構(gòu)皮灘水電站通航建筑物第一級(jí)中間渠道布置與設(shè)計(jì)優(yōu)化

謝穎涵，汪亞超，吳經(jīng)干，胥勝洪

摘要：構(gòu)皮灘水電站通航建筑物是全線渠化烏江航道的重要環(huán)節(jié)，其中間渠道的布置關(guān)系到通航建筑物的通過能力、工程造價(jià)投資等諸多方面。為改善構(gòu)皮灘水電站擋泄水建筑物占據(jù)了主河床，通航建筑物中間渠道的布置空間有限，且受到地形地質(zhì)等多種邊界條件制約，布置難度較大等問題，通過采用曲進(jìn)直出方式過船、調(diào)整隧洞平面布置、調(diào)整錯(cuò)船段渡槽變寬方式、適當(dāng)增加渠道斷面系數(shù)等措施對(duì)構(gòu)皮灘通航建筑物第一級(jí)中間渠道總體布置進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了前期研究階段總體布置方案結(jié)構(gòu)尺度偏小、過船速度慢、影響通過能力等問題。研究提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用到構(gòu)皮灘水電站通航建筑物建設(shè)中，可為高山峽谷地區(qū)通航建筑物布置提供參考。

關(guān)鍵詞：通航建筑物； 第一級(jí)中間渠道； 渠道布置； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 構(gòu)皮灘水電站

中圖法分類號(hào)：U642.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.010

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0062-06

0引言

連接上下游通航建筑物的中間渠道是一種特殊的限制性航道，其與通航建筑物結(jié)合布置，為實(shí)現(xiàn)高山峽谷地區(qū)通航提供解決方案，在龍灘水電站、彭水水電站等中國西南地區(qū)通航建筑物建設(shè)中廣泛應(yīng)用［1-4］。關(guān)于通航建筑物中間渠道的水力學(xué)問題，中外學(xué)者進(jìn)行過較系統(tǒng)的研究，對(duì)渠道尺度與通航水流條件之間的關(guān)系進(jìn)行了探索與總結(jié)［5-7］，但通過工程措施對(duì)中間渠道通航條件加以改善的工程案例較少。受地形地質(zhì)、運(yùn)行水位等條件制約，高山峽谷地區(qū)的航道布置形式不一，尚無標(biāo)準(zhǔn)可循。本文針對(duì)構(gòu)皮灘水電站通航建筑物第一級(jí)中間渠道原布置方案中局部水流條件不滿足通航要求、渠道通過能力不滿足通過需求的弊端及不足，通過理論分析、模型試驗(yàn)等方法，對(duì)構(gòu)皮灘水電站通航建筑物第一級(jí)中間渠道的布置進(jìn)行優(yōu)化。

1工程概況

構(gòu)皮灘水電站為烏江干流水電開發(fā)的第7個(gè)梯級(jí)電站，距上游烏江渡水電站137 km，距下游思林水電站89 km。工程開發(fā)任務(wù)是發(fā)電，兼顧航運(yùn)、防洪等綜合利用。工程主要由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪孔、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、左岸通航建筑物等組成。

構(gòu)皮灘通航建筑物是樞紐三大主體建筑物之一，線路位于樞紐左岸煤炭溝至野狼灣一線，采用帶中間渠道的三級(jí)垂直升船機(jī)方案。其上游引航道采用開敞式布置，全長454 m，升船機(jī)主體段由三級(jí)鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)和兩級(jí)中間渠道組成，全長1 652 m，軸線方位角109°，下游引航道布置在馬鞍山“S”形急彎河段的出口段，右側(cè)布置長200 m的隔流堤與主河道隔開，通航建筑物線路總長約2 306 m。最高通航水頭199 m，設(shè)計(jì)代表船型為500 t級(jí)機(jī)動(dòng)駁，規(guī)劃過壩運(yùn)量單向125萬t/a。

