岷江犍為航電樞紐二期圍堰施工通航水流條件研究

劉 耕，吳禮國，徐 奎

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016)

1 工程概況

岷江犍為樞紐位于四川省樂山市岷江下游的犍為縣境內(nèi)，上距規(guī)劃的東風(fēng)巖梯級約20.2 km、距樂山市岷江犍為大橋上游約1.45 km，下距犍為大橋約1.4 km、距規(guī)劃的龍溪口樞紐約31.1 km。岷江犍為樞紐壩址控制流域面積為12.7萬km2，樞紐設(shè)計(jì)正常蓄水位為335 m，電站總裝機(jī)容量為500 MW，總庫容為2.28億m3，整個項(xiàng)目建設(shè)總工期為65個月。

岷江犍為樞紐是一座綜合性利用工程，以航運(yùn)為主，航電結(jié)合。該工程的主要水工建筑物從左至右依次為：左岸重力壩段、電站廠房壩段、28孔泄洪(沖沙)閘壩段、船閘及右岸重力壩等，大壩軸線總長1.1 km，樞紐效果見圖1。岷江犍為樞紐所在岷江河段航道維護(hù)現(xiàn)狀按照大件船舶進(jìn)行維護(hù)，規(guī)劃為Ⅲ級，因此船閘按照Ⅲ級進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺度為200 m×34 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，設(shè)計(jì)代表船舶為1 000噸級單船。

圖1 岷江犍為樞紐建成后效果

根據(jù)樞紐總體施工步驟及施工組織計(jì)劃，樞紐施工共分為3個階段，其中二期圍堰階段主要完成大壩左側(cè)電站及右側(cè)船閘施工，屆時須通過在樞紐中間開挖臨時航道導(dǎo)流，同時兼顧通航需求。根據(jù)工期安排，二期圍堰施工的時間為工程開工后的第3年11月1日，初步估算至次年5月31日結(jié)束，共計(jì)7個月。由于在枯水期施工，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯期10 a一遇洪水流量(Q=6 300 m3/s)[1]。本文針對臨時航道通航相關(guān)問題采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行深入研究。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和工況

2.1 模型設(shè)計(jì)

工程河段河面寬闊，最寬達(dá)到1.3 km，水深較淺，導(dǎo)致江心洲發(fā)育明顯，在枯水期水流歸槽河道彎曲，灘槽分布較密。結(jié)合工程河段河勢和樞紐總體布置，綜合考慮模型與原型的相似性，本次試驗(yàn)擬定模型模擬范圍為：從大壩上游2.7 km開始，向下至大壩下游1.38 km結(jié)束，模擬河段總長約4 080 m。

為了達(dá)到物理模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及相似性，保證模擬精度，結(jié)合工程河段河流特性、水文泥沙條件、航道尺度、模型大小及場地等因素，最終認(rèn)定幾何比尺為1:100的正態(tài)水工模型較為合適。根據(jù)模型設(shè)計(jì)相似性準(zhǔn)則，該模型流速比尺為1:10[2]，模型試驗(yàn)各項(xiàng)比尺為：幾何比尺為1:100，時間比尺和速度比尺為1:10，排水量比尺和推力比尺為1:1 000 000。

本次模型設(shè)計(jì)船型主要參照岷江現(xiàn)有及規(guī)劃船型，船舶載質(zhì)量等級為1 000噸級，其單船尺度為67.5 m×10.8 m×2.0 m(總長×型寬×設(shè)計(jì)吃水，下同)，靜水航速18.0 km/h，船模舵角范圍為左35°～右35°。

2.2 試驗(yàn)量測設(shè)備

為保證模擬的精確性，模型進(jìn)口為流量控制，采用翻板門調(diào)控尾水位；模型河段沿程水位主要采用傳統(tǒng)測針讀取，表面流速采用DLS-2型旋漿流速儀進(jìn)行測定。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

以犍為樞紐二期圍堰階段通航問題作為試驗(yàn)對象，屆時須通過在樞紐中間開挖臨時航道導(dǎo)流，同時兼顧通航需求，設(shè)計(jì)臨時航道全長2 500 m、寬180 m、彎曲半徑800 m，河底高程為316.00～312.25 m，平均坡降1.5‰，通過模型試驗(yàn)測定各級流量下工程前后壩址附近區(qū)域的水位、流速及流態(tài)變化。

