桃源樞紐下游口門區(qū)通航水流條件改善措施研究

沈科 湖南省水運建設(shè)投資集團(tuán)有限公司

1.工程概況

本通航水流條件改善工程為桃源至常德航道整治工程，屬洞庭湖水系，有南北兩源，南源為龍頭江，北源為重安江。沅水全長1218km，覆蓋湘西、黔東、渝東與鄂西部分地區(qū)，整個流域的主要地形為山地，河流大致地勢走向為西北-東南，流域面積90000km2。本標(biāo)段桃源至陬市航段整治工程按三級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，整治航道長約10km，位于桃源縣城與陬市鎮(zhèn)之間，桃源樞紐下游。本航道整治工程的主要目標(biāo)為提升沅水航運能力，以水運發(fā)展為帶動點，優(yōu)化升級綜合交通運輸體系。

2.桃源樞紐下游口門區(qū)通航水流條件判別

2.1 通航標(biāo)準(zhǔn)

沅水浦市至常德296km航道并配套建設(shè)支持保障系統(tǒng)。浦市至桃源樞紐段248km航道按Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)整治，航道尺度為1.9m×50m×330m（水深×航寬×彎曲半徑），單向通航孔8×45m（凈高×凈寬），雙向通航孔8×90m；桃源樞紐至常德段48km航道按Ⅲ航道標(biāo)準(zhǔn)整治，航道尺度為2.0m×60m×480m，單向通航孔10×55m，雙向通航孔10×110m。通航保證率為98%。

2.2 試驗分析

2.2.1 潛壩結(jié)構(gòu)試驗

綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)與工程實際情況，確定采用堆石壩結(jié)構(gòu)。堆石壩結(jié)構(gòu)具有壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強(qiáng)、材料來源多樣以及施工工藝簡單等優(yōu)勢，是一種兼具質(zhì)量優(yōu)勢與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的壩體結(jié)構(gòu)，在我國的航道整治工程得到了廣泛的應(yīng)用，但這種壩體結(jié)構(gòu)對潛壩塊石粒有嚴(yán)格限制，按照水流速＞3m/s，采用以下計算公式：

式中：d為塊石等容粒徑，m；Vf為建筑物處的最大表面流速，m/s。

在調(diào)查本航道整治工程中的河段斷面平均流速后，可以確定水流書均≤3m/s，但為了提高壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與保證通航的安全性，Vf取值4.0m/s，塊石等容粒徑d取值為0.64m。

單個塊石的穩(wěn)定重量（kg）為：

式中：r為塊石的半徑，m；bγ為塊石的密度，kg/m3，取值2650kg/m3。

計算得塊石重量W=363.73kg，故平均單塊重量在365kg以上為標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 斜坡式石籠壩試驗

本航道整治工程的斜坡式石籠壩長20 0m，壩體高度在2～9m范圍內(nèi)變化，壩體橫斷面兩側(cè)坡比均為1∶1，頂寬3m。石籠壩底部修筑1.5m厚的塊石基礎(chǔ)。根據(jù)上文中潛壩塊石單塊重量計算的相關(guān)內(nèi)容，確定位于石籠壩的單個石籠的體積與重量。通常情況下，石籠的單個體積會超出1m3的范圍，根據(jù)石籠密度（1750kg/m3）可進(jìn)一步確定單個石籠的重量，即單個石籠重量≥1750kg。以石籠常用規(guī)格為基準(zhǔn)，并且預(yù)留出適量的空間，確定石籠壩外側(cè)的單個石籠體積≥1.5m3，并嚴(yán)格按照石籠壩計算方法計算得到石籠壩安全系數(shù)，石籠壩安全系數(shù)見表1，并根據(jù)相應(yīng)的組合方式確定壩體的抗滑、抗傾與抗浮設(shè)計。

表1 石籠壩安全系數(shù)表

此外，斜坡式石籠壩對所選用的石料也有限制，需滿足級配要求，同時保證石料品質(zhì)優(yōu)良、質(zhì)地堅硬以及遇水穩(wěn)定性好，并且是不容易破碎和水解的材料，對濕抗壓強(qiáng)度也有要求，保證濕抗壓強(qiáng)度＞50MPa，軟化系數(shù)＞0.7，密度≥2.65t/m3，自重為65～150kg。

