探究船閘導航建筑物透空形式對通航水流條件的作用

余雅雪 楊軼凡 王能 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司

重力式擋墻是河流航運梯級開發(fā)中船閘常用的上下游引航道結(jié)構(gòu)。而這一結(jié)構(gòu)在實際的運行中容易出現(xiàn)工程量大、航道內(nèi)泥沙淤積及航道口水流條件復雜等情況。這在一定程度上不僅拉升了工程的成本，也給后期運行帶來了一定的隱患。而受限于地形和水利樞紐其它建筑物的影響，較難通過改變建筑物的平面布局來實現(xiàn)對通航水流條件的改善，這就需要從改變航道建筑物的結(jié)構(gòu)型出發(fā)，來實現(xiàn)對上述問題的解決。本研究以五強溪水電站船閘下游引航道改造工程為例，試探究船閘導航建筑物透空形式對通航水流條件的作用。

1.基本情況

五強溪水電站位于沅水下游的湖南省沅陵縣境內(nèi)，該電站以發(fā)電為主，為湖南最大的水電站，兼顧防洪和航運等。整個樞紐建筑物由河床左側(cè)溢流壩、右岸壩后式廠房和左岸三級船閘組成。五強溪水電站船閘布置在河道左岸，為一線三級船閘，船閘由上、下引航道，四個閘首，三個閘室組成，總長度1640m，其中船閘本體長度571m，下游導航墻長274.5m。船閘最大工作水頭89.4m（其中第一級37.7m、第二級為27.7m、第三級為24.0m），原設計年過壩貨運量為250萬噸，年過壩木材運量45萬m3，設計最大過壩船只噸位為2×500t。設計最大通航流量為10000m3/s，最小通航流量為390 m3/s。改造工程開工之前，委托交通運輸部天津水運工程科學研究院進行了該工程物理模型試驗，擬采用深槽回填+樁基透空式導流屏技術(shù)來實施工程改造。

2.改造施工

本工程緊挨原實體導航墻布置長218.523m 透空式導流屏，其中1#-7#墩采用樁基+承臺+導槽墩體型式，8#～11#墩采用承臺+導槽墩體型式（實體重力式結(jié)構(gòu)），通過10段插板相互連接。為保證縱向透空導流，每個聯(lián)系墩承臺上平行設置兩個導槽墩體，凈距2.25m。

在改造施工設計中，井插槽設置在導槽墩上。插槽采用的是通長布局的方式。在插槽范圍內(nèi)布置有插板。通過這一設計使插板和連系墩形成一個整體。導流屏的主要作用是用來改善整體的水流條件的，因此在設計的過程中，從建設成本和功能實現(xiàn)的兩個角度考慮將導流屏的標高設定為擋流的最小標高。改造完成后，工程最大通航流量7800m3/s時對應下游水位為57.53m，連系墩墩頂標高為58.5m。樁基墩體結(jié)構(gòu)形式結(jié)合地形情況進行布置，導航堤堤頭下游存在深達15m的深槽，此次改造施工設計中，共有7個墩位于深槽范圍之內(nèi)，分別是第1#墩到第7#。其中，1#墩在七個墩中最低為39.5m，7#墩最高為41.5m。其它4個墩標高均為40.0m。在施工的過程中為充分地保證對墩基的承載力要求，采用了樁基與下部地基連接的方式，來提升樁基的承載力。1#、6#～7#墩體承臺下通過4根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接，2#～5#墩體承臺下通過6根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接；在深槽之外的其它4個墩標高均為39.0m直接作為與中風化板巖上。

3.水流條件影響

水流力計算根據(jù)水流流速、并參照JTJ307-2001《船閘水工建筑物設計規(guī)范》和JTS144-1-2010《港口工程荷載規(guī)范》中的相關(guān)條文進行。評測結(jié)果顯示（見表1），在五強溪水電站船閘下游引航道改造工程完工后，橫向流速較工程前明顯減小，當Q≤6000m3/s時，引航道門區(qū)最大橫向流速不超過0.3m/s以內(nèi)，水流條件能夠較好地滿足通航要求。Q=7800 m3/s時，對門口區(qū)測點進行分析發(fā)現(xiàn)，個別測點的最大橫流稍大，以超過規(guī)范要求，均值在0.33m/s，基本滿足設計的的要求。

表1 深槽回填+樁基透空式導流屏方案引航道口門區(qū)水力特性

4.結(jié)論

4.1 船閘導航建筑物透空形式有利于通航水流條件的改善

船閘通航的水流條件直接影響到進出船閘船只的安全。由于受到樞紐布置、通航建筑物及其他條件的影響，導致河道橫截面的變化對水流產(chǎn)生一定的影響。在引航道為實體結(jié)構(gòu)的條件下容易導致下引航道口門區(qū)存有一定的回流區(qū)域，而口門內(nèi)也有一個小的反向回流，這就導致引航道口門區(qū)及門內(nèi)極易產(chǎn)生以懸移質(zhì)為主的泥沙淤積。此次改造工程中，船閘引航道導航建筑物采用了透空形式，樁基透空式導流屏緊挨原導航布置，從上游至下游分別平行錯位布置11個連系墩和10段插板，各聯(lián)系墩與原導航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°，總長218.523m。最上游的連系墩1#墩與原有引航道緊密銜接，而后以20m（中心距）為間隔布置連系墩，井測算可以布置10個連系墩，依次向下游展開，分別是地2#到第11#。隨著導航墻直線段透空范圍的不斷擴大及透空空與導航墻軸線順水流方向夾角的不斷擴大，引航道口門區(qū)小回流去減弱，縱向的流速增大，有利于減少引航道口門區(qū)及門內(nèi)的泥沙淤積。其后期評測結(jié)果，表明這一方式能夠?qū)ξ鍙娤娬敬l下游口門區(qū)的流速分布進行合理的調(diào)整，改善斜流及橫向環(huán)流等不良流態(tài)。與此同時，五強溪水電站船閘下游船閘口門區(qū)泥沙淤積現(xiàn)象得到了較好的改善，從而進一步地提高了通航水流條件。而通航水流條件的大幅度改善將成為提高工程效益重要支點。

4.2 船閘導航建筑物透空形式應用經(jīng)驗總結(jié)

船閘導航建筑物透空形式能夠較好地改善通航水流條件的同時，也具有建設上的經(jīng)濟性，可以有效地降低工程總量，提高項目工程的整體效益。在此次五強溪水電站船閘下游引航道改造工程中對工程建設的回顧性分析總結(jié)了部分經(jīng)驗主要有三個方面。首先，船閘導航建筑物透空形式能夠較好地適用于河面相對較窄、壩軸位于彎曲河段且洪枯水期水位波動較大的區(qū)段。其次，承臺式結(jié)構(gòu)適宜布置在導航段，用以調(diào)整流速，減少淤積。承載臺的開孔寬度對縱向的流速影響較大，同時也會對過閘船舶的安全產(chǎn)生一定的影響。再次，上下引航道靠近閘首段，為保證船舶進出閘的安全，宜采用實體式結(jié)構(gòu)。