沙溪口水電站下游通航明渠布置原則研究

張 明,王義安,鄭 偉

(1.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; 2.福建省港航勘察設(shè)計(jì)研究院，福州 350002)

樞紐下游水位下降或是樞紐回水不銜接已成為制約航道等級(jí)提升的重要因素[1-2]。受船閘下游設(shè)計(jì)最低通航水位及航道水深等條件的約束，一般需控制水位下降甚至雍高近壩段水位，采用丁壩、潛壩等工程措施來(lái)壅高水位是目前較常見(jiàn)的整治方式[3-6]，明渠多用于圍堰施工導(dǎo)流期通航[7-10]，作為雍水建筑物的研究相對(duì)較少。

作為一類(lèi)特殊的限制性航道，明渠布置型式對(duì)航道流速、水位、水深等通航水流條件具有重要影響，為滿(mǎn)足明渠安全通航的要求，通過(guò)優(yōu)化明渠布置型式來(lái)獲得較好的通航水流條件就顯得十分必要。本文以沙溪口水電站壩下航道整治工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算分析后[11]，提出了明渠作為雍水措施的實(shí)用條件及布置原則，成果可為方案優(yōu)化提供依據(jù)、為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 河段概況

沙溪口水電站于1983年開(kāi)工建設(shè)，1987年首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，電站在右岸安裝4臺(tái)機(jī)組，單機(jī)最大過(guò)流量525 m3/s，左岸布置了單線一級(jí)300 t級(jí)船閘，尺度為130 m×12 m×2.5 m(長(zhǎng)×寬×水深)，船閘門(mén)檻底高程61.3 m，船閘下游設(shè)計(jì)最低通航水位63.8 m。電站建成運(yùn)行后，由于壩下河床沖刷等原因，近年來(lái)，90%保證率的水位約為63.3 m，下降約0.5 m，原設(shè)計(jì)最低通航水位63.8 m對(duì)應(yīng)的保證率僅約50%。

沙溪口水電站屬?gòu)搅魇剿娬?，日均入?kù)流量與出庫(kù)流量基本持平，2012～2014年90%保證率的流量約為265 m3/s。中枯水期，當(dāng)電站關(guān)閘蓄水時(shí)，下游河底出露，無(wú)水可航。

該河段河床以石質(zhì)為主，石灘、巖礁分布廣泛、部分河段礁石林立、石梁橫亙，影響船舶航行。在寬淺河段則有河漫灘及江心洲分布，河床以砂卵(礫)石為主。

2 灘險(xiǎn)礙航特性分析

沙溪口水電站為閩江下游第二級(jí)樞紐，距離閩江水口水電站約108 km。沙溪口水電站至下游南平延福門(mén)河段長(zhǎng)約13.5 km，位于水口水庫(kù)的變動(dòng)回水區(qū)，下段西芹鎮(zhèn)至延福門(mén)10 km河段河床較低，水深條件較好，上段西芹鎮(zhèn)至沙溪口船閘3.5 km河段枯水河槽彎窄(圖1)、水淺流急、流態(tài)紊亂，通航條件較差。在船閘口門(mén)區(qū)，受鯉魚(yú)洲洲頭及鯉魚(yú)洲左側(cè)邊灘影響，電站泄流以大角度入?yún)R左側(cè)航道，斜流較大。沙溪口電站施工橋位于船閘下游600 m處，距離鯉魚(yú)洲邊灘尾部約100 m，該橋通航孔寬49 m。受鯉魚(yú)洲邊灘擠壓，橋區(qū)坡陡流急，沙溪口電站泄流Q=1 800 m3/s、延福門(mén)水位低于61.7m時(shí)，局部最大比降超過(guò)5‰，最大流速超過(guò)3 m/s。

沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位低于61 m時(shí)，近壩段基本不受水口水庫(kù)回水影響(圖2)，當(dāng)延福門(mén)水位上升至63 m時(shí)，可回水至沙溪口壩下。在沙溪口電站下泄流量為設(shè)計(jì)流量Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，壩下3 km河段比降普遍超過(guò)1‰，沙溪口船閘下閘首水位僅63.07 m，比設(shè)計(jì)水位低0.73 m，近壩段航道水深一般僅0.3～0.8 m，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了該航段的暢通。

圖1 沙溪口水電站下游近壩段河勢(shì)圖Fig.1 Sketch of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction圖2 沙溪口樞紐下游近壩段水面線變化圖Fig.2 Water surface profile of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction

3 整治方案概況

3.1 整治標(biāo)準(zhǔn)

