福建閩江水口壩下樞紐通航技術(shù)模型試驗研究

姚 實，扈曉雯

(中國電建華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水口水電站位于福建閩江干流中游，上游距南平市94 km，下游距閩清縣14 km，距福建省省會福州市84 km。水口水電站是以發(fā)電為主，兼有航運、過木等綜合利用的大型水利樞紐工程，主要建筑包括左岸電站、泄洪建筑物、以及右岸的通航建筑物三級船閘+垂直升船機，于1996年建成。發(fā)電正常蓄水位65 m，電站裝機容量1 400 MW，多年平均發(fā)電量49.5億kW·h，通航建筑物年過壩量400萬t，年竹木過壩量250萬m3[1]水口水電站建成后，蓄水?dāng)r砂，清水下泄，以及下游河道大規(guī)模無序采砂活動導(dǎo)致河床下切水位下降，基荷流量308 m3/s時、下游最低通航水位由原設(shè)計水位7.64 m降至3.5 m，而這種現(xiàn)象仍在繼續(xù)惡化，通航建筑物門檻水深不足船舶過壩不暢，每年實際過閘貨運量僅110萬t左右，約為設(shè)計通過能力400萬t的25%，急需采取工程措施，壅高下游河床航道水位；以恢復(fù)水口船閘的通過能力，提高閩江通海航道的通航等級，促進閩江運輸業(yè)發(fā)展[2-5]。

雍高船閘下游通航水位的方法有潛壩整治方案、明渠及溢流壩方案、船閘改造方案、船閘加中間渠道方案、樞紐工程方案等，根據(jù)JTJ312—2003《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定：當(dāng)樞紐建成后，因壩下河床下切造成較大的水面降落，使下游引航道水深不足時，除應(yīng)浚深引航道外，有條件時應(yīng)在樞紐下游近壩河段適當(dāng)部位采取綜合工程措施，壅高引航道水位或遏制水位的繼續(xù)降低。經(jīng)方案研究及效果分析評價，設(shè)計選定了在水口水電站下游約9.0 km處建造水口壩下樞紐綜合治理方案[6-7]。

水口壩下樞紐工程壩址上游河段為彎道形90°大轉(zhuǎn)彎，河床型態(tài)和水流條件復(fù)雜，樞紐平面布置、導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)選型、引航道口門區(qū)水流條件及防淤措施等均為設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。有必要對擬建船閘通航條件及影響因素，通過水工模型試驗分析研究對設(shè)計方案優(yōu)化比選，為工程建設(shè)及安全運行創(chuàng)造條件[8-10]。

1 工程設(shè)計方案

閩江干流按Ⅳ級航道標準建設(shè)，壩下水位治理工程船閘通航等級為Ⅳ級，代表船隊(2×500)t級頂推船隊，主尺度為：111.0 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水)。上游最高通航水位16.84 m、上游最低通航水位7.63 m，下游最高通航水位15.67 m、下游最低通航水位-1.00 m。

新建樞紐主要由溢流壩建筑物、泄洪消能建筑物、通航建筑物等組成，見圖1。溢流壩頂高程6.96 m，堰體上游面采用直立面，下游堰面曲線直接與反弧段連接，消能防沖采用混凝土護坦形式，通航建筑物采用先建一線預(yù)留一線兩線單級船閘方案，位于整個樞紐右岸。

船閘總體由上下游引航道、上下閘首及閘室組成，船閘有效尺度為192 m×23 m×4.0 m(有效長度×有效寬度×檻上水深)，通航口門寬23.0 m，上游引航道長601.0 m、上閘首長50.0 m、閘室長180.0 m、下閘首長40.0 m，下游引航道長680.0 m，總體長度1 551 m。

上、下游引航道平面布置為不對稱型式，船舶(隊)采用曲進直出方式過閘；上游引航道內(nèi)設(shè)有實體導(dǎo)航墻、調(diào)順段(隔流墩)和停泊段(?？慷?，航道寬度90.0 m、底高程-3.00 m；下游引航道內(nèi)設(shè)有實體導(dǎo)航墻、調(diào)順段(隔流墩)和停泊段(?？慷?，航道寬度90.0 m、底高程-5.00 m。

