嘉陵江利澤航運樞紐船閘總體布置研究

劉 大 川

(重慶航運建設發(fā)展(集團)有限公司，重慶 401121)

1 概 述

利澤航運樞紐工程系嘉陵江重慶境內(nèi)梯級開發(fā)的第一級，位于距重慶市合川區(qū)大石街道3.5 km的嘉陵江上游利澤碼頭，距離合川城區(qū)大約32 km。樞紐區(qū)河段跨越川渝兩地，壩址處于天然河道較舒緩的河彎下游處，河道順直，兩岸均有山體接頭，河谷斷面呈寬緩不對稱的“U”型谷，左岸陡、右岸緩，左岸為基巖岸坡，坡度一般為30°～50°，右岸有階地分布，呈臺階狀地形，地勢相對平緩，總體坡度在15°～20°之間。

利澤航運樞紐工程是一個以渠化航道、發(fā)展航運為主，同時兼顧發(fā)電、防洪、生態(tài)等綜合效益的河床式開發(fā)工程[1]。主要建筑物由泄洪沖沙閘、電站廠房、非溢流壩、船閘和魚道等組成，水庫正常蓄水位高程210.725 m，總庫容6.19億m3[2]。其上游與桐子壕樞紐船閘水位銜接，下游與草街電站回水銜接。利澤樞紐建成后，可渠化壩址至桐子壕梯級間長約26.5 km的河道，使原來僅為V級的航運通道提高到高等級的Ⅳ級航道標準。樞紐船閘工程按IV級航道設計，可通航2×500 t級的船隊，船閘有效尺寸采用180 m×23 m×3.5 m(長×寬×檻上水深)；船閘最高通航流量為16 400 m3/s，運行采用5 a一遇洪水位為設計最高通航水位，即上游設計最高通航水位高程217.82 m，下游設計最高通航水位高程217.17 m；最低通航水位按運行時的最低水位確定，即上游為高程210.3 m，下游為高程202 m；電站額定水頭5.4 m，額定單機引用流量393 m3/s，裝機容量74 MW(4×18.5 MW)，利澤航運樞紐已于2019年3月完成了一期工程土建工程、金屬結(jié)構(gòu)和機電設備安裝工程的招標工作，2019年4月30日開始了一期工程施工，預計于2021年6月30日一期工程完工，計劃工期為26個月。

2 船閘布置情況

利澤航運樞紐船閘在工程初設階段對左船閘右廠房和左廠房右船閘進行了位置比選。若船閘布置在左岸，上、下游引航道均位于主河道上，與主河道直接順直相接，有利于船舶安全快速進出船閘且廠房開挖量較小。若布置在右岸，下游引航道將偏離主河道，需設“S”形轉(zhuǎn)彎才能與原主航道相接，并且需要開挖其下游的沙洲且下游溪溝的出水會惡化下游引航道內(nèi)的水流條件，影響船舶的安全。從樞紐布置看，船閘布置在左岸較為有利。

利澤航運樞紐船閘全長937.3 m，由上下閘首、閘室、上下游引航道的主輔導航墻、靠船墩、分水墻組成。上閘首采用整體式結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)邊墩和底板組成，長45.5 m，寬43.4 m，頂高程為238.5 m，閘首門檻高程為206.3 m。閘室采用分離式，長180 m，陸側(cè)閘墻頂寬2.5 m，外側(cè)閘墻頂寬3.5 m。下閘首采用整體式結(jié)構(gòu)，長32 m，寬43.4 m，閘首頂高程為219.4 m，門檻高程198.5 m。船閘上行采用直線進閘、曲線出閘的過閘方式，下行采用曲線進閘、直線出閘的過閘方式。上游引航道通過轉(zhuǎn)彎半徑為800 m的連接段航道向河側(cè)轉(zhuǎn)彎31.5°與河道主河槽連接；下游引航道通過轉(zhuǎn)彎半徑為600 m的連接段航道向河側(cè)轉(zhuǎn)彎10°與河道主河槽連接。

3 船閘總體布置研究

3.1 原設計方案船閘上引航道口門區(qū)的通航條件

水流條件為船閘除地形、地質(zhì)條件外的最關(guān)鍵因素之一[3]。例如，引航道與電站的相對位置、長寬以及彎曲半徑等都是為滿足通航水流條件而要求的。筆者針對利澤航運樞紐設計方案進行了水工模型試驗，水工模型按重力相似準則設計，采用幾何比尺為λL=λh=100正態(tài)實體模型，對流量Q=4 300 m3/s、6 750 m3/s、7 000 m3/s、16 400 m3/s四級流量、6種工況上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件進行了流速測定[4]。設計方案的試驗工況見表1，主要上引航道口門區(qū)流速分布情況見表2。

試驗結(jié)果表明：當Q≤4 300 m3/s(電站滿發(fā))時，壩前水位保持在正常蓄水位高程210.725 m運行，船閘上游引航道口門區(qū)縱、橫向流速值均滿足通航要求，這是由于水庫壅水致使壩前水位較高、庫區(qū)水流相對較緩的緣故；但隨著上游來水流量的加大，船閘上游引航道口門區(qū)附近流速變大且因船閘布置在樞紐彎道河段的左岸、彎道的凹岸和河段的深槽，因此，在流量Q>6 750 m3/s以上流量時，船閘上引航道口門區(qū)的縱橫向流速均大于標準規(guī)定值，不滿足口門區(qū)通航水流條件標準要求，特別是當Q>16 400 m3/s時，無論水庫是保持正常蓄水位還是沖沙水位，縱橫向流速均超過通航標準。

