如圖10、圖11所示。在遭遇10 a一遇洪水時，上游口門區(qū)縱向流速在2.0 ms以內(nèi)，橫向流速基本在0.30 ms以內(nèi)(航上1+719、航上1+605、航上1+491斷面最外側(cè)橫向流速大于0.3 ms，最大橫向流速為0.38 ms)，口門區(qū)內(nèi)無回流存在，上游口門區(qū)水流條件基本滿足最大通航流量通航要求。上游口門區(qū)連接段縱向流速基本都在2.5 ms以內(nèi)，只有2+266斷面連接段外側(cè)邊線出現(xiàn)縱向流速超標(biāo)現(xiàn)象(最大縱向流速為2.60 ms)，無橫向流速，上游口門區(qū)連接段水流條件滿足船舶通航要求。

可見，排樁優(yōu)化方案相對于設(shè)計(jì)原方案，可有效減小口門區(qū)橫向流速及回流流速，使上游口門區(qū)連接段水流條件滿足船舶通航要求。

2.3排樁整流技術(shù)在下游口門區(qū)的應(yīng)用

2.3.1 下游口門區(qū)原方案

圖10 排樁方案上游口門區(qū)流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.10Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖11 排樁方案上游口門區(qū)流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.11Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

大藤峽水利樞紐壩軸線下游為“S”型彎曲河段，河道先向右彎，然后向左彎，設(shè)計(jì)方案的下游引航道口門區(qū)位于左彎河道的凹岸。過閘水流受河勢影響，主流先傾向于貼近右側(cè)凹岸流動，然后受右側(cè)凸岸的挑流作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，開始偏向左側(cè)凹岸流動，故下游引航道口門區(qū)處于主流頂沖區(qū)。

設(shè)計(jì)方案采用“防護(hù)+擴(kuò)挖”的措施來改善口門區(qū)的水流條件：隔流堤末端接長約460 m的直立導(dǎo)航墻和長約90 m、外挑37°的透水式導(dǎo)墻，直立導(dǎo)航墻可阻擋主流頂沖，外挑透水式導(dǎo)墻一方面可以將主流挑向河中避開口門區(qū)，一方面可以經(jīng)由底部透水孔向口門區(qū)補(bǔ)水消除回流；因部分導(dǎo)墻伸向河中占用河道過流斷面，從而壓縮主流，因此右側(cè)凸岸進(jìn)行了較大面積的擴(kuò)挖，以此增加該河段的過流斷面，減少設(shè)置導(dǎo)墻帶來的不利影響，原設(shè)計(jì)方案如圖12所示。

圖12 下游引航道口門區(qū)原方案平面布置Fig.12Planelayoutofthedownstreamapproachchannelinoriginalscheme圖13 原方案下游口門區(qū)水流流態(tài)(Q10%=35200m3∕s)Fig.13Flowconditionatdownstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

最大通航流量條件下，設(shè)計(jì)方案下游引航道口門區(qū)及附近水域的流態(tài)見圖13所示，由照片可見，口門區(qū)水域在導(dǎo)航墻的防護(hù)下，大部門區(qū)域的水流條件較好；近左岸主流在外挑導(dǎo)墻作用下流向偏轉(zhuǎn)幅度較大，下泄過程中主流左右擺動，在其帶動下口門區(qū)中下段(照片中藍(lán)色框區(qū)域)及其下游的航道過渡段(照片中綠色框區(qū)域)形成兩個較大范圍的回流，橫向流速及回流值均超出規(guī)范要求，不能滿足通航需求。

2.3.2 下游口門區(qū)優(yōu)化方案

通過分析大藤峽下游口門區(qū)水流條件發(fā)現(xiàn)：下游口門區(qū)位于左岸凸岸河段與凹岸河段的過渡位置，航道過渡段位于口門區(qū)下游的凹岸河段，彎道水流作用使得左側(cè)凸岸下游沿岸形成較大范圍的回流，主流繞過回流區(qū)擺動至凹岸流動時又使得航道過渡段縱向流速較大?？稍诳陂T區(qū)邊界處設(shè)置排樁，運(yùn)用排樁降低下游流速的原理，將部分水流重新挑回主河槽，同時使剩下的低流速水流從排樁間隙進(jìn)入口門區(qū)，從而降低橫向流速。另一方面進(jìn)入口門區(qū)的流速還會繼續(xù)向下游輸移，從而抵消部分口門區(qū)回流。