圖1 樞紐平面布置Fig. 1 Hub layout

2 模型設(shè)計

模型制造采用斷面板法。平面上用三角網(wǎng)及主、副導(dǎo)線進行控制，斷面間距40～70 cm(模型值)，對局部地形變化較大的河段加密，以能準確控制河床地形為準。制模地形采用實測1∶1 000河道地形圖。對水口電站下游共塑造了201個斷面控制河道地形。對局部特殊的復(fù)雜地形采用斷面板法與等高線法相結(jié)合另行特制，以達到能準確控制河床地形的目的。

考慮研究目的、模型范圍、試驗場地及相似性要求的紊流狀態(tài)、表面張力等基本條件，本試驗采用1:100的正態(tài)模型。通過相似準則，驗證了模型的相似率的自相似性，模型滿足自相似準則。經(jīng)驗證，模型和原型的水面線走勢吻合良好，水面比降一致性程度較高，實測水位點的水位差值都在±0.10 m范圍內(nèi)，說明模型設(shè)計合理，模型制作控制精度較高，達到了模型水面線與原型水面線相似的要求。

工程河段形勢圖及壩址位置，見圖2。

圖2 工程河段形勢Fig. 2 Engineering river situation

3 設(shè)計方案模型試驗

樞紐通航水力學(xué)模型試驗，重點研究樞紐下泄水流以及泥沙淤積對船閘通航條件的影響問題。在樞紐總體布置中船閘引航道、口門區(qū)與連接段部位的流速、流態(tài)應(yīng)滿足船舶、船隊安全停泊、進出閘與正常航行的要求。因此，對船閘上下游引航道布置型式、通航水深及流速流態(tài)等，進行了工程設(shè)計方案水力學(xué)模型試驗研究。

3.1 引航道通航水深

根據(jù)GB50139—2004《內(nèi)河通航標準》有關(guān)規(guī)定，Ⅳ級航道通航水深≥2.5 m的要求，檢測設(shè)計方案在上游來流量Q=308～16 900 m3/s各級通航流量下，上游引航道水位為7.62～16.38 m，上游引航道底高程-3.00 m，航深為10.62～19.38 m；下游引航道水位為2.16～15.57 m，下游引航道底高程-5.00 m，航深為7.16～20.57 m；如圖3，各級通航流量下引航道水深滿足最小航深2.5 m的要求。

圖3 電站下泄流量與引航道水位關(guān)系Fig. 3 Relationship of drainage discharge and approach water level of the power station

3.2 引航道水流條件

3.2.1 調(diào)順段流速流態(tài)

按規(guī)范引航道水面最大流速限值規(guī)定，流速指標應(yīng)滿足縱向流速Vymax≤0.5 m/s，橫向流速Vxmax≤0.15 m/s的要求。由于在設(shè)計方案總體布置中，上下游引航道調(diào)順段未設(shè)隔流墻與河道主流隔開，試驗表明：進入引航道內(nèi)的水流較多，大流量時調(diào)順段流速較大，同時引航道水流受導(dǎo)航墻導(dǎo)航段隔流影響，在堤頭附近向左繞過，調(diào)順段左側(cè)區(qū)域形成較強斜流，水流條件相對較差，其流速指標見表1。

表1，上游引航道調(diào)順段，僅Q=1 530 m3/s時水流條件滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q=2 550 m3/s和3 570 m3/s時超標區(qū)主要集中在左側(cè)，右側(cè)(岸側(cè))區(qū)域仍可滿足要求；當(dāng)Q≥7 000 m3/s時調(diào)順段不能滿足規(guī)范要求。

表1 引航道調(diào)順段流速流態(tài)指標Table 1 Index table of flow velocity and flow pattern at the adjustment area of approach m/s

注：上引航道/下引航道

下游引航道水流斜入調(diào)順段形成了較強的橫流和回流，除Q≤1 020 m3/s外各級流量下，調(diào)順段水流條件均不能滿足船舶進出閘的要求。

3.2.2 停泊段流速流態(tài)