表1 設計方案試驗工況表

表2 原方案上引航道口門區(qū)水流條件表

注：H為水位高程，m。

改善措施：在壩軸線上游上引航道口門區(qū)外0+850(上1#丁壩)、0+1 020(上2#丁壩)增設兩根潛丁壩，上1#丁壩壩頂長35 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程206.5 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2；上2#丁壩壩頂長45 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程為206.5 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2。改善后的流速分布情況見表3。

(1)當流量Q=4 300 m3/s時，水庫按正常蓄水位高程210.725 m運行?？陂T區(qū)范圍內(nèi)最大縱向流速為0.79 m/s，最大橫向流速為0.06 m/s，無回流。

表3 優(yōu)化后方案上引航道口門區(qū)水流條件表

(2)當流量Q=6 750 m3/s時，水庫按正常蓄水位高程210.725 m運行，泄洪沖沙閘1～12#孔全開，13#孔控開泄水。最大縱向流速為1.1 m/s，橫向流速為0.1 m/s，無回流。

(3)當流量Q=16 400 m3/s時，水庫敞泄。最大縱向流速為1.91 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s，無回流。

這是由于在上引航道設潛丁壩的緣故，調(diào)整了引航道口門區(qū)單寬流量分布，很好地保障了引航道口門區(qū)內(nèi)的水流條件，使引航道口門區(qū)的水流條件能夠滿足標準規(guī)定的水力指標，能給船只提供良好的通行條件。

3.2 原設計方案船閘下引航道口門區(qū)的通航條件

原設計方案船閘下引航道口門區(qū)流速分布情況見表4。

試驗結(jié)果表明：船閘下引航道布置在彎道左岸深槽內(nèi)且位于彎道末端，當上游來流量Q=4 300 m3/s時，上游右側(cè)電站尾水渠以及沖沙閘下泄的水流向下引航道口門區(qū)尾端以下的枯水主河槽沖去，形成較大的回流區(qū)，其各項指標均不滿足通航要求；當上游來流量Q=6 750 m3/s時，其流態(tài)和Q=4 300 m3/s時大致相同，右岸電廠的出流和右岸7～14#孔泄洪沖沙閘運行，電廠尾水和出閘水流與船閘口門軸線的交角約為40°～45°，導致船閘下引航道口門區(qū)及連接段出現(xiàn)高強度、大面積的回流區(qū)，最大回流流速達0.8 m/s以上；當上游來流量Q=16 400 m3/s時，其縱橫向流速大大超過《船閘設計規(guī)范》允許值[5]。

表4 原方案船閘下引航道口門區(qū)水流條件表

改善措施：

(1)為減小下引航道口門區(qū)的回流，在壩軸線下游下引航道口門區(qū)左側(cè)0+1 380(下1#丁壩)、0+1 620(下2#丁壩)處增設了兩根丁壩，下1#丁壩壩頂長35 m，丁壩頂寬2 m，壩頂高程209 m；下2#丁壩壩頂長45 m，壩頂高程為209 m，迎水面坡度為1∶1，背水面坡度為1∶2。

(2)將下游引航道內(nèi)導墻直線段末喇叭口段延長至100 m，末端樁號為0+744.88，喇叭口段軸線與直線段軸線夾角由15°調(diào)整為9°。

(3)在喇叭口段開孔，孔寬3 m，孔高10 m，孔間距5 m，孔軸向與堤軸線呈40°交角。

改善后的流速分布情況見表5。

由表5可以看出：

(1)當流量Q=4 300 m3/s時，水庫按正常蓄水位高程210.725 m運行，電站發(fā)電，最大縱向流速為1.83 m/s，最大橫向流速為0.1 m/s，無回流，口門區(qū)范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速以及回流速度均滿足規(guī)范要求。

⑵當流量Q=6 750 m3/s時，水庫按正常蓄水位高程210.725 m運行，泄洪沖沙閘1～12#孔全開，13#孔控開泄水?？陂T區(qū)內(nèi)縱向流速達1.81 m/s，橫向流速為0，回流速度為0.32 m/s?？v橫向流速及回流速度均滿足規(guī)范要求。

(3)當流量Q=16 400 m3/s時，水庫敞泄。最大縱向流速為1.4 m/s，最大橫向流速為0.19 m/s，個別點最大回流速度為0.46 m/s?？陂T區(qū)范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速以及回流速度基本滿足規(guī)范要求。

表5 優(yōu)化后方案下引航道口門區(qū)水流條件表

綜上所述，通過修建下引航道口門左側(cè)處兩根丁壩、延長導墻直線段末的喇叭口、調(diào)整喇叭口段軸線與直線段軸線夾角等措施，使下泄水流直沖下引航道口門區(qū)尾段的現(xiàn)象基本消失，該區(qū)域存在的回流基本消除，流速分布變得均勻。

4 結(jié) 語

通過試驗研究與工程自身特點，在確定左船閘、右廠房設計方案整體布局下，筆者與設計人員提出了將下游引航道內(nèi)導墻直線段末喇叭口段延長、上下游引航道丁壩的設置以及下游喇叭口段軸線與直線段軸線夾角調(diào)整的工程優(yōu)化措施合理可行，且工程量較原來相比有所減小，航道標準較原來有所提高，所取得的經(jīng)驗可為類似航運樞紐工程提供借鑒。