高陂水利樞紐通航船閘布置優(yōu)化研究

黃智敏,付 波,陸漢柱,鐘勇明,陳卓英

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

1 工程概況

通航船閘是攔河水閘樞紐工程的重要組成部分，其作用可在攔河閘壩形成水位落差的條件下，確保船只的正常通航。通常，由于受閘址區(qū)域河道復(fù)雜河勢(shì)和地形的影響、樞紐各建筑物(如泄水閘、水電站等)布置和運(yùn)行制約等，船閘上、下游引航道口門區(qū)的運(yùn)行流態(tài)和流速分布較復(fù)雜。因此，大型攔河水閘樞紐的通航船閘等布置，往往需經(jīng)過(guò)水工模型試驗(yàn)的論證和優(yōu)化[1-6]。

高陂水利樞紐工程主要建筑物由泄水閘、電站廠房、通航船閘及擋水壩等組成，位于廣東省大埔縣境內(nèi)的韓江中游，是以防洪和供水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、改善下游河道生態(tài)等綜合效益的Ⅱ等大(2)型工程。樞紐工程正常蓄水位為38.00 m(珠基，下同)，設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇(P=1%)，校核洪水頻率為1 000年一遇(P=0.1%)。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料[7]，高陂水利樞紐通航船閘規(guī)模為Ⅳ級(jí)，布置在壩址河道的左岸。船閘設(shè)計(jì)年通過(guò)貨運(yùn)能力為900萬(wàn)t/a，單向通過(guò)能力為720萬(wàn)t/a，客運(yùn)為5萬(wàn)人/a。船閘閘室有效尺度為200 m×18 m×3.05 m(長(zhǎng)×寬×門檻上最小水深)，船閘上、下游引航道均采用不對(duì)稱式平面布置，引航道總長(zhǎng)度均為290 m、底寬為40 m；上游引航道底高程為24.15 m，下游引航道底高程為21.15 m(見圖1～圖2)。

圖1 高陂水利樞紐工程平面布置示意

圖2 設(shè)計(jì)方案船閘平面布置示意

通航船閘設(shè)計(jì)的最大通航洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水(P=10%)，相應(yīng)洪水流量Q=11 130 m3/s。船閘設(shè)計(jì)的通航水位：上游最高通航水位為38.90 m，最低通航水位為28.00 m；下游最高通航水位為38.69 m，最低通航水位為25.00 m。最大通航流量條件下的泄水閘運(yùn)行水力參數(shù)見表1。

表1 泄水閘運(yùn)行水力參數(shù)

樞紐工程閘址區(qū)域河道彎曲和狹窄，閘址處河道寬為300～400 m，河床面高程為24.00～26.00 m；閘址右岸電站的右岸坡往下游河道逐漸收縮，至樁號(hào)0+900～1+000處河寬縮窄至約280～300 m。閘址下游河床表層為含礫和含卵石的粗沙層(厚度約10～28 m，中值粒徑1.0 mm)，底部為中粗粒黑云母花崗巖。

由于高陂水利樞紐泄水閘泄洪流量大、水頭較高、閘址區(qū)域河道彎曲和狹窄等，因此，船閘通航的水流條件較復(fù)雜。為了優(yōu)化高陂水利樞紐通航船閘的布置，在該樞紐工程整體水工模型(1:85的正態(tài)模型)進(jìn)行了船閘布置優(yōu)化的試驗(yàn)研究，整體水工模型河道截取的范圍：① 閘址上游河道長(zhǎng)為3 km；② 閘址下游河道長(zhǎng)為2.5 km[8-10]。

2 船閘上游引航道口門區(qū)通航試驗(yàn)

2.1 船閘引航道口門區(qū)范圍分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，船閘引航道口門區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)按設(shè)計(jì)的最大船舶、船隊(duì)確定，頂推船隊(duì)采用2.0～2.5倍船隊(duì)長(zhǎng)，拖帶船隊(duì)采用1.0～1.5倍船隊(duì)長(zhǎng)，2種船隊(duì)并有時(shí)，取大值。Ⅰ～Ⅳ級(jí)船閘引航道口門區(qū)水面最大流速限值：平行于航線的縱向流速為v1<2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速為v2<0.3 m/s，回流流速為v3<0.4 m/s。

高陂水利樞紐船閘通航的最大船舶為500 t，船只尺寸為47 m×8.8 m×1.9 m(長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水)[7]。參考文獻(xiàn)[11-12]，選用2.5倍單船船長(zhǎng)為其口門區(qū)的長(zhǎng)度，因此，高陂水利樞紐船閘上、下游引航道口門區(qū)的長(zhǎng)度約為為117.5 m。

