青山樞紐改造工程整體布置方案

劉 領(lǐng)，王 能，林志遠(yuǎn)，江詩(shī)群，4，程永舟，4

(1.湖南省湘水集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410008；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410114；4.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

泄水建筑物是水利樞紐工程的重要組成部分，其泄流能力和結(jié)構(gòu)布置對(duì)工程中其他水工建筑物的安全使用起著十分重要的作用。胡旭躍等[1]對(duì)水利樞紐引航道及口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行了研究，闡述了引航道及口門區(qū)水流條件的影響因素。李君濤等[2]為論證和優(yōu)化漢江雅口擬建航運(yùn)樞紐總體布置，對(duì)樞紐泄流能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉達(dá)等[3]基于整體定床模型試驗(yàn)，對(duì)飛來(lái)峽水利樞紐船閘通航水流條件進(jìn)行試驗(yàn)研究。鄔年華等[4]基于物理模型試驗(yàn)對(duì)峽江水利樞紐引航道口門區(qū)水流條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，并給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置方案。楊文浩等[5]通過(guò)整體定床物理模型試驗(yàn)，對(duì)白石窯水利樞紐引航道布置及通航水流條件進(jìn)行研究，并給出了修改方案。本文對(duì)青山樞紐改建工程進(jìn)行整體物理模型試驗(yàn)研究，對(duì)比分析樞紐現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方案的泄流能力、上游口門區(qū)水流通航條件變化，提出改造布置優(yōu)化方案。

1 工程概況

青山樞紐位于湖南省常德市澧縣境內(nèi)，建于20世紀(jì)60年代，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一個(gè)以提水灌溉為主，兼顧航運(yùn)、發(fā)電等綜合利用的水利工程。澧水在樞紐上游約1.5 km分為兩汊，右汊為澧水干流，左汊繞至臨澧縣新安鎮(zhèn)，轉(zhuǎn)向東南向，于芭茅渡與右汊匯合，兩汊之間為洞子坪洲。青山樞紐壩址控制流域面積15 415 km2，多年平均徑流量485 m3/s，水庫(kù)正常蓄水位48.20 m(1985國(guó)家高程系統(tǒng))。見(jiàn)圖1。

圖1 青山樞紐現(xiàn)狀

青山樞紐處澧水右汊河道向右彎曲，右汊主壩址處河寬約600 m，從右至左主要建筑物為水輪泵站、100噸級(jí)船閘(已廢棄)、青山電站1(旁側(cè)引水)、中加電站、副壩、20×13 m泄水閘和青山電站2。

青山樞紐左汊壩址段河道較為順直，河寬約430 m，從左至右主要建筑物為滾水壩、12孔泄水閘、滾水壩。滾水壩采用挑流方式消能；12孔泄水閘凈寬96 m(12×8 m)；青山樞紐右汊原船閘為VI級(jí)船閘，由于樞紐的上下水位不銜接，船閘過(guò)船設(shè)施簡(jiǎn)陋、標(biāo)準(zhǔn)低，維護(hù)和管理跟不上，己造成青山船閘事實(shí)上的斷航。

青山樞紐改造工程保持右汊建筑物不變，拆除左汊現(xiàn)有建筑物，新建1 000噸級(jí)船閘和泄擋水建筑物。本研究通過(guò)整體模型試驗(yàn)研究樞紐整體布置方案，要求改建后泄流能力不低于改造前，且能夠滿足船舶通航要求。

2 物理模型

2.1 模型設(shè)計(jì)

基于幾何相似、重力相似等準(zhǔn)則，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地大小、模型最小水深要求等，物理模型幾何相似采用1:110正態(tài)比尺，水尺布置及左汊樞紐布置見(jiàn)圖2、3。

圖2 青山樞紐整體模型及水尺布置

2.2 模型加糙

根據(jù)實(shí)測(cè)樞紐河段沿程水位及流量資料，通過(guò)計(jì)算可知樞紐河段綜合糙率為0.031～0.068，其中上游河段綜合糙率大于下游河段、枯水期大于洪水期。

由于樞紐河段綜合糙率為0.031～0.068，根據(jù)糙率比尺λn=2.189可知，物理模型綜合糙率為0.014～0.031。

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1水面線驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)對(duì)模型配糙反復(fù)調(diào)整后，實(shí)測(cè)3級(jí)流量枯水136 m3/s、中水822 m3/s、洪水4 631 m3/s條件下水面線，模型中水水位水面線(左汊)與原型水面線對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 中水水位驗(yàn)證結(jié)果

模型沿程水位與實(shí)測(cè)水位基本一致，模型水位與原型水位的偏差均在規(guī)程規(guī)定的山區(qū)河流模型允許偏差0.10 m以內(nèi)，滿足模型與原型阻力相似基本要求。

