信江八字嘴樞紐工程整體水工模型試驗(yàn)研究

涂曉霞，劉博文

（中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州，510610）

0 引 言

近年來，中國大型水利工程建設(shè)發(fā)展迅速。在通航河流上興建水利水電航運(yùn)樞紐后，由于樞紐泄洪，在船閘上下游口門區(qū)產(chǎn)生斜向水流等不利條件，使航行船舶產(chǎn)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時會出現(xiàn)失控，以至發(fā)生事故，影響通航。為此，國內(nèi)外學(xué)者為保證船舶（隊）進(jìn)出口門區(qū)的安全，都十分重視口門區(qū)水流條件機(jī)理的研究[1，2]。

物理模型試驗(yàn)是分析、驗(yàn)證、優(yōu)化水利工程設(shè)計方案的重要手段，尤其面對復(fù)雜的運(yùn)行工況，借助理論計算并結(jié)合物理模型試驗(yàn)非常必要[3，4]。八字嘴水利樞紐工程涉及面廣、各主要建筑物工況復(fù)雜，泄洪、水流條件等安全性和合理性均需通過建立樞紐的整體水工模型予以驗(yàn)證[5]。

1 工程概況

八字嘴航電樞紐工程地處信江下游河段，位于江西省上饒市余干縣境內(nèi)，本樞紐分別在信江東大河、西大河建設(shè)虎山嘴、貊皮嶺兩座樞紐，兩個樞紐壩址位于同一條軸線上。八字嘴樞紐為界牌樞紐的下一梯級（距離約51km），是一座以航運(yùn)為主，兼有發(fā)電等的綜合利用工程，樞紐建設(shè)對發(fā)展信江水運(yùn)、促進(jìn)信江流域經(jīng)濟(jì)增長具有重要意義。

虎山嘴樞紐與貊皮嶺樞紐的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)分別為Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)和Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)，八字嘴航電樞紐工程過壩建筑物采用船閘，船閘級別均為Ⅲ級。年單向通過能力為1 508 萬t，詳細(xì)情況見表1。

表1 信江八字嘴航道樞紐情況表

八字嘴航電樞紐位置見圖1。樞紐分別由西、東大河上的通航、擋水、泄水、發(fā)電及過魚設(shè)施等建筑物組成。船閘布置在東、西大河左岸，上、下游引航道與主河道順直相接；泄水閘布置在主河槽，行洪順暢；廠房及魚道布置在右岸；管理區(qū)布置在兩河中間島上壩軸線的上游側(cè)。

圖1 八字嘴航電樞紐平面布置圖

為了解決樞紐泄流能力及通航建筑物在樞紐中的平面布置，確保船舶（隊）在引航道口門區(qū)連接段的航運(yùn)安全，論證工程建設(shè)對下游的影響，確保工程設(shè)計的經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)的安全合理，該工程通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證樞紐建筑物整體布置方案的合理性，確定樞紐整體布置形式，創(chuàng)造安全的通航水流條件，提供優(yōu)化的樞紐建筑物布置方案。

2 模型設(shè)計與制作

考慮模型Re 要求，綜合考慮模型設(shè)計為正態(tài)，確定幾何比尺為100。流速比尺λv為10，糙率比尺λn為2.15，時間比尺λt為10，流量比尺λQ為100 000，水力比尺λf為100 000[6，7]。

最終確定的模型上游進(jìn)口斷面在壩軸線上游2.6km 處，下游出口斷面在壩軸線下游2.5km 處，高程上考慮下游沖坑深度，模擬高程-9m 至壩頂高程25m范圍。整體模型根據(jù)實(shí)測樞紐壩址地形圖（1：1 000）進(jìn)行模型地形制作，平面放樣采用三角網(wǎng)導(dǎo)線系統(tǒng)，閉合誤差不超過±1′；地形制作采用斷面法，局部復(fù)雜地形采用斷面加密并結(jié)合等高線法制作；模型高程用水準(zhǔn)儀測控。樞紐建筑物（泄水閘精確模擬、電站廠房模擬進(jìn)出口體型，船閘模擬外形和引航道等）采用有機(jī)塑料板制作，河道表面采用水泥沙漿制作。通過提取河道地形數(shù)據(jù)，制作模型實(shí)物。