2.2 設(shè)計(jì)方案上游引航道口門區(qū)試驗(yàn)

船閘上游引航道導(dǎo)航墻上游端斷面樁號(hào)為0-293，其口門區(qū)長(zhǎng)度約117.5 m，因此，上游口門區(qū)河道上游端樁號(hào)約為0-410.50。

試驗(yàn)表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)(見表1)，泄水閘上游河道的來(lái)流較平順，船閘上游引航道口門區(qū)河道水流也較平順和平穩(wěn)，口門區(qū)河道水面流速為v<1.5 m/s，口門區(qū)河道的流速流向與船閘中心線(航線)的夾角β≤10°，由此可計(jì)算得垂直航線的橫向流速v2<0.3 m/s(見圖3)。因此，上游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速(v1<1.5 m/s、v2<0.3 m/s、v3<0.4 m/s)可以滿足通航的要求。

圖3 船閘上游引航道口門區(qū)流態(tài)和流速分布示意

2.3 優(yōu)化方案上游引航道口門區(qū)試驗(yàn)

由樞紐工程布置可見(見圖1)，高陂水利樞紐船閘上游引航道布置在彎曲河道的約彎頂處，船閘縱向軸線與河道左岸線呈25°～30°夾角，當(dāng)船只進(jìn)、出上游引航道進(jìn)、出口時(shí)，船只需繞一定角度后，才能進(jìn)、出上游引航道，給船只通航帶來(lái)不便。因此，為了便于船只進(jìn)、出上游引航道，在滿足規(guī)范規(guī)定的引航道直線段總長(zhǎng)度的條件下，將上游引航道右導(dǎo)航墻的上游段修改為曲線或折線型導(dǎo)墻，便于船只通航。

《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]規(guī)定：引航道直線段的總長(zhǎng)度(即導(dǎo)航段L1、調(diào)順段L2和停泊段L3之和)L≥(3.5～4)Lc(Lc為單船最大船長(zhǎng))。本工程船閘通航的500 t船只最大船長(zhǎng)Lc=47 m，計(jì)算得引航道直線段的總長(zhǎng)度L=165～188 m。因此，取上游引航道右導(dǎo)航墻直線段長(zhǎng)度L=220 m，在其上游端往上游延伸的半徑R=400 m的圓弧線上布置12個(gè)直徑d=1.5 m、弧線圓心距s=6.0 m的圓柱墩(見圖4)。

圖4 上游引航道右導(dǎo)航墻優(yōu)化方案布置示意(單位：m)

船閘上游引航道右導(dǎo)航墻優(yōu)化方案試驗(yàn)表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，上游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速與設(shè)計(jì)方案引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速相近，可以滿足通航的要求，且上游引航道右導(dǎo)航墻優(yōu)化方案的布置更便于船只通航。

2.4 降低上游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差試驗(yàn)

在各級(jí)洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，上、下游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生一定的水位差值，在洪水位淹沒(méi)上游右導(dǎo)航墻頂之前，泄水閘泄洪流量越大，導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差值相應(yīng)增大，不利于導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)的安全。在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運(yùn)行條件下，進(jìn)行了上游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差試驗(yàn)和改進(jìn)優(yōu)化。

1) 測(cè)試的上游引航道右導(dǎo)航墻(實(shí)體導(dǎo)墻)內(nèi)、外側(cè)水位差值ΔZ約為0.32 m(內(nèi)側(cè)水位高于外側(cè)水位)，引航道內(nèi)面流速為v≤0.35 m/s 。

2) 經(jīng)試驗(yàn)比較，在引航道右導(dǎo)航墻高程為 31.00 m 水平線上開設(shè)導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔直徑d=1.3 m、孔中心距s=5.0 m，導(dǎo)流孔分布范圍為樁號(hào)0-033～0-220 (見圖5)。

圖5 上游引航道右導(dǎo)航墻開孔方案布置示意(單位：m)

洪水流量Q≤11 130 m3/s的泄流運(yùn)行試驗(yàn)表明，開孔后的上游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ<0.20 m，引航道內(nèi)面流速v<0.45 m/s。因此，開導(dǎo)流孔后的上游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ比設(shè)計(jì)方案相應(yīng)降低值大于0.12 m，引航道內(nèi)面流速增加較小，可以滿足船只通航的要求。

3 船閘下游引航道口門區(qū)通航試驗(yàn)

船閘下游引航道長(zhǎng)度為290 m，泄水閘的下游河道逐漸縮窄，至樁號(hào)約0+900～1+000斷面區(qū)域，河道窄口段的河面寬度約280～300 m(見圖1)。船閘下游引航道出口斷面樁號(hào)為0+545.50，下游引航道口門區(qū)長(zhǎng)度約117.5 m，則下游引航道口門區(qū)的下游河道末端斷面樁號(hào)約為0+663。