2.3.2斷面流速驗(yàn)證

為了保證模型與原型水流運(yùn)動(dòng)相似，模型制作完成后根據(jù)實(shí)際斷面流速分布資料進(jìn)行典型斷面流速分布驗(yàn)證。由于枯水Q=136 m3/s時(shí)原型觀測(cè)流速均小于0.15 m/s，模型流速小于1.43 cm/s，流速儀已無(wú)法測(cè)量，因此只對(duì)中水Q=822 m3/s、洪水Q=4 631 m3/s兩級(jí)流量的斷面流速分布進(jìn)行驗(yàn)證。原型觀測(cè)斷面較多，驗(yàn)證時(shí)選取左汊QCS5、右汊QCS6兩個(gè)典型斷面進(jìn)行驗(yàn)證，中水條件驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 中水Q=822 m3/s斷面流速分布驗(yàn)證結(jié)果

由模型斷面流速分布與原型實(shí)測(cè)斷面流速分布對(duì)比可以看出，模型兩級(jí)流量情況下斷面流速分布形態(tài)與原型相似，流速最大偏差絕對(duì)值不超過(guò)15%，滿足試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)要求。

2.3.3分流比驗(yàn)證

在進(jìn)行斷面流速分布驗(yàn)證時(shí)，觀測(cè)分流前QCS2、左汊QCS5、右汊QCS6共3個(gè)典型斷面流速；通過(guò)計(jì)算斷面流量，斷面QCS2總流量、左汊QCS5流量、右汊QCS6流量與原型值進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型洪、中水期汊道分流比與原型接近，左汊流量偏差絕對(duì)值分別為2.56%和1.58%，小于規(guī)程規(guī)定的5%，滿足試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)要求。

3 整體模型試驗(yàn)工況與方案

3.1 試驗(yàn)工況

由于樞紐河段兩岸大堤高程為54～55 m，因此，整體模型試驗(yàn)最大流量只能做到50 a一遇洪水。整體模型泄流能力試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 泄流能力試驗(yàn)工況

3.2 研究方案

該工程主要是改建左汊副壩建筑物及新建船閘，船閘、泄洪建筑改造后，調(diào)整了副壩各建筑物的布置，所涉及到的主要問(wèn)題如下：1)新建泄水建筑物泄流能力；2)施工導(dǎo)流；3)船閘上引航道進(jìn)口通航水流條件。該工程中主要改造對(duì)象為左汊，右汊在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行維護(hù)，不做大的改動(dòng)，因此以上所涉及的工程問(wèn)題主要在左汊。

基于所涉及的主要問(wèn)題，進(jìn)行了樞紐現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2共4種工況下的樞紐泄流能力試驗(yàn)，分析比較各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出最優(yōu)布置方案。

1)設(shè)計(jì)方案樞紐布置。拆除左汊原有副壩，壩軸線下移約300 m，新建船閘1座13孔泄水閘。設(shè)計(jì)方案自左至右建筑物分別為左岸接岸建筑物、船閘和泄水閘，船閘規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m，泄水閘每孔凈寬16 m、堰頂高程42.0 m、閘墩厚2.5 m、凈泄流寬度208 m。同時(shí)，設(shè)計(jì)方案對(duì)左汊副壩下游開(kāi)挖到高程38.0 m；航道設(shè)計(jì)寬度60 m，下游航道范圍內(nèi)高程高于37.0 m的范圍開(kāi)挖到37.0 m高程，拆除左汊漫水橋。

2)優(yōu)化方案1。壩左側(cè)2孔泄水閘改為2孔溢流壩(堰頂高程51.8 m，要求在最大通航流量14 200 m3/s以下不溢流)，同時(shí)泄水閘上游開(kāi)挖到41.0 m高程(泄水閘上游由38.0 m高程按照1:20過(guò)渡到41.0 m)。上游導(dǎo)航墻頭部加長(zhǎng)34 m，并向河側(cè)外挑7°，在設(shè)計(jì)方案隔流墩的基礎(chǔ)上增加3個(gè)隔流墩，隔流墩長(zhǎng)度與原設(shè)計(jì)一樣為20 m，將隔流墩間距由原來(lái)的20 m縮小至10 m。其主要目的是使樞紐泄流能力與現(xiàn)狀接近、同時(shí)將左汊主流偏向左汊的中右部位，改善船閘口門區(qū)通航水流條件。

3)優(yōu)化方案2。在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，右汊壩上游2 000 m范圍河底高程疏浚至43 m，減少1孔泄水閘，即泄水閘左側(cè)第1孔改為連接壩段，進(jìn)一步改善通航水流條件。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 水面線對(duì)比與分析