整體模型試驗(yàn)設(shè)計、模型制作安裝、測試儀器和測試方法等按照《水工（常規(guī)） 模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2013）要求執(zhí)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泄流能力

八字嘴樞紐（貊皮嶺、虎山嘴）泄流曲線見表2～表3。從表中可以看出，在各級洪水流量下，貊皮嶺水庫上游水位基本與天然狀態(tài)持平，甚至有所降低，主要是由于原虎山嘴上游一大片高地被整治到9.0m 高程，改變了樞紐所在分叉河段的左右分流比，水流能夠更順暢的進(jìn)入東大河，這也導(dǎo)致東大河虎山嘴樞紐水位壅高值均略高于相應(yīng)計算值。說明八字嘴樞紐虎山嘴設(shè)計泄流能力略顯不足。

表2 貊皮嶺壩址泄流曲線表

表3 虎山嘴壩址泄流曲線表

3.2 上下游流態(tài)及流速分布

在各種工況下，泄水閘敞泄時（來水流量≥1 100m3/s，電站不發(fā)電），由于樞紐所在河段較為順直，樞紐上、下游水流分布較為均勻，總體呈現(xiàn)中間大兩邊小的流速分布。泄水閘出流均勻，水流擴(kuò)散條件較好。如300 年一遇洪水工況下（流量20 310m3/s，P=0.33%），貊皮嶺河道中央泄水閘出流流速最大，河道兩側(cè)泄水閘流速略小。閘下堰坎末端高程6.4m 以下水流流速較小，主流被堰坎導(dǎo)向下游河道表層，可有效保護(hù)閘后河床。其中河道中央泄水閘后消力池出口處個別點(diǎn)河道底部流速超過2.5m/s，需要給予關(guān)注。虎山嘴護(hù)坦上方流速較小，存在水流漩滾區(qū)，將泄水閘主流與河床隔開，可較好的保護(hù)閘后河床?；⑸阶?#泄水閘后消力池出口處河道底部流速超過2.0m/s。

3.3 電站上下游水流條件

由于本工程電站發(fā)電工況上游水位為水庫正常蓄水位18m，電站發(fā)電流量較?。銎X單機(jī)滿發(fā)額定流量為178.1m3/s，虎山嘴單機(jī)滿發(fā)額定流量為142.5m3/s），電站進(jìn)水口水深較深，電站上引渠擋沙坎頂高程為9m，埋深較深，對電站進(jìn)水口水流條件影響不大，電站進(jìn)水口水流條件較好，無吸氣漩渦等現(xiàn)象出現(xiàn)。典型工況（貊皮嶺、虎山嘴均滿發(fā)，發(fā)電流量641.2m3/s；貊皮嶺、虎山嘴各單機(jī)滿發(fā)，額定流量為178.1m3/s+142.5m3/s）電站進(jìn)水口、出水口流速分布見圖2 和圖3。由圖可見，貊皮嶺、虎山嘴兩個電站上游進(jìn)口流速較低，不超過0.3m/s，流態(tài)較平穩(wěn)。電站下游也在短距離內(nèi)流速降低至1.0m/s 以內(nèi)。電站出水口水位與壩體后水位測點(diǎn)水位高程對比發(fā)現(xiàn)，電站出水口下游未形成雍水現(xiàn)象，說明電站隔水墻布置合理，設(shè)計方案可行。

圖2 典型工況電站縱軸線流速分布（4 臺機(jī)組滿發(fā)，641.2m3/s 流量）

圖3 典型工況電站縱軸線流速分布（2 臺機(jī)組滿發(fā)，320.6m3/s 流量）

3.4 船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件

3.4.1 貊皮嶺上下游引航道口門區(qū)及連接段

本次模型試驗(yàn)對上游來流13 100m3/s（20 年一遇）、上游來流11 200m3/s（10 年一遇）、上游來流6 280m3/s（2 年一遇） 三種工況下貊皮嶺通航水流條件進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，由于貊皮嶺上游引航道口門區(qū)左岸為死水區(qū)，右岸下游側(cè)有泄水閘下泄水流，下游引航道由于河道主流與船閘引航道基本平行，且船閘位于河道左岸地形較高處，貊皮嶺船閘下游引航道水流條件非常好，通航水流條件滿足規(guī)范要求。