參照J(rèn)TJ 305-2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTJ 307-2001《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，構(gòu)皮灘水電站通航建筑物級(jí)別為Ⅳ級(jí)，通航建筑物總體布置如圖1所示。

2第一級(jí)中間渠道布置與優(yōu)化

2.1前期研究階段布置方案

經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，構(gòu)皮灘通航建筑物方案選定帶中間渠道的三級(jí)垂直升船機(jī)方案［8］。中間渠道分為兩級(jí)，其中第一級(jí)中間渠道通航水位637.0 m，由1、2、3號(hào)通航明渠、通航隧洞及1、2、3號(hào)通航渡槽組成，全長979.5 m，其中隧洞段長335.0 m，渡槽段總長467.0 m，明渠段總長177.5 m。第一級(jí)中間渠道的錯(cuò)船段位于通航隧洞下游，由2號(hào)明渠、2號(hào)渡槽、3號(hào)明渠和3號(hào)渡槽上游段組成，總長度334.4 m，航寬38 m，導(dǎo)航、靠船設(shè)施按上、下行船舶均直線進(jìn)閘、曲線出閘運(yùn)行布置。

第一級(jí)中間渠道具體布置自上而下依次為：1號(hào)通航渡槽（長68.0 m），1號(hào)通航明渠（長72.1 m），通航隧洞（長335.0 m），2號(hào)通航明渠（長40.0 m），2號(hào)通航渡槽（長136.0 m），3號(hào)通航明渠（長65.3 m），3號(hào)通航渡槽（長263.0 m），布置簡圖見圖2。

通航明渠段總長165.6 m，均為挖方渠道，兩側(cè)各設(shè)5 m高重力式擋水墻，渠底設(shè)50 cm厚混凝土板。隧洞斷面型式為城門洞型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后隧洞凈高15.0 m，寬16.0 m，兩側(cè)高程639 m，各設(shè)2 m寬安全通道，隧洞航槽凈寬12 m；通航隧洞進(jìn)口設(shè)擋水閘首，閘首頂高程640.5 m，布置一道平板閘門抵御水庫校核洪水，閘首頂部設(shè)公路橋與大壩連通。通航渡槽段總長467 m，凈寬12～38 m，均采用簡支渡槽，單跨長度一般為34 m，渡槽上部承重結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力T型梁拼裝而成，渡槽下部結(jié)構(gòu)視架空高度不同分別采用重力式橋臺(tái)、柱式橋墩及矩形薄壁空心墩等型式，渡槽最大墩高105 m。為簡化渡槽結(jié)構(gòu)，3號(hào)通航渡槽單向渠道段與錯(cuò)船段采用臺(tái)階式變寬銜接。

前期研究階段布置方案基本滿足通航要求，但仍存在渡槽、隧洞尺度偏小、過船速度慢、影響通過能力等不足?；谇叭碎_展過的相關(guān)研究［9-11］，本文針對(duì)工程的技術(shù)特點(diǎn)和自然條件，考慮對(duì)第一級(jí)中間渠道布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高通航建筑物的通過能力，充分發(fā)揮投資效益。

2.2優(yōu)化布置思路及措施

布置優(yōu)化以不改變工程總體布局為前提，旨在改善中間渠道通航條件并適當(dāng)提高船舶過壩通過能力，思路如下：① 調(diào)整船舶運(yùn)行方式，對(duì)應(yīng)調(diào)整中間渠道錯(cuò)船段結(jié)構(gòu)型式及尺寸，使二者相適應(yīng)；② 優(yōu)化通航隧洞平面布置及邊坡開挖型式，以減少開挖工程量并降低隧洞開挖對(duì)周圍建筑物擾動(dòng)；③ 合理增加單向渠道斷面系數(shù)，提高渠道通過能力，具體措施如下。