2.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)潛壩結(jié)構(gòu)試驗、斜坡式石籠壩試驗結(jié)果顯示，上游來流量會對桃源樞紐下游口門區(qū)通航造成影響，當(dāng)上游來流量Q＜996.0m/s時，受到地形的影響，桃源樞紐下游口門區(qū)會形成較大范圍的弱回流區(qū)，但其他流速指標(biāo)均不超出設(shè)計規(guī)范值，上游來流量Q為996.6m/s時，下游回流流速值稍微高于設(shè)計規(guī)范值，當(dāng)上游來流量＞996.6m/s，下游回流流速遠(yuǎn)超出設(shè)計要求，初設(shè)方案設(shè)計為開啟調(diào)整泄洪（沖沙）闡開度的方式，進(jìn)而控制上游來流量，縮減回流區(qū)域，改善桃源樞紐下游口門區(qū)通航水流條件，為船舶航行提供一個安全穩(wěn)定的航運環(huán)境。

3.下引航道口門區(qū)及下游連接段通航條件的改善措施

綜合考慮航道整治工程需要，分析下引航道口門區(qū)與桃源至常德航道通航水流條件，經(jīng)反復(fù)研究與討論，最終確定調(diào)整壩下游河床，確定整治深度與范圍，實施開挖，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)節(jié)下泄水流流向，控制桃源樞紐下游口門區(qū)形成的弱回流區(qū)面積與控制下游回流流速。

3.1 擴(kuò)大電站尾水渠下游河床的開挖范圍

從原河床右側(cè)位置繼續(xù)向右側(cè)推進(jìn)開挖，拓寬河床，擴(kuò)大寬度約為65m，延長上游河床長度，向下游延長140m，根據(jù)地形情況調(diào)整電站尾水與閘壩下泄水流流向，使得水流向河道左側(cè)流動，控制主流斜沖方向與程度，降低其對桃源樞紐下游口門區(qū)的影響。

3.2 適當(dāng)增削源頭部布置

關(guān)注到初設(shè)航道整治方案中源頭部伸入河中的數(shù)量占比較大，加之受到電站尾水頂托作用的影響，增加了桃源樞紐下游口門區(qū)回流出現(xiàn)概率，擴(kuò)大了回流的面積，因而必須從設(shè)計方案入手，適當(dāng)削減源頭部布置，擴(kuò)大原設(shè)計源頭部開挖寬度，引導(dǎo)水流流向。

3.3 調(diào)整下引航道左側(cè)及下游河床的開挖范圍

調(diào)整下引航道左側(cè)與下游河床的開挖范圍，調(diào)整原下游挖槽右側(cè)開挖邊界，使得其沿著順時針方向偏移21°，控制下引航道口門區(qū)和連接段的上下行航線與水流流向夾角，使其比初設(shè)方案減小了21°，開挖高程保持不變，開挖范圍調(diào)整至1.0km，調(diào)整上游左側(cè)開挖寬度，并且逐漸增加桃源樞紐下游航道寬度，使得擴(kuò)大到220m。

經(jīng)整治后，下游口門區(qū)的通航水流條件得到了顯著改善，下引航道口門區(qū)嚴(yán)重的回流問題得到了控制，并且當(dāng)上游來流量Q≥996.6m/s，下引航道口門區(qū)流速（縱向、橫線與回流）均不會超出設(shè)計規(guī)范值，在下游連接段，船舶上下行航行與水流流向的交角控制效果顯著。

結(jié)合前文中所提及的通航水流條件分析實際，經(jīng)改善后桃源樞紐下游口門區(qū)通航條件在上游來流量Q≤2900m/s與上游來流量Q在2900～5000m/s變化時，下游口門區(qū)的回流流速不超出設(shè)計規(guī)范值，并且船閘下引航道口門區(qū)及下游連接段的通航水流條件均符合安全通航標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。同時，當(dāng)船舶由支流航行到主流時船舶的橫向速度≥0.2m/s，根據(jù)主流方向1m、2m水深橫向速度分布云圖所示，主流與支流的匯流位置的橫向速度＜0.2m/s，滿足船舶通行安全通航要求。

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，桃源樞紐下游河流交叉段匯流區(qū)的主流與支流水流條件良好，流態(tài)穩(wěn)定，同時橫向水流流速滿足船舶航行要求，也與《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）相一致，不超出0.3m/s的安全允許范圍，船舶可安全穩(wěn)定地從支流航行到主流。同時，結(jié)合CFED數(shù)值模擬計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)整治改善后，桃源至常德的下引航道與下游連接段通航條件得到了明顯改善，河流交叉段主支流匯流區(qū)河道平面與斷面設(shè)計科學(xué)合理，可不用在匯流區(qū)增加設(shè)計船閘或套閘，工程經(jīng)濟(jì)性較高。

4.結(jié)語

受到地形、地質(zhì)等自然因素的影響，各水利樞紐工程的先天優(yōu)勢存在巨大差異，為了改善水利工程的通航條件，應(yīng)根據(jù)具體的水利工程進(jìn)行改造與合理布置，改善通航水流條件，發(fā)揮河道水運優(yōu)勢，優(yōu)化綜合交通體系。