根據(jù)設(shè)計船隊長度和上游引航道停泊段布置，可將停泊段分為5個泊位，左側(cè)為L1#、L2#泊位，右側(cè)為R1#、R2#和R3#泊位，見圖4，船閘上游引航道停泊段流速指標，見表2。

圖4 上游引航道平面布置Fig. 4 Upstream approach layout

下游引航道停泊段同樣分為5個泊位，左側(cè)為L3#、L4#泊位，右側(cè)為R4#、R5#和R6#泊位，見圖5，船閘下游引航道停泊段流速指標，見表2。

圖5 下游引航道平面布置Fig. 5 Downstream approach layout

表2，上游引航道停泊段，當(dāng)Q=1 530 m3/s時，右岸岸邊3個泊位滿足規(guī)范規(guī)定的船舶停泊要求，而左側(cè)L1#和L2#泊位縱向流速略微超標；當(dāng)Q=2 550 m3/s時，僅右側(cè)R2#和R3#泊位停泊條件滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q=3 570 m3/s時，僅右側(cè)R3#泊位停泊條件滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q≥7 000 m3/s時，5個泊位停泊條件均不能滿足規(guī)范要求。

下游引航道停泊段，僅Q≤1 020 m3/s時，全部泊位滿足船舶安全靠泊要求；當(dāng)Q=1 530 m3/s和2 550 m3/s時，僅左側(cè)L3#泊位、L4#泊位和岸側(cè)R4#泊位滿足船舶安全靠泊要求；當(dāng)Q≥3 570 m3/s時，5個泊位均不滿足船舶安全靠泊要求。

3.3 引航道口門區(qū)水流條件

根據(jù)JIJ305—2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》,引航道口門區(qū)水面最大流速限值規(guī)定，縱向流速Vymax≤2.0 m/s，橫向流速Vxmax≤0.3 m/s，回流流速Vrmax≤0.4 m/s。

試驗測得引航道口門區(qū)最大縱橫向流速指標，見表3。

表2 引航道停泊段最大縱橫向流速指標Table 2 Approach anchor area maximum longitudinal & lateral velocity indicators m/s

注：上引航道/下引航道

表3 引航道口門區(qū)最大縱橫向流速指標Table 3 Approach entrance area maximum longitudinal & lateral velocity indicators m/s

注：上引航道/下引航道

表3顯示，上游口門區(qū)通航水流條件僅Q≤7 000 m3/s時滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q≥10 000 m3/s時，口門區(qū)內(nèi)流速超標，不能滿足船舶安全通航的要求。

下游口門區(qū)通航水流條件在Q=1 530～2 550 m3/s時相對差，各級通航流量下盡管口門區(qū)縱橫向流速存在不同程度的超標，但其超標范圍主要集中在口門區(qū)左側(cè)開挖航槽邊緣，考慮到上行船舶舵效應(yīng)較好，只要過往船舶靠右行駛適當(dāng)避開上述區(qū)域，船舶便可安全進出閘。

試驗研究表明：上下游引航道內(nèi)水位滿足通航要求；引航道調(diào)順段左側(cè)區(qū)域有較強橫流、僅Q=1 530 m3/s時滿足規(guī)范要求,引航道停泊段在小流量少量泊位滿足船舶靠泊要求；當(dāng)Q≤7 000 m3/s時口門區(qū)航深、流速指標滿足要求，但調(diào)順段和停泊段水流條件不滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q≥10 000 m3/s時，引航道內(nèi)及口門區(qū)流速均超標，船舶不能安全通航。

通過上述分析可知，按設(shè)計方案新建樞紐船閘后，引航道水流條件存在不同程度的超標現(xiàn)象，不利于船舶的安全通行，有必要對上下游引航道型式進行優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案模型試驗