沙溪航道從南平延福門(mén)至三明臺(tái)江作業(yè)區(qū)全長(zhǎng)97 km，為內(nèi)河V級(jí)航道，通航300 t級(jí)閩江干流標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸船舶，兼顧500 t級(jí)閩江干流標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸船舶通航要求。設(shè)計(jì)船型為閩江干貨-Ⅰ、閩江干貨-Ⅱ、閩江集-Ⅰ，船型最大長(zhǎng)度約55 m，最大寬度約10.3 m，滿(mǎn)載吃水1.6～1.9 m。

沙溪口船閘下游設(shè)計(jì)最大通航流量Q=3 000 m3/s，設(shè)計(jì)最小通航流量Q=265 m3/s，延福門(mén)水文站設(shè)計(jì)最低通航水位57 m，沙溪航道設(shè)計(jì)水深2.1 m。

3.2 整治方案

沙溪口壩下航道主要采取修建雍水壩與通航明渠，拋筑丁、順壩相結(jié)合的方式來(lái)提高壩下水位和改善流態(tài)，先后進(jìn)行了多個(gè)方案的計(jì)算比選，代表性方案有4個(gè)(圖3)，其共同點(diǎn)為：均在鯉魚(yú)洲右汊修建鎖壩一條，鎖壩高程63.8 m；明渠兩側(cè)渠壁高2 m，明渠頂寬100 m，其中航道寬55 m，左側(cè)邊坡1:20，右側(cè)邊坡1:2.5；沙溪口施工橋附近，受通航孔寬度限制，航道寬40 m。各方案不同點(diǎn)為：方案一、方案二、方案三、方案四的明渠長(zhǎng)分別為697 m、847 m、1 660 m、1 972 m，方案一在明渠出口右側(cè)布置了船舶停泊區(qū)，面積約3.3萬(wàn)m2，疏挖深度一般2～3 m，其他方案均取消了停泊區(qū)；方案一、方案二在明渠中部修建丁壩一條，方案三在明渠中部修建丁壩兩條、在沙溪口施工橋附近修建丁壩一條，方案四在明渠兩側(cè)沒(méi)有布置丁壩；方案一、方案二對(duì)明渠出口下游的彎道段進(jìn)行了加寬，加寬段航道寬75 m，下游其他航道寬50 m，方案三、方案四明渠下游航道寬均為50 m。

3-a 方案一 3-b 方案二 3-c 方案三 3-d 方案四圖3 沙溪口水電站下游近壩段代表性整治方案Fig.3 Representative regulation schemes of waterway downstream the Shaxikou hydro-junction

4 明渠型式對(duì)水流特性影響分析

4.1 邊坡處理方式影響

在明渠頂寬100 m、渠高2 m時(shí)，左側(cè)邊坡寬度40 m，占明渠寬度的40%，當(dāng)水面與渠頂齊平時(shí)，左側(cè)邊坡的過(guò)流面積占明渠規(guī)則斷面的25.8%，左側(cè)邊坡的處理方式對(duì)航道分流量有較大影響，從而影響明渠內(nèi)水流特性。方案一、方案二、方案三考慮了三種邊坡處理方式，分別為高點(diǎn)保留同時(shí)低點(diǎn)填平(圖4-a)、平坡為規(guī)則邊坡(圖4-b)、清除高點(diǎn)同時(shí)保留低點(diǎn)(圖4-c)，從計(jì)算結(jié)果看，第一種方式，在左邊坡有較明顯凸起時(shí)，水流將向航道擠壓，局部流速和比降都將增大，航道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)流速過(guò)大的現(xiàn)象，如方案一條件下，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門(mén)水位61.76 m時(shí)，最大流速超過(guò)3.5 m/s；第三種方式，在左邊坡明顯低洼處，邊坡分流量增多，局部流速和比降都將減小，明渠雍水能力得不到充分發(fā)揮，如方案三條件下，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，渠首水位雍高0.46 m，比方案一、方案二低0.49 m、0.29 m；第二種方式，一般除進(jìn)出口外，航道內(nèi)流速和比降較為均勻。

圖4 明渠左側(cè)邊坡處理方式示意圖Fig.4 The schematic diagrams for left slope treatment of open channel

邊坡處理方式影響明渠雍水能力和渠首水位，對(duì)明渠進(jìn)口流速也有一定影響。沙溪口電站下泄流量Q=1 000 m3/s、延福門(mén)為中線水位61.76 m時(shí)，方案一、方案二、方案三明渠進(jìn)口最大流速分別為2.41 m/s、2.48 m/s、2.58 m/s，明渠進(jìn)口最大流速與雍水能力呈反相關(guān)變化趨勢(shì)。