2.4 試驗(yàn)工況

在各級流量范圍內(nèi)，選擇6種代表性的工況，見表1。

表1 模型試驗(yàn)工況

模擬過程中尾門控制條件是采用大壩下游1 380 m處水位-流量關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 模型采用的水位-流量關(guān)系曲線

3 施工導(dǎo)流方案

根據(jù)施工總體布置，在二期圍堰施工階段采用上下游土石圍堰，一期施工完成的右側(cè)上、下游混凝土縱向?qū)野吨骱哟?，施工船閘和靠右岸的18孔泄水閘等，在此期間左岸電站廠房在其全年圍堰圍護(hù)下繼續(xù)施工。上游橫向圍堰為折線形，圍堰長約771 m、頂寬8 m、頂高程325.3 m，設(shè)計(jì)擋水位為323.75 m，與縱向圍堰夾角為140.1°；下游橫向圍堰亦為折線形，圍堰長約958 m、頂寬8 m、頂高程324.90 m，設(shè)計(jì)擋水位323.10 m；縱向圍堰利用泄水閘右岸縱向?qū)?。施工布置見圖3。

圖3 施工平面布置

4 臨時航道通航水力學(xué)試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

在施工階段，工程河段采用設(shè)計(jì)臨時航道解決施工期導(dǎo)流及臨時通航問題。根據(jù)物理模型試驗(yàn)情況，由于開挖臨時航道，枯水期水流歸槽，主流從設(shè)計(jì)臨時航道下泄較為通暢。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)工程河段流量為550 m3/s時，大壩上游河段水面整體出現(xiàn)下降，下降幅度約0.5 m。除設(shè)計(jì)臨時航道進(jìn)口段水位下降幅度較大，導(dǎo)致局部最小水深僅為1.55 m，無法滿足1 000 t船舶航行所需的1.8 m水深要求外，其余大部分區(qū)域流態(tài)平順，水深滿足通航要求。

隨著流量的增大，當(dāng)達(dá)到1 000 m3/s時，整個工程河段水流依然平順，流速變化幅度較小，流速范圍為1.9～2.4 m/s，由于流量得到增加、水位整體上漲，枯水期設(shè)計(jì)航道進(jìn)口處水深不足的礙航情況得到消除，整個工程區(qū)水流及通航條件較好。

當(dāng)流量繼續(xù)增加至3 000 m3/s時，水流依然平順，流速變化幅度逐漸變大，最大達(dá)到0.6～3.4 m/s，觀測表明在工程河段適合船舶上行的區(qū)域位于河段右側(cè)，寬度約80 m，該區(qū)域流速小于3 m/s；在設(shè)計(jì)航道進(jìn)口處的水位較工程前降低約0.57 m，該區(qū)域流速變化幅度不大，范圍在2.3～2.8 m/s，水流及通航條件均較好；在設(shè)計(jì)航道中段壩址附近區(qū)域，原臨時航道設(shè)計(jì)寬度縮窄為180 m，而工程河段原河寬在1 km以上，大幅縮窄后導(dǎo)致流速整體增加較大，部分區(qū)域達(dá)到了3.4 m/s，適合船舶航行的緩流區(qū)(流速小于3.0 m/s)僅局限在航道右側(cè)50 m范圍內(nèi)，由于流速大幅增加導(dǎo)致右岸側(cè)圍堰頭部出現(xiàn)了不良的繞流流態(tài)，同時該段存在部分區(qū)域水面比降突變，最大達(dá)到1.4‰，船舶上行存在一定困難；在設(shè)計(jì)航道下游段逐漸擺脫圍堰限制，過渡至天然航道，河寬逐漸放寬，水流流速也趨緩至2.5 m/s左右，整體效果較好。

當(dāng)流量繼續(xù)增加至3 500 m3/s時，工程區(qū)整體流速依然呈現(xiàn)增大趨勢，受到壩址處河寬限制，壩址處部分區(qū)域水面出現(xiàn)陡比降，最大達(dá)到1.8‰，對于船舶上行較不利。然而當(dāng)工程河段流量進(jìn)一步增加時，工程河段水流條件進(jìn)一步惡化，堤頭附近的繞流流態(tài)更為明顯，當(dāng)增加至Q=5 000 m3/s時，流速持續(xù)增大，局部區(qū)域達(dá)到4 m/s以上，且上述陡比降區(qū)的比降進(jìn)一步擴(kuò)大至2.70‰，根據(jù)《航道工程手冊》[3]統(tǒng)計(jì)資料，對于山區(qū)卵石河床的航道，灘險段航線上允許最大流速3.0～3.5 m/s，比降2%～3‰，考慮到工程河段上行船舶大多數(shù)為空載或半載狀態(tài)，取最大流速3.5 m/s。表明該流量下對于船舶航行較為不利，尤其是船舶上行極為困難，無法自航上灘，須采取一定的助航措施，而下行船舶的難點(diǎn)主要集中在船舶操控性上。