4.1 工程措施

4.1.1 優(yōu)化方案Ⅰ

針對設(shè)計方案引航道內(nèi)縱橫向流速不滿足規(guī)范要求，靠船墩附近流態(tài)差等問題，進行修正及調(diào)整，特提出優(yōu)化方案Ⅰ，見圖6(陰影部分為優(yōu)化措施)，具體如下：

1)上、下游導(dǎo)航墻至靠船墩處、調(diào)順段部分各增加長60 m的實體墻，即上游隔流(導(dǎo)航)墻長度為170 m、下游隔流(導(dǎo)航)墻長度為180 m。

2)上游左側(cè)10個靠船墩之間增加隔流板共9段、每段長15 m，隔流板頂高程與靠船墩頂高程相同、但底高程不同，上4段隔流墻底高程為1.0 m，即設(shè)置約15 m×4 m(寬×高)底孔過流，下5段隔流墻底高程為-1.0 m，即設(shè)置約15 m×2 m(寬×高)底孔過流。

3)上游右側(cè)R1#泊位段，受上游河勢影響停泊條件不好，將右側(cè)停泊段向下游移動69.0 m，即3個靠船墩位。

圖6 上下游引航道優(yōu)化方案ⅠFig. 6 Optimization scheme I for upstream and downstream approach channel

4.1.2 優(yōu)化方案Ⅱ

通過優(yōu)化方案Ⅰ的工程措施后，上游引航道通航條件仍不滿足規(guī)范要求，為此對上游引航道提出優(yōu)化方案Ⅱ，見圖7。即在優(yōu)化方案Ⅰ的基礎(chǔ)上(陰影部分不變)，將透空式隔流墻(壩上0+385 m～壩上0+565 m)分段及孔口尺寸進行優(yōu)化調(diào)整。

優(yōu)化方案Ⅱ?qū)?個透水孔劃分為3段，即上段3個透水孔，隔流墻底高程為1.00 m，孔口尺寸為15 m×4 m(長×高)；中段3個透水孔，隔流墻底高程為0.00 m，孔口尺寸為15 m×3 m(長×高)；下段3個透水孔，隔流墻底高程為-1.00 m，孔口尺寸為15 m×2 m(長×高)。試驗結(jié)果表明：優(yōu)化措施有效，水流條件改善明顯。

圖7 上游引航道優(yōu)化方案ⅡFig. 7 Optimization scheme Ⅱ for upstream approach channel

4.2 優(yōu)化方案試驗研究成果分析

4.2.1 引航道通航水深

設(shè)計方案在各級通航流量下，上游引航道水位7.62～16.38 m，航深10.62～19.38 m；下游引航道水位2.16～15.57 m，航深7.16～20.57 m；因此上下游引航道航深滿足最小航深2.5 m的要求。

優(yōu)化方案在引航道增加了長170(180)m的調(diào)順段隔流墻，各級通航流量下引航道內(nèi)外水位差最大值僅10 cm，對水位影響很小，因此優(yōu)化方案Ⅰ、優(yōu)化方案Ⅱ引航道口門區(qū)及附近航槽航深均大于最小航深2.5 m；說明壅水壩建成后，通航水深得到有效改善，可滿足船舶安全通航的要求，且有較大富余。

4.2.2 引航道通航水流條件

1)調(diào)順段流速流態(tài)

上游引航道調(diào)順段，設(shè)計方案在7 000 m3/s及以上流量時流速超標；經(jīng)優(yōu)化方案I，在引航道調(diào)順段采用隔流墻與河道主流之間隔開的工程措施，模型試驗顯示小流量時調(diào)順段基本為靜水，大流量時調(diào)順段流速也很小，可滿足規(guī)范要求；優(yōu)化方案II，在引航道調(diào)順段將隔流墻進一步延長的工程措施，調(diào)順段流速也很小或基本為靜水，可滿足規(guī)范要求。

下游引航道調(diào)順段，表2僅列出了設(shè)計方案流速指標值，在10 000 m3/s和16 900 m3/s時流速流態(tài)指標略有超標；優(yōu)化方案I，在引航道調(diào)順段采用隔流墻與河道主流之間隔開，試驗顯示各級通航流量下引航道調(diào)順段均為靜水，通航條件好。