4.2 出口型式影響

明渠出口因水流擴(kuò)散，一般會(huì)出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，渠尾下游航道疏挖引起的水位下降通常也會(huì)加劇出口水位下跌，從而引起航道水深不足。方案一、方案二明渠出口下游轉(zhuǎn)彎段加寬后的航道寬75 m，且方案一在明渠出口右側(cè)設(shè)置了停泊區(qū)，停泊區(qū)疏挖一般2～3 m，方案三不僅取消了停泊區(qū)，明渠下游航道寬均為50 m。沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，方案一、方案二、方案三水位最大下降0.69 m、0.31 m、0.15 m，航道最小水深0.82 m、1.25 m、1.67 m。

因明渠出口兩側(cè)擋墻不對(duì)稱(chēng)及出口水位下跌，方案一水流出明渠后迅速擴(kuò)散，出口流速較大，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門(mén)水位61.76 m時(shí)，方案一明渠出口最大流速超過(guò)3 m/s(圖5-a)；方案三明渠出口采用對(duì)稱(chēng)型式，渠尾下延至深槽，轉(zhuǎn)彎段航道寬度由75 m縮窄至50 m，明渠出口跌水明顯減弱，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門(mén)水位61.76 m時(shí)，明渠出口流速也下降至約2 m/s(圖5-b)。

4.3 外接丁壩影響

一般認(rèn)為在明渠渠頂淹沒(méi)后，受向明渠內(nèi)的翻壩水流影響而容易產(chǎn)生滑梁水。為防止滑梁水影響，方案一、方案二、方案三均在明渠右側(cè)中部布置了丁壩，但實(shí)際上，因丁壩雍水影響，不僅導(dǎo)致上下游較大的水位差，丁壩上游雍高的水流還會(huì)形成向明渠內(nèi)的翻壩水流，形成或增強(qiáng)滑梁水。以方案三計(jì)算結(jié)果看，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門(mén)水位61.76 m時(shí)，受明渠右側(cè)兩條外接丁壩影響，丁壩附近明渠內(nèi)縱向與橫向流速均明顯大于上下游河段，在去掉丁壩后，明渠內(nèi)縱向與橫向流速減小，從采用規(guī)則邊坡、無(wú)外接丁壩的方案四來(lái)看，各級(jí)流量下，鯉魚(yú)洲洲尾下游明渠內(nèi)的滑梁水現(xiàn)象并不明顯。

4.4 明渠尺度影響

明渠長(zhǎng)度與寬度對(duì)雍水能力有一定影響，一般情況下，明渠渠首上延后，明渠雍水能力相應(yīng)增強(qiáng)，但若上延長(zhǎng)度不大時(shí)，其影響有時(shí)并不明顯。如方案二、方案三渠首比方案一分別上延150 m、190 m，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，方案三渠首位置，方案一、方案二、方案三的水位壅高分別為0.95 m、0.75 m、0.46 m，渠首上延并沒(méi)有導(dǎo)致渠首水位的明顯上升，這主要是因明渠邊坡處理方式影響所致；方案四渠首比方案二上延560 m后，從鯉魚(yú)洲洲頭水位來(lái)看，方案一、方案二、方案三、方案四分別為63.74 m、63.68 m、63.66 m、63.91 m，方案四明渠上延所引起的水位壅高較為明顯。

隨著明渠寬度縮窄，明渠雍水能力也進(jìn)一步增強(qiáng)。從方案四來(lái)看，明渠頂寬100 m時(shí)，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，船閘下閘首水位63.95 m，航道最小水深1.91 m，在移動(dòng)左側(cè)擋墻以縮窄明渠時(shí)，頂寬每縮窄10 m時(shí)，船閘下閘首水位上升約0.04 m，航道最小水深增加約0.04 m，至明渠頂寬70 m時(shí)，船閘下閘首水位64.07 m，航道最小水深2.05 m。不同明渠寬度條件下，航道流速差別不大。小流量時(shí)，隨著寬度增大，明渠過(guò)水面積增加，流速有所下降，但在大流量時(shí)，由于水流溢出，以及各寬度系列下明渠斷面變化影響較小，明渠內(nèi)流速相差不大。