（1） 將第一級(jí)中間渠道船舶運(yùn)行方式由直進(jìn)曲出調(diào)整為曲進(jìn)直出。研究表明［12］，船舶采用曲進(jìn)直出方式通過中間渠道，可提高船舶在中間渠道交匯區(qū)內(nèi)的航行和交匯安全。由于曲進(jìn)直出運(yùn)行方式對(duì)船舶交匯區(qū)寬度要求小于直進(jìn)曲出運(yùn)行方式，對(duì)應(yīng)可適當(dāng)減小中間渠道錯(cuò)船段寬度。同時(shí)將錯(cuò)船段渡槽變寬方式由臺(tái)階狀突變調(diào)整為梯形漸變，提高中間渠道調(diào)度運(yùn)行方式的靈活性，改善中間渠道波流反射特性和建筑物外觀，但也在一定程度上增加了渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度。

（2） 將通航隧洞出口向下游側(cè)移動(dòng)約30 m，中間渠道錯(cuò)船段位置相應(yīng)后移，第二級(jí)升船機(jī)上游單向渡槽長度對(duì)應(yīng)縮短。通過深化設(shè)計(jì)，調(diào)整通航隧洞進(jìn)口位置及其洞臉邊坡形態(tài)，優(yōu)化通航隧洞襯砌厚度及其上游交通橋布置。

（3） 以不增加隧洞總寬度為前提，將通航隧洞段航槽兩側(cè)安全通道水下部分改為架空結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低隧洞底板高程、通航水深增至4.0 m，適當(dāng)增加第二級(jí)升船機(jī)上游單向渡槽段航槽寬度。

2.3優(yōu)化布置方案

布置優(yōu)化后，第一級(jí)中間渠道總長度、建筑物組成及總布置格局基本不變，渠道布置自上游而下游依次為：1號(hào)通航渡槽、1號(hào)通航明渠，通航隧洞、2號(hào)通航明渠，2號(hào)通航渡槽、3號(hào)通航明渠、3號(hào)通航渡槽。中間渠道錯(cuò)船段布置于通航隧洞出口下游，全長340.8 m，交匯段航寬37 m，采用反對(duì)稱布置，上下游變寬段擴(kuò)散角均為12.53°，上游變寬段長度為106 m，下游變寬段長度為99 m。錯(cuò)船段上游接總長度508.5 m的單向通航渠道與第一級(jí)升船機(jī)連接，下游接總長度為132 m的單向通航渠道與第二級(jí)升船機(jī)連接，錯(cuò)船段上下游單向通航渠道中心線偏距22.0 m。

（1） 1號(hào)通航渡槽。1號(hào)渡槽全長66 m，分為2跨，跨長均為33.0 m。上部承重結(jié)構(gòu)采用簡支預(yù)應(yīng)力T型梁，T型梁通過橫隔板、后澆帶和防滲層連成一整體結(jié)構(gòu)；兩側(cè)擋水墻采用框架結(jié)構(gòu)并兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結(jié)構(gòu)由橋臺(tái)、橋墩及其基礎(chǔ)組成。

（2） 1號(hào)通航明渠。1號(hào)明渠全長71.1 m。明渠兩側(cè)邊墻采用貼坡式重力墻，墻頂高程639.0 m，墻體上部布置管線廊道，底板采用50 cm厚的襯砌混凝土防滲。明渠頂部設(shè)寬8.0 m的交通橋，接兩側(cè)道路形成左岸上壩交通。1號(hào)通航明渠在交通橋下游側(cè)設(shè)一道平板閘門，以抵御水庫校核洪水。

（3） 通航隧洞。通航隧洞全洞長369.7 m，進(jìn)洞口較前期研究階段上移4.8 m，出洞口較前期研究階段下移29.9 m。隧洞斷面型式為城門洞型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后隧洞凈尺寸16.0 m×16.0 m（高×寬）。隧洞兩側(cè)高程639 m各設(shè)2 m寬安全通道兼作管線通道，安全通道水下部分采用架空結(jié)構(gòu)，隧洞航槽凈寬12 m，通航水域?qū)?6 m，工作水深4 m。