2)停泊段流速流態(tài)

研究表明：小流量時上下游引航道停泊段條件較好，重點對≥7 000 m3/s以上流量進行分析。在電站下泄7 000、10 000、16 900 m3/s時，上下游引航道停泊段縱橫向流速指標對比值，見表4。

表4 停泊段流速流態(tài)指標對比Table 4 Comparison table of anchor area velocity and flow pattern indicators m/s

注：設(shè)計方案/優(yōu)化方案Ⅰ/優(yōu)化方案Ⅱ

上游引航道停泊段：表4數(shù)據(jù)顯示，通過工程措施優(yōu)化后，縱橫向流速指標降低，?？坎次焕寐侍岣撸ê綏l件得到改善。試驗觀測優(yōu)化方案Ⅱ，當(dāng)Q=7 000 m3/s和10 000 m3/s時，上游引航道停泊段5個泊位均可滿足船舶安全靠泊的要求，而當(dāng)Q=16 900 m3/s時除左側(cè)的L1#和L2#泊位水流指標略微超標外，右側(cè)一線3個泊位均能滿足船舶安全靠泊的要求。

下游引航道停泊段：表4數(shù)據(jù)顯示，無論是設(shè)計方案還是優(yōu)化方案Ⅰ、Ⅱ在各級通航流量下， 在Q=7 000～16 900 m3/s，流量下僅L4#泊位略有超標，且超標幅度和范圍不大，上行船舶仍能安全靠泊，其余泊位各項流速指標均未超標，靠泊條件良好。

從表4對比優(yōu)化方案Ⅰ和設(shè)計方案可知，優(yōu)化方案Ⅰ通過增加停泊段隔流墻的工程措施，有效改善了下游引航道停泊段的停泊條件，使得Q≥1 530 m3/s時可供船舶安全?？康牟次粩?shù)大大增加，將原設(shè)計方案安全上行的最高通航流量Q=1 020 m3/s提高至Q=16 900 m3/s，船舶下行最高通航流量仍保持為設(shè)計方案的Q=16 900 m3/s。

4.2.3 口門區(qū)通航水流條件

在電站下泄7 000、10 000、16 900 m3/s時，上下游引航道口門區(qū)縱橫向流速指標對比值，見表5。

表5 引航道口門區(qū)最大縱橫向流速指標對比Table 5 Approach entrance area maximum longitudinal & lateral velocity index comparison m/s

上游引航道口門區(qū)通航條件：當(dāng)Q=16 900 m3/s時，優(yōu)化方案Ⅱ上引航道口門區(qū)最大縱、橫向流速分別為2.90 m/s和0.80 m/s，兩項指標均超出了規(guī)范要求，但試驗結(jié)果表明，靠岸一帶流速較小，橫向流速也基本在規(guī)范規(guī)定的0.30m/s范圍以內(nèi)，船舶在此流量下航行時若靠岸行駛，并選擇靠右側(cè)停泊區(qū)靠泊等候過閘，仍可安全進出閘。

對比優(yōu)化方案Ⅱ和優(yōu)化方案Ⅰ可知，優(yōu)化方案Ⅱ通過適當(dāng)延長外導(dǎo)航墻并結(jié)合透空隔流墻的工程措施，有效改善了Q=10 000～16 900 m3/s時船閘上引航道停泊區(qū)和口門區(qū)通航條件，將上游引航道滿足船舶安全進出閘的最高通航流量由優(yōu)化方案Ⅰ的Q=10 000 m3/s提高至Q=16 900 m3/s。

下游引航道口門區(qū)通航條件:各級通航流量下優(yōu)化方案 Ⅰ 引航道調(diào)順段基本為靜水區(qū)，停泊段靠泊條件好，盡管口門區(qū)存在縱向流速和橫向流速超標的問題，但只要進出閘船舶注意避開口門區(qū)左側(cè)開挖邊緣附近即可安全通過口門區(qū)，即當(dāng)Q≤16 900 m3/s時，船舶均可安全通過下游引航道口門區(qū)。