5 明渠布置原則探討

(1)明渠距離雍水目標(biāo)區(qū)域不宜太遠(yuǎn)，且一般適用于枯水河寬可縮窄河段。在作為雍水整治建筑物時(shí)，明渠雍水能力及實(shí)用條件是必須要考慮的因素。因明渠雍水主要是通過(guò)束窄枯水河床過(guò)流斷面來(lái)抬高水位，因此，整治條件下河寬能否束窄以及束窄的過(guò)流斷面面積直接關(guān)系到雍水效果。鯉魚(yú)洲右汊建設(shè)鎖壩后，實(shí)際上相當(dāng)于壓縮了右汊過(guò)流斷面面積，左汊航道內(nèi)過(guò)流量增加，左汊水位得以抬升。明渠本身對(duì)枯水過(guò)流面積也具有一定束窄作用，其雍水效果與明渠長(zhǎng)度、寬度、邊坡處理方式等有關(guān)，總體來(lái)看，航道分流量越多，雍水效果越好，但在向上游傳遞時(shí)，隨著距離增加明渠雍水效果逐漸減弱。沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門(mén)水位57 m時(shí)，方案一、方案二、方案三的船閘下閘首水位分別為63.79 m、63.75 m、63.71 m，而在僅建鎖壩而無(wú)其它工程時(shí)，船閘下閘首水位63.77 m，與上述方案相差不大，可見(jiàn)，各方案船閘下閘首水位壅高主要是由右汊鎖壩建設(shè)后、左汊分流量增加引起的，明渠僅抑制了由于航道開(kāi)挖所引起的水位下降，對(duì)于船閘下閘首水位的雍高影響有限。方案四將渠首進(jìn)一步上延后，渠首距離下引航道隔流堤堤頭約280 m，船閘下閘首水位可雍高至63.95 m，可見(jiàn)，明渠作為雍水整治建筑物時(shí)，為保證雍水效果，距離雍水目標(biāo)區(qū)域不易太遠(yuǎn)。

(2)明渠應(yīng)沿主流方向布置，明渠內(nèi)外地形應(yīng)有利于水流的平順。在明渠作為一類(lèi)特殊的限制性航道時(shí)，應(yīng)注意明渠內(nèi)外側(cè)水流對(duì)航道的影響。當(dāng)明渠邊坡較寬時(shí)，要注意邊坡型式可能的影響，尤其注意因邊坡凸凹引起水流的突擴(kuò)和突縮，從而造成流速增大或是水位下跌，為保持較好的航道水流條件，明渠內(nèi)側(cè)地形應(yīng)有利于水流的平順。

為減輕明渠外側(cè)翻壩水流對(duì)明渠內(nèi)航道的影響，應(yīng)盡可能保持明渠外水流平順，主要應(yīng)注意三個(gè)方面的問(wèn)題，一是明渠軸線應(yīng)沿主流方向布置；二是在明渠外側(cè)應(yīng)慎用丁壩，因丁壩的雍水作用，丁壩上游水位升高后，將增強(qiáng)甚至產(chǎn)生滑梁水；三是應(yīng)注意明渠外側(cè)束窄段對(duì)明渠內(nèi)側(cè)水流的影響，為保持明渠外側(cè)水流平順，必要時(shí)應(yīng)對(duì)束窄段進(jìn)行拓寬。

(3)明渠出口應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)型式，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏。因水流擴(kuò)散，明渠出口極易產(chǎn)生跌水，從而造成航道水位陡降、流速增大、水深不足等問(wèn)題，為減小跌水影響，明渠出口擋墻應(yīng)對(duì)稱(chēng)布置，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏，若一側(cè)地形過(guò)低，將會(huì)增強(qiáng)出口水流的擴(kuò)散，跌水將會(huì)增強(qiáng)，因此，明渠出口處不宜布置停泊區(qū)；當(dāng)兩側(cè)地形過(guò)高時(shí)，中洪水流量下，明渠兩側(cè)水流在明渠出口處與明渠內(nèi)水流交匯，極易形成剪刀水。

6 結(jié)論

本文從技術(shù)角度研究了明渠布置型式對(duì)水流特性的影響，并探討了雍水整治條件下的明渠平面布置原則，主要結(jié)論如下：

(1)明渠尺度、邊坡處理方式，出口型式、外接丁壩等布置型式對(duì)明渠內(nèi)航道的水流特性均有一定影響，在作為雍水整治建筑物時(shí)，明渠布置主要原則有：距離雍水目標(biāo)區(qū)域不宜太遠(yuǎn)，且一般適用于枯水河寬可縮窄河段；應(yīng)沿主流方向布置，明渠內(nèi)外地形應(yīng)有利于水流的平順；出口應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)型式，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏。

(2)通過(guò)合理布置明渠和對(duì)明渠附近河槽形態(tài)進(jìn)行整治，可以避免和消除明渠內(nèi)跌水、滑梁水、剪刀水等不良水流流態(tài)，獲得滿(mǎn)足船舶安全航行所需要的水流條件，以較小經(jīng)濟(jì)代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河船閘下游近壩段水位下降的治理。但仍需要關(guān)注航道疏挖及跌水等引起的航道水深不足問(wèn)題。

(3)長(zhǎng)距離明渠是一類(lèi)特殊的限制性航道，其通航問(wèn)題不僅涉及到水流條件，還涉及到駕駛習(xí)慣，需要注意船舶的通航安全問(wèn)題。此外，沙溪口船閘下游口門(mén)區(qū)通航水流條件問(wèn)題也仍需要進(jìn)一步研究論證。