上述試驗(yàn)分析表明：在該段施工期工程河段河勢由工程前彎曲河段改為相對較順直的設(shè)計(jì)臨時航道，且通過開挖河心航道導(dǎo)流并通航，由于枯水期水流歸槽導(dǎo)致在枯水位壩址上游水位出現(xiàn)下降，特別是流量為550 m3/s時，設(shè)計(jì)航道進(jìn)口出現(xiàn)航道出淺的情況；隨著試驗(yàn)流量的增加，在設(shè)計(jì)航道中段水面比降開始變大，受到設(shè)計(jì)航道寬度的限制，流速同樣得到增加，在流量進(jìn)一步增大過程中，特別是達(dá)到3 000 m3/s后在右側(cè)圍堰的堤頭開始出現(xiàn)不良的繞流流態(tài)，礙航特征較為明顯。

4.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)

4.2.1優(yōu)化方案的布置

1)優(yōu)化航道設(shè)計(jì)縱坡和設(shè)計(jì)高程。將壩址以上縱底坡由0.15%減小至0.092%，壩軸線以下底坡由0.15%調(diào)整為0.14%，同時將閘壩段設(shè)計(jì)航道整體抬高1～315 m。

2)調(diào)整航道部分區(qū)域高程。通過采用回填的方式抬高左岸10孔泄洪閘預(yù)留消力池與上、下游河床高差超過2 m部分，避免出現(xiàn)跌水、氣泡水等不良流態(tài)。

3)右岸上游布置1道下挑丁壩，設(shè)計(jì)壩頂高程為321 m，優(yōu)化方案布置見圖4。

圖4 調(diào)整后平面布置

根據(jù)試驗(yàn)觀測，實(shí)施一系列優(yōu)化方案后[4-5]，各級流量下工程河段水流條件得到一定改善，由表2可知，當(dāng)流量為550 m3/s，優(yōu)化方案較天然情況僅下降0.20～0.24 m，較原設(shè)計(jì)方案抬高約0.42 m，原航道進(jìn)口處水深不足的區(qū)域基本得到改善，水流及通航條件得到明顯改善，隨著流量的增加，工程河段水深逐漸增大，礙航灘情消失，當(dāng)流量超過3 000 m3/s時，工程河段水位較天然情況下水深有所增大。

表2 化方案與天然情況水位比較

由表3可知，當(dāng)工程河段流量為1 000 m3/s，河段流速變化不大，較為平順，整體流速小于2.0 m/s，通航條件較好；當(dāng)流量增加至3 000 m3/s，整體流速變化較小，流態(tài)平穩(wěn)，流速在3.5 m/s左右，由于上游挑壩的建成，將圍堰頭部繞流削弱，水流經(jīng)丁壩提早收縮后，在臨時航道內(nèi)流態(tài)分布區(qū)域均勻，且右岸縱向?qū)︻^部的繞流流態(tài)較弱，但受臨時航道河寬的限制，壩址段水流流速整體較大，船舶上航上灘仍較為困難；當(dāng)流量增加至5 000 m3/s，河段流速也普遍增加，與原設(shè)計(jì)基本一致，而在原設(shè)計(jì)中出現(xiàn)在壩址處的陡比降得到緩解，最大比降減小至2.1‰，但受限于流速依然較大，船舶依然無法自航上灘。但原圍堰堤頭的繞流流態(tài)得到一定消除，使臨時航道中游壩址段水流進(jìn)一步分散，下行船舶仍可在河心下行。

表3 航道中段(壩軸線)兩方案流速比較

由表4可知，在上游大橋處船舶綜合航行阻力變化較小，船舶綜合航行阻力值較小，在5 000 m3/s流量下其值依然在0.6以下；在臨時航道中段，受到河寬限制，整體流速較高，測得在1 000 m3/s和5 000 m3/s流量下，船舶綜合航行阻力均有所減小，在3 000 m3/s流量下則有所增大，表明優(yōu)化前后各級流量下船舶綜合航行阻力變化均不大。