（4） 2號(hào)通航明渠。2號(hào)通航明渠位于通航隧洞出口、中間渠道錯(cuò)船段。明渠兩側(cè)為5 m高重力式擋水墻，墻后采用石渣混合料回填至墻頂高程639.0 m，底板采用50 cm厚的襯砌混凝土防滲。

（5） 2號(hào)通航渡槽。2號(hào)通航渡槽位于中間渠道錯(cuò)船段，槽寬由22 m漸變至37 m。渡槽上部承重結(jié)構(gòu)由若干片變間距預(yù)應(yīng)力T型梁拼裝而成，渡槽兩側(cè)為框架式擋水墻兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結(jié)構(gòu)由橋臺(tái)、橋墩及其樁基礎(chǔ)組成。

（6） 3號(hào)通航明渠。3號(hào)通航明渠全長70 m，兩側(cè)擋水墻設(shè)計(jì)及底板防滲處理與2號(hào)通航明渠相同，優(yōu)化方案的3號(hào)明渠典型斷面見圖3。

（7） 3號(hào)通航渡槽。3號(hào)渡槽由8跨構(gòu)成，全長264 m。上部承重結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力T型梁拼裝而成，渡槽變寬段T型梁按變間距布置，渡槽兩側(cè)擋水墻采用框架結(jié)構(gòu)并兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結(jié)構(gòu)由橋臺(tái)、橋墩及其樁基組成。優(yōu)化方案的3號(hào)渡槽典型斷面見圖4，優(yōu)化方案各部位主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，優(yōu)化方案布置簡圖見圖5。

3優(yōu)化方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

（1） 前期研究方案中，第一級(jí)升船機(jī)和第二級(jí)升船機(jī)的（最大）提升高度分別為47 m和127 m，按正常運(yùn)行速度15 m/min計(jì)算，對(duì)應(yīng)單閘次提升時(shí)間分別為6.2 min和17 min，第二級(jí)升船機(jī)承船箱提升時(shí)間比第一級(jí)多10.8 min，通航建筑物通過能力受第二級(jí)升船機(jī)控制。

與前期研究階段方案相比，優(yōu)化方案通過適當(dāng)調(diào)整中間渠道錯(cuò)船段位置和平面布置形態(tài)以及船舶進(jìn)出閘運(yùn)行方式，將第二級(jí)升船機(jī)進(jìn)出閘船舶的運(yùn)行距離縮短了約80 m，經(jīng)估算，第二級(jí)升船機(jī)雙向運(yùn)行一次過閘時(shí)間可節(jié)約3 min左右，相應(yīng)通過能力可提高5%。優(yōu)化方案第一級(jí)升船機(jī)進(jìn)出閘船舶運(yùn)行距離增加了約33 m，雙向運(yùn)行一次過閘時(shí)間增加了1 min左右，優(yōu)化后第一級(jí)、第二級(jí)升船機(jī)的平均過閘時(shí)間差縮小。

（2） 在不顯著增加工程技術(shù)難度和工程量的前提下，優(yōu)化方案可適當(dāng)提高中間渠道單向航道的通航水域斷面系數(shù)，有利于改善船舶在單向渠道的航行條件，降低船舶航行引起的渠道水位波動(dòng)幅值及其對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)和船廂運(yùn)行安全的不利影響。中間渠道通航水力學(xué)模型試驗(yàn)成果表明，對(duì)于單向渠道，船舶航行阻力、下沉量和渠道水面波動(dòng)幅值受渠道斷面系數(shù)及船舶航速的影響較為顯著，在正常航行參數(shù)范圍內(nèi)，優(yōu)化方案的各項(xiàng)通航水力學(xué)指標(biāo)可滿足船舶在中間渠道安全航行的要求。