3.4.2 虎山嘴上下游引航道口門區(qū)及連接段

分析工況與3.4.1 相同，結(jié)果表明，虎山嘴船閘下游引航道水流條件非常好，通航水流條件滿足規(guī)范要求。

4 方案優(yōu)化

4.1 方案優(yōu)化內(nèi)容

根據(jù)泄流能力試驗(yàn)成果，虎山嘴泄流能力稍顯不足，需增加閘孔提高其泄水能力。優(yōu)化前方案待平整高地整體樞紐整治到9.0m 高程，改變了樞紐所在分叉河段的左右分流比，水流能夠更順暢的進(jìn)入東大河，導(dǎo)致東大河虎山嘴樞紐水位壅高值略高于相應(yīng)計算值，為了減小河道疏浚對河段的分流比的影響，此處需平整高地整治高程抬高。由于整平高地棄渣量減少，取消壩坡上游24.0m 高程棄渣回填平臺。下游新增兩處棄渣場，高程分別為24m 與24.5m。為了改善貊皮嶺、虎山嘴電站的水流條件，攔沙坎高程均由9m 改為12m，并調(diào)整了進(jìn)出水口前坡的坡度。

4.2 模型調(diào)整內(nèi)容

在虎山嘴增加兩個泄水孔；把虎山嘴上游高地整平到13.68m 高程；壩坡上游24.0m 平臺恢復(fù)到原地形；下游在模型范圍內(nèi)增加兩個棄渣場；為改善引航道口門區(qū)的水流條件，避免橫向流速過大，船閘軸線保持不變，原引航道口門區(qū)設(shè)置了與原分水墻成5°夾角的導(dǎo)航墻，其中上部均采用透空式，下部采用不透空（斜導(dǎo)流墻，虎山嘴13.08m 高程以下透空，貊皮嶺12.74m高程以下透空），長度均為100m；并針對修改地形進(jìn)行了相應(yīng)的模型修改。

4.3 優(yōu)化后試驗(yàn)成果分析

方案優(yōu)化后八字嘴樞紐（貊皮嶺、虎山嘴）泄流曲線見表4～表5。從表中可以看出，在各級洪水流量下，貊皮嶺水庫上游水位基本與天然狀態(tài)持平，甚至有所降低，主要是由于原虎山嘴上游一大片高地被整治到13.68m 高程，改變了樞紐所在分叉河段的左右分流比，水流能夠更順暢的進(jìn)入東大河，這也導(dǎo)致東大河虎山嘴樞紐水位壅高值略高于西大河。優(yōu)化后八字嘴樞紐設(shè)計泄流能力足夠且有一定富余。

表4 貊皮嶺壩址優(yōu)化后泄流曲線表

表5 虎山嘴壩址優(yōu)化后泄流曲線表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行水工模型優(yōu)化后，重復(fù)進(jìn)行以上的試驗(yàn)。結(jié)果表明：八字嘴整體水力特性、電廠上下游水流條件以及船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件等均滿足規(guī)范要求且設(shè)計合理。

5 結(jié)論

通過比尺為1：100 的樞紐整體水工模型試驗(yàn)，對樞紐整體水力特性、泄水閘、電站運(yùn)行水流條件、通航水流條件等進(jìn)行了詳細(xì)研究，對八字嘴樞紐的泄水閘孔數(shù)、護(hù)坦型式、上下游洲灘開挖高程等進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下主要結(jié)論：

（1）八字嘴樞紐位于信江較順直的河段，壩址選擇較好。將虎山嘴上游高地疏浚到13.68m 高程可有效改善虎山嘴通航水流條件，疏浚整治效果較好；

（2）樞紐上下游流速分布均較為理想，下泄水流基本均勻，水流歸槽良好；在電站發(fā)電工況下，電站進(jìn)、出水口水流平穩(wěn)，未見吸氣漩渦及下游明顯雍水現(xiàn)象，電站隔流墻布置合理；

（3）在各通航工況下，貊皮嶺、虎山嘴兩個船閘總體水流條件較好，流量越小，水流條件越好。最大通航流量下，口門區(qū)局部流速測點(diǎn)橫向流速超標(biāo)，建議將兩個船閘的上下游引航道斜向?qū)Я鲏娱L至176m。由于電站下泄水量較小，且距離船閘較遠(yuǎn)，對船閘通航水流條件幾乎無影響，能夠滿足通航水流條件要求。