通過對比優(yōu)化方案Ⅰ和設(shè)計方案下引航道通航條件可知，優(yōu)化方案Ⅰ通過增加停泊段隔流墻的工程措施，有效改善了下游引航道停泊段的停泊條件，使得Q≥1 530 m3/s時可供船舶安全?？康牟次粩?shù)大大增加，將原設(shè)計方案安全上行的最高通航流量Q=1 020 m3/s提高至Q=16 900 m3/s，船舶下行最高通航流量仍保持為設(shè)計方案的Q=16 900 m3/s。

4.3 推薦方案

無論設(shè)計方案還是優(yōu)化方案，從試驗結(jié)果可以看出，對解決或改善樞紐上游通航水流條件，采用導(dǎo)航墻加長方案效果不明顯，但通過改變導(dǎo)航墻型式和布置，效果顯著。鑒于優(yōu)化方案Ⅱ泄流能力滿足設(shè)計要求，通航水流條件滿足船舶安全通航的要求，且其投資較省，布置基本合理，故作為水口壩下水位治理工程的推薦方案，見圖6、圖7。

5 下游泥沙沖淤對通航的影響

設(shè)計還研究了泥沙淤積對通航的影響問題。試驗顯示：當(dāng)工程河段遭遇20年一遇及以上洪水時，壩下游河床部分泥沙將淤積在壩下水位治理工程樞紐下游引航道口門區(qū)及開挖航槽內(nèi)，這將對通航產(chǎn)生不利影響，因此，需在工程河段遭遇20年一遇及其以上洪水時，對航槽采取清淤措施或在相應(yīng)部位設(shè)置攔淤坎等工程措施，以保障船舶通航安全。

6 下游水位進一步下降對通航的影響

在樞紐通航條件研究中，還對下游水位進一步下降是否影響通航問題作了初步分析。試驗結(jié)果表明：下游水位進一步降低后，對壩下水位治理工程船閘上游引航道通航水流條件影響較小，但惡化了船閘下游引航道口門區(qū)的通航水流條件，滿足船舶安全通航的最高通航流量降至3 570 m3/s，說明必須采取有效可行的措施避免下游水位的進一步下降。

7 結(jié) 論

1)船閘總體布置，必須保證船舶、船隊在通航期內(nèi)安全暢通過閘。模型試驗研究證明，船閘上下游引航道口門區(qū)船舶安全航行條件要求較高，其位置選擇及結(jié)構(gòu)形式是船閘總體布置的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到船舶(隊)安全停泊、進出閘及正常航行的各項流速流態(tài)指標。

2)試驗研究表明，航運樞紐選址應(yīng)充分考慮布置在相對順直的河段上，如果引航道口門區(qū)處在大轉(zhuǎn)彎河段，通航水流條件和船舶航行條件很難通過工程措施解決。因此，設(shè)計推薦的壩址布置在距上游水口水電站9.0 km的順直河道上是合理的。

3)針對設(shè)計方案存在的問題，結(jié)合河床形態(tài)和樞紐總體布置，提出了優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ，通過分析比較各方案試驗結(jié)果，增加上下引航道調(diào)順段隔流墻長度，調(diào)整靠船墩位置以及在左側(cè)靠船墩間增加隔流板等工程措施，有效改善了上下引航道通航條件。

4)樞紐整體水工模型試驗表明：推薦方案上、下引航道通航水深≥2.5 m，最高通航流量為Q=10 000 m3/s。當(dāng)Q=16 900 m3/s時，上、下引航道流速指標均出現(xiàn)了一定程度的超標，該流量下船舶航行時需謹慎駕駛，避開邊壁回流區(qū)以及急流區(qū)，船舶可安全通過引航道口門區(qū)。

5)樞紐整體水工模型試驗表明：工程河段遭遇20年一遇及其以上洪水時，樞紐船閘下游引航道口門區(qū)及開挖航槽內(nèi)有泥沙淤積，需對航槽采取清淤措施或設(shè)置攔淤坎等工程措施，以保障船舶通航安全。