表4 兩方案船行綜合阻力系數(shù)比較

以上模型試驗(yàn)表明，在該階段實(shí)施優(yōu)化方案后，在抬高上游設(shè)計(jì)航道進(jìn)口段水位的同時，基本消除或改善了原圍堰堤頭的繞流，使設(shè)計(jì)航道中游段整體水流發(fā)散更為均勻，水面比降趨緩，流向平順，對于船舶航行較為有利。

4.2.2優(yōu)化方案的通航水流條件

優(yōu)化后依然采取Q=550～6 300 m3/s共5級流量進(jìn)行模擬。

4.2.3優(yōu)化方案的船模試驗(yàn)

根據(jù)前期模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在臨時航道中游壩址段水面比降較大，該區(qū)域整體流速較高，水流及通航條件較為困難，因此為更精確地反映設(shè)計(jì)航道內(nèi)船舶航行狀態(tài)，擬定增加船模試驗(yàn)測定船舶航行姿態(tài)，試驗(yàn)航段長約1.1 km，試驗(yàn)流量為Q=3 000 m3/s。試驗(yàn)成果見表5。

表5 試驗(yàn)成果

1)船舶上行情況。在Q=3 000 m3/s時，1 000 t船舶自航上行平均航程為1 128 m，最大舵角為23.25°，最大漂角為68.93°，最小航速為0.63 m/s(2.27 km/h)，航行時間為9.96 min，平均航速為1.93 m/s(6.95 km/h)。船模試驗(yàn)上行最小航速的安全限值和安全舵角限值分別為0.43 m/s和25°，雖均滿足要求，但幾乎無安全富余度，因此船舶雖然可以自航上行，但安全富余度較低。

2)船舶下行情況。在Q=3 000 m3/s時，1 000 t船舶下行平均航程為1 076 m，最大舵角為20.18°，最大漂角為16.37°，最大航速為6.88 m/s(24.77 km/h)，航行時間為2.81 min，平均航速為6.40 m/s(23.04 km/h)，各項(xiàng)參數(shù)均小于限值，并有一定的富余度，因此可以說明船舶可下行通過工程河段。

3)最佳航線、駕駛方式和航行難點(diǎn)。上行：根據(jù)物模試驗(yàn)可知，壩址區(qū)域整體流速較大，船舶上行困難，同時結(jié)合船模試驗(yàn)表明船舶自航上行較為困難。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)上行船舶是先從設(shè)計(jì)航道下游右側(cè)上行，進(jìn)入臨時航道后貼至岸邊25 m左右繼續(xù)上行，在右側(cè)圍堰上游段的堤頭處開始過河至左岸側(cè)，然后沿左岸緩流繼續(xù)上行。試驗(yàn)表明：在整個工程河段船舶上行的難點(diǎn)集中在設(shè)計(jì)航道的上游的高流速和大比降區(qū)，船舶在此段航行時應(yīng)小心用舵。下行：由于無礙航流態(tài)，船舶下行較為容易。

綜上所述，在該施工階段，1 000噸級船舶最大通航流量為3 000 m3/s，船舶雖可自航上行，但其對岸航速較低，具有一定困難，因此建議可采取一定助航措施。

5 結(jié)語

1)為研究岷江犍為樞紐施工期通航問題，采用水工模型試驗(yàn)及船模試驗(yàn)研究圍堰施工階段臨時航道水流學(xué)條件，試驗(yàn)表明原設(shè)計(jì)方案在枯水期進(jìn)口處水深不足、隨著流量增加縱向圍堰堤頭逐漸出現(xiàn)繞流流態(tài)，對船舶航行極為不利。

2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，實(shí)施優(yōu)化方案后基本消除或改善了上游進(jìn)口處枯水期礙航及中洪水期圍堰堤頭繞流流態(tài)，使設(shè)計(jì)航道中游段流速分布整體更為均勻、流向平順、水面比降趨緩，增大了船舶自航上、下行的安全性。表明該優(yōu)化方案是有效的。

3)優(yōu)化方案船舶試驗(yàn)表明，1 000噸級船舶最大通航流量為3 000 m3/s，船舶雖可自航上行，但其對岸航速較低，具有一定困難，因此建議可采取一定助航措施。