為綜合比較分析工程前后及各方案泄流能力情況，對(duì)各方案上游水面線及變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2在各級(jí)特征洪水時(shí)，模型試驗(yàn)范圍河段上游水面線均下降，圖6為各方案上游水面線對(duì)比。

圖6 上游水面線對(duì)比

分析各方案在各級(jí)特征洪水時(shí)上游水面線情況可知：

1)各方案模型試驗(yàn)范圍上游河段水位與現(xiàn)狀相比均下降，說(shuō)明各方案左汊泄流能力均大于現(xiàn)狀左汊泄流能力，其中設(shè)計(jì)方案泄流能力最大，其次為優(yōu)化方案2。

2)隨著流量增大，與現(xiàn)狀相比，模型試驗(yàn)范圍上游河段水位下降值減小，在設(shè)計(jì)洪水流量19 100 m3/s時(shí)，優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2泄流能力只稍大于現(xiàn)狀泄流能力。主要原因是現(xiàn)狀副壩泄水建筑物由泄水閘與滾水壩組成，在總泄流寬度中滾水壩占72.4%，流量相對(duì)較小時(shí)，滾水壩堰上水頭較小、泄流能力小(泄流能力與堰上水頭為1.5次方關(guān)系)。因此，改造方案全部設(shè)計(jì)為泄水閘方案后，在流量相對(duì)較小情況下其泄流能力遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀泄流能力、水位下降較大。

4.2 上游口門區(qū)通航條件對(duì)比與分析

4.2.1原設(shè)計(jì)方案通航條件

2 a一遇洪水Q=8 910 m3/s情況下，上游引航道口門區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，僅在口門上游約100 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.45 m/s；存在一定安全隱患(圖7)。

圖7 Q=8 910 m3/s時(shí)上引航道口門區(qū)局部橫流(單位：m/s)

流量Q=12 100 m3/s下，口門區(qū)縱向流速最大值1.8 m/s、橫向流速超過(guò)0.3 m/s，存在安全隱患。上游連接段縱向流速最大不超過(guò)1.94 m/s，滿足通航水流條件要求。

對(duì)應(yīng)10 a一遇洪水Q=14 200 m3/s情況，上游引航道口門區(qū)縱向流速最大約1.8 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，在口門上游約180 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大可達(dá)0.55 m/s。上游連接段縱向流速最大不超過(guò)2.01 m/s，滿足通航水流條件要求。

4.2.2優(yōu)化方案通航條件

4.2.2.1優(yōu)化方案1

Q=8 910 m3/s條件下，上游引航道口門區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s，大部分橫向流速不超過(guò)0.3 m/s；在口門上游約150～250 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，流速約為0.35 m/s。Q=14 200 m3/s條件下，上游引航道口門區(qū)縱向流速最大約1.8 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s；在口門上游約180 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，約為0.4m/s?？梢?jiàn)兩級(jí)流量下，僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s，滿足航行要求，且優(yōu)于設(shè)計(jì)方案。見(jiàn)圖8。

圖8 Q=8 910 m3/s時(shí)優(yōu)化方案1口門區(qū)局部橫流(單位：m/s)

4.2.2.2優(yōu)化方案2

Q=8 910 m3/s條件下，上游引航道口門區(qū)縱向流速不超過(guò)1.2 m/s，大部分橫向流速不超過(guò)0.2 m/s，在口門上游約150～250 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，約為0.25 m/s；Q=14 200 m3/s條件下，上游引航道口門區(qū)縱向流速最大約1.4 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.25 m/s，在口門上游約180 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.3 m/s?？梢?jiàn)兩級(jí)流量下，僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s。滿足航行要求，且優(yōu)于設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案1。見(jiàn)圖9。

圖9 Q=8 910 m3/s時(shí)優(yōu)化方案2口門區(qū)局部橫流(單位：m/s)

5 結(jié)論

1)各方案左汊泄流能力，在2 a一遇洪水至50 a一遇洪水期，均大于現(xiàn)狀左汊泄流能力。在流量相對(duì)較小時(shí)，各方案左汊泄流能力與現(xiàn)狀左汊泄流能力差異較大，隨著流量增大，在設(shè)計(jì)洪水流量19 100 m3/s時(shí)，優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2泄流能力只稍大于現(xiàn)狀泄流能力。

2)設(shè)計(jì)方案泄流能力雖大于優(yōu)化方案，但設(shè)計(jì)方案施工成本較高，口門區(qū)通航條件不如優(yōu)化方案，且優(yōu)化方案2口門區(qū)通航條件優(yōu)于優(yōu)化方案1。

3)綜合考慮各種因素，考慮副壩泄水建筑物設(shè)計(jì)的一致性、施工的方便性，推薦優(yōu)化方案2作為工程改造布置方案。