具體的優(yōu)化方案如下：(1)調(diào)整左廠房尾水渠出口左側(cè)岸坡開挖線，使左廠房尾水和靠近左側(cè)的閘孔出流能夠平順匯入主河槽，減少主流擺動。(2)將口門區(qū)對側(cè)岸坡的擴(kuò)挖范圍進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化擴(kuò)挖方案將岸線擴(kuò)挖起始位置上移約280 m岸坡平順連接。(3)取消原設(shè)計(jì)的長導(dǎo)墻，沿隔流堤末端至原外挑導(dǎo)墻位置沿程布置排樁。共8排，每排排樁設(shè)有10個樁柱，單樁直徑2.0 m，樁與樁之間間距2.0 m，樁頂高程為42 m。調(diào)整后下游口門區(qū)布置如圖14所示。

圖14 排樁方案下游口門區(qū)布置圖Fig.14 Plane layout of the downstream entrance area after piling

圖15 排樁方案下游口門區(qū)流態(tài)(Q20%=30600m3∕s)Fig.15Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)圖16 排樁方案下游口門區(qū)流態(tài)(Q10%=35200m3∕s)Fig.16Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)

10 a、5 a一遇最大通航流量條件下水流流態(tài)如圖15、16所示，流速分布圖如圖17、18所示。由圖可知，口門區(qū)大部分為為靜水區(qū)，航道過渡段的上游段為低流速區(qū)，河道主流擴(kuò)散匯入下游段航道過渡段的角度較小，流線較為順直；口門區(qū)范圍測點(diǎn)流速均滿足規(guī)范要求，未出現(xiàn)回流或橫向流速超標(biāo)情況。航道連接段內(nèi)右側(cè)靠近主流的航槽測點(diǎn)縱向流速較大，此時可選擇左側(cè)航槽及近岸的低流速區(qū)作為通航區(qū)域，水流條件可滿足通航要求。

為保證船舶通航安全，在保證上下游口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求后，還進(jìn)行了自航船模試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明：在Q≦25 500 m3s流量時，樞紐運(yùn)行期下游航道通航條件滿足1+2×2 000 t船隊(duì)的通航要求；在Q≦35 200 m3s流量時，下游航道通航條件滿足3 000 t機(jī)動貨船的通航要求。1+2×2 000 t船隊(duì)上行進(jìn)閘的最小航速均小于3 000 t機(jī)動貨船；上行進(jìn)閘和出閘下行的最大舵角均大于3 000 t機(jī)動貨船，總體來看1+2×2 000 t船隊(duì)的通航難度大于3 000 t機(jī)動貨船。

圖17 排樁方案下游口門區(qū)流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.17Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖18 排樁方案下游口門區(qū)流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.18Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

3 結(jié)語

結(jié)合大藤峽水利樞紐物理模型試驗(yàn)，首次將排樁整流技術(shù)運(yùn)用于改善引航道上下游口門區(qū)流態(tài)當(dāng)中，并提出了具體的排樁優(yōu)化方案，試驗(yàn)結(jié)果證明，排樁整流技術(shù)可成功的改善引航道上下游口門區(qū)流態(tài)。排樁整流結(jié)合快速發(fā)展的水下施工技術(shù)，由于其無需圍堰、工期短、造價低，將會有更多的應(yīng)用價值。

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Application of pile-rectifying technology in Datengxia water conservancy hub

ZHUWei-guo1,WANGBin2

(1.GuangxiCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstitute,Nanning530029,China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute(PRHRT),Guangzhou510611,China)

Based on physical model test, the upstream and downstream entrance areas of Datengxia water conservancy project are satisfied to meet the navigable flow conditions, the pile-rectification technology was applied for the first time to improve the flow pattern of the upstream and downstream entrance area of the approach channel, and the scheme of improving the flow pattern of the entrance area was proposed. The test results show that the pile-rectifying technology is a applicable method to improve the upstream and downstream flow of entrance area. At the same time, it also saves time and reduces costs.

row pile; Datengxia water conservancy hub; entrance area; reflux flow rate; horizontal flow rate

2017-03-10；

2017-05-05

朱衛(wèi)國(1978-)，男，河南開封人，高級工程師，主要從事水利工程、港口與航道工程設(shè)計(jì)工作。

Biography：ZHU Wei-guo(1978-),male,senior engineer.

U 641.9

A

1005-8443(2017)05-0495-06