（3） 將中間渠道錯(cuò)船段的變寬方式由臺(tái)階狀突變調(diào)整為梯形漸變，雖一定程度上增加了渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度，但提高了渡槽利用率并有利于船舶交匯錯(cuò)船運(yùn)行安全。中間渠道通航水力學(xué)模型試驗(yàn)成果表明，采用曲進(jìn)直出運(yùn)行方式所需的交匯區(qū)寬度要小于直進(jìn)曲出運(yùn)行方式，運(yùn)行安全更有保證，從減小渡槽寬度考慮，宜采用曲進(jìn)直出運(yùn)行方式，相應(yīng)中間渠道變寬段采用漸變過渡。

（4） 主要工程量對(duì)比。與前期研究階段方案相比，優(yōu)化方案通過調(diào)整通航隧洞進(jìn)出口位置，大大減少了通航隧洞進(jìn)出口邊坡開挖量和邊坡高度，開挖量由前期研究階段的83萬m3減少為29萬m3，最大邊坡高度由180 m降低為120 m左右；通過調(diào)整錯(cuò)船段位置和平面形態(tài)，2號(hào)通航渡槽由4跨減為3跨，通航渡槽總平面面積由13 200 m2減少為11 880 m2。

優(yōu)化方案與前期研究方案對(duì)比，通過能力提高約5%，開挖量減少65%，增加了斷面系數(shù)，改善了船舶航行條件。具體方案對(duì)比見表2。

4結(jié)語

針對(duì)構(gòu)皮灘水電站通航建筑物中間渠道的布置空間有限、受到地形地質(zhì)等多種邊界條件制約的不足，本文提出了第一級(jí)中間渠道平面布置與設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，該方案能夠解決前期研究方案通過能力不足的問題，并且大幅度減少工程開挖量，主要結(jié)論如下：

（1） 對(duì)于中間渠道，采用曲進(jìn)直出船舶運(yùn)行方式，不僅提高船舶在中間渠道交匯區(qū)的運(yùn)行安全，同時(shí)有利于減小錯(cuò)船段渠道寬度，節(jié)省投資；錯(cuò)船段渠道采用梯形漸變型式過渡，可增加變寬段的有效長度，提高渠道運(yùn)行調(diào)度靈活性并改善渠道內(nèi)水流條件，比臺(tái)階狀布置更適合曲進(jìn)直出船舶運(yùn)行方式。

（2） 將錯(cuò)船段布置在通航隧洞以外區(qū)域，能有效減小通航隧洞開挖工程量，有利于控制投資；適當(dāng)提高中間渠道單向航道的通航水域斷面系數(shù)，雖然增加了部分開挖量，但降低了船舶航行的阻塞效應(yīng)，改善了航行條件。

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（編輯：唐湘茜，張爽）

Layout and design optimization of first intermediate channel of navigation?construction of Goupitan Hydropower Station

XIE Yinghan1，WANG Yachao1，WU Jinggan2，XU Shenghong2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China）

Abstract： The navigation construction of Goupitan Hydropower Station is an important link in the channelization of the Wujiang waterway of the whole line，and the arrangement of the intermediate channel is related to the passing capacity of the navigation construction，the investment in engineering cost and many other aspects.Since the water holding and release structures of Goupitan Hydropower Station occupied the main riverbed，the layout space of the intermediate channels of navigation construction was limited，and it was restricted by various boundary conditions such as topography and geology，the arrangement of intermediate channels was difficult.By adopting the curved in and straight out mode to cross the ship，adjusting the layout of the tunnel and the widening method of the aqueduct in the ship stagger section，appropriately increasing the channel section coefficient and other measures，the overall layout of the first intermediate channel of the navigation construction in Goupitan Hydropower Station was optimized，which effectively improved the problems such as small structural scale，slow passing speed and impact on the transit capacity of the overall layout plan in the early stage of the study.This optimization design has been successfully applied to the construction of the navigation construction of the Goupitan Hydropower Station.The research results can provide a reference for the layout of navigation constructions in the alpine valley area.

Key words： navigation construction； the first intermediate channel； layout； design optimization； Goupitan Hydropower Station