3.1 下游引航道口門區(qū)運(yùn)行試驗(yàn)

3.1.1定床模型試驗(yàn)

1) 在最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運(yùn)行時(shí)，船閘下游引航道口門區(qū)水流較平順和平穩(wěn)，受右導(dǎo)航墻布置的影響，口門區(qū)為弱回流區(qū)，回流流速為v3<0.4 m/s。因此，下游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速基本可以滿足通航的要求(見圖6)。

圖6 船閘下游引航道口門區(qū)流態(tài)和流速分布示意

2) 在泄洪流量Q<11 130 m3/s泄流運(yùn)行時(shí)(見表1)，隨著泄洪流量減小，下游引航道口門區(qū)的回流區(qū)范圍和回流流速相應(yīng)減小，下游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速可以滿足通航的要求。

3) 在泄洪流量Q≤11 130 m3/s泄流運(yùn)行時(shí)，測(cè)試的船閘下游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ≤0.20 m(內(nèi)側(cè)水位低于外側(cè)水位)，引航道內(nèi)水流較平靜。因此，下游引航道右導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)水位差值較小，對(duì)導(dǎo)航墻的不利影響相應(yīng)較小。

3.1.2動(dòng)床模型試驗(yàn)

泄水閘下游河道動(dòng)床范圍為閘下消力池下游海漫段末端(樁號(hào)0+222)至樁號(hào)1+600的下游河床(見圖1)。動(dòng)床模型沙選用中值粒徑為0.5 mm的塑料沙，河床覆蓋層底部基巖(高程為8.00 m以下)采用花崗巖碎石模擬(相應(yīng)原型不沖流速約為4.5 m/s)[9-10]。動(dòng)床模型試驗(yàn)表明：

1) 在電站4臺(tái)機(jī)組單獨(dú)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，受電站發(fā)電尾水的影響，下游引航道口門區(qū)水面回流流速為v3<0.35 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為1 m。

2) 在正常蓄水位為38.00 m、閘門開度e≤4.3 m(泄流量Q≤6 700 m3/s)泄流運(yùn)行時(shí)，下游引航道口門區(qū)水面回流流速v3<0.4 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為1～2 m。

3) 在泄洪流量Q=9 220(P=20%)～11 130 m3/s(P=10%)泄流運(yùn)行時(shí)，下游引航道口門區(qū)水面回流流速為v3<0.4 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為 2～3 m。

因此，船閘下游引航道口門區(qū)為低流速的回流區(qū)，口門區(qū)易產(chǎn)生淤積，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船只通航。建議運(yùn)行期應(yīng)對(duì)口門區(qū)河床進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，并采取適當(dāng)?shù)姆烙俸颓逵俅胧?，確保船閘的正常運(yùn)行。

3.2 下游引航道口門區(qū)的下游河道通航分析

在泄水閘閘門全開的泄洪流量Q=6 700 m3/s至最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運(yùn)行時(shí)，測(cè)試的下游河道窄口段(樁號(hào)0+900～1+400，見圖1) 的河道水面流速為v≥2.0 m/s，不利于船只的安全通航，船閘建成運(yùn)行時(shí)應(yīng)給予充分的注意和重視[8-9]。

4 工程應(yīng)用

本項(xiàng)目通航船閘上游引航道右導(dǎo)航墻優(yōu)化方案等試驗(yàn)研究成果得到了工程建設(shè)的應(yīng)用，船閘工程已建成投入運(yùn)行。目前，船閘的初步運(yùn)行情況良好，后續(xù)的運(yùn)行情況有待于進(jìn)一步觀察和分析。

5 結(jié)語(yǔ)

高陂水利樞紐工程泄洪流量大、水頭較高、閘址區(qū)域河道狹窄和彎曲，其船閘上、下游引航道口門區(qū)水流條件較復(fù)雜。通過(guò)水工模型試驗(yàn)，測(cè)試了船閘上、下游引航道口門區(qū)運(yùn)行流態(tài)和流速分布，取得的主要研究成果為：

1) 優(yōu)化了船閘上游引航道右導(dǎo)航墻的布置，改善了船閘通航運(yùn)行條件；在船閘上游引航道右導(dǎo)航墻開設(shè)導(dǎo)流孔，降低了導(dǎo)航墻內(nèi)、外側(cè)的水位差，有利于導(dǎo)航墻的安全。

3) 對(duì)船閘下游引航道口門區(qū)運(yùn)行流態(tài)、通航條件及口門區(qū)下游窄口段河道的不利影響等進(jìn)行了分析。

本文成果已應(yīng)用工程建設(shè)，可供類似工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。