湘江土谷塘航电枢纽平面布置优化研究

彭 伟，郝品正

（1.长沙理工大学水利学院，长沙 410076；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

狭窄连续弯道是山区和半山区河流限制性河谷常见的河型，而梯级渠化又是提高航道等级、河流综合开发利用的主要模式。在西部山区和半山区航电枢纽建设中，往往由于地理条件的限制，不得不将枢纽建在平面弯曲、河道狭窄河段，湘江土谷塘航电枢纽便是典型工程实例。枢纽的平面布置即船闸、泄洪闸、电站的相对位置，关系到各自功能的发挥和枢纽建设的成败。利用整体模型对枢纽总体布置进行多方案的对比试验，论证枢纽中船闸、泄洪闸、电站的相对平面布置的合理性［1-6］。本文根据枢纽平面布置模型试验成果，对枢纽不同的平面布置型式进行了分析和总结。

1 坝区河段自然条件

土谷塘航电枢纽位于湘江中游，是湘江梯级渠化中自下而上的第4个梯级枢纽，位于已建近尾洲和大源渡航电枢纽之间。土谷塘航电枢纽坝址受下游大源渡航电枢纽回水、河道左岸建筑的限制，坝轴线位于狭窄连续弯道河段。坝区河段平面形态呈不对称“S”型，上游段为接近90°的急弯，下游段为稍缓的反向弯道。坝线上游1～3 km为急弯卡口河段，卡口段最窄处河宽仅约270 m，且右岸为坡度较陡的山地；坝线及坝线下游位于下游反向弯道河段，左侧为凹岸，右侧为凸岸，坝轴线位于弯道弯顶上游，坝线处河道宽约480 m，左侧河床为主河道（图1）。由于枢纽坝线上距急弯弯顶距离较短，且下游为反向弯道，船舶通航安全隐患较多。

图1 土谷塘河段示意图Fig.1 Sketch of Tugutang reach

2 枢纽工程平面布置设计方案及水流条件

土谷塘航电枢纽工程是一座以通航为主兼有发电功能的低水头综合航电枢纽工程，主要建筑物有电站、1孔排污闸、17孔泄水闸及船闸。本枢纽工程等级为II级，工程规模为大型。船闸规模为III级单线单级船闸，船闸有效尺度为180 m×23 m×3.5 m，主要设计船型为一顶四艘千吨级船队。泄水闸设有17孔，每闸孔净宽20 m，泄水闸底板采用WES实用堰。电站装机容量80 MW。

枢纽总体布置分别对船闸位于弯道下游左侧凹岸和弯道下游右侧凸岸（电站均异岸布置）2种平面布置方案及其修改方案工况下的船闸上下航道的通航条件进行了研究。

土谷塘枢纽下坝址处水位-流量关系非单一曲线，当流量Q＜3 600 m3/s时，分为天然、大源渡47.9 m顶托、大源渡50.1 m顶托3种情况，相应有3条水位-流量关系曲线；当Q≥3 600 m3/s后，水位-流量关系为单一曲线，说明枢纽河段不受大源渡枢纽壅水影响。同时根据初步拟定的下坝址处枢纽运行方式，当Q≤1 340 m3/s时，电站发电，泄水闸关闭；当1 340 m3/s＜Q≤5 400 m3/s时，电站与泄水闸联合调度；当Q＞5 400 m3/s时，电站停机，泄水闸敞泄。

2.1 枢纽平面布置方案

（1）方案一。平面布置从左至右依次为Ⅲ级船闸、17孔泄水闸，1孔排污闸、电站（3台机组）。

受左岸河道弯曲半径较小的影响，船闸只能布置在靠近左岸侧河道内，且上、下游口门区段航道均为圆弧弯曲段。船闸中心线与坝轴线垂直，上、下游引航道宽均为45 m；上游引航道口门至堤头上400 m为口门区，连接段为堤头上游400～800 m；其中堤头上游100 m航道为直线段，后接航道左边线半径为1 000 m的圆弧段，与上游主河道衔接。上游引航道口门区及连接段开挖底高程为52.2 m，宽度由45 m渐变至60 m。下游引航道口门至堤头下400 m为口门区，连接段为堤头下游400～800 m；出口即接左边线为半径为1 000 m圆弧段，弧长518 m，而后通过直线段与下游主河道衔接。下游引航道口门区及连接段开挖底高程为44.9 m，宽度由45 m渐变至60 m。

（2）方案二。平面布置从左至右依次为电站（3台机组）、1孔排污闸、17孔泄水闸、船闸。

上、下游引航道口门底宽分别为70 m、80 m；上、下游引航道导流堤均为斜坡实体式，长度均为650 m。

图2 方案一平面布置图Fig.2 Layout plan 1 of the hydro-junction

图3 方案二平面布置图Fig.3 Layout plan 2 of the hydro-junction

2.2 设计方案水流条件

2.2.1 通航水流条件基本要求

按照《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001），船闸口门区及引航道水流限制条件如下。（1）引航道口门区水面流速。在口门区的有效水域范围内，纵向流速Vy≤2.0 m/s，横向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s。另外在引航道口门区宜避免出现如泡漩、乱流等不良流态。（2）引航道内流速。引航道导航段和调顺段内宜为静水区，制动段和停泊段的水面最大流速纵向应小于等于0.5 m/s，横向应小于等于0.15 m/s。（3）口门区与主航道之间的连接段水流条件。参照口门区通航水流条件的基本要求，判别连接段水流条件的优劣。

2.2.2 设计方案一水流条件

方案一船闸上游所选取的引航道口门区及连接段内，基本处于近90°弯曲河道左侧凸岸下游缓流区内，通航水流条件均能满足要求。但船模航行试验表明，由于引航道口门宽度仅为45 m，口门区又为半径1 000 m圆弧段弯曲航道，长167 m、宽21.6 m的一顶四艘千吨级船队进出口门难度较大，尤其是随流量增加，上游弯道内流速增大，下行船舶（队）先要横穿狭窄急流弯道段，向左侧航道内靠近，而后需迅速调顺船位，顺应连接段弯曲航道，通过口门区进入引航道内，船舶（队）航行难度较大，且易顺右侧主流而下冲向泄水闸或碰撞堤头，造成事故。

下游航道就水流条件而言，当流量为Q=1 340 m3/s（大源渡47.9 m顶托）时，右侧电站下泄水流在泄水闸下游至下游连接段航道末端的左侧河道内形成大范围回流区，使下游口门区及连接段航道内回流反向流速较大，最大可达1.05 m/s，堤头下游650 m连接段航道附近为水流分离区，部分水流向上进入回流区，部分水流斜穿连接段末端航道后顺河势向下，连接段末端航道内横流较大，横流一般在0.3～0.6 m/s。

随泄水闸开启，泄水闸下游大范围回流逐渐消失。随流量增加，泄水闸敞泄流量下，下游口门区及连接段航道横流较大段位于堤头下450～700 m。

2.2.3 设计方案二水流条件

方案二当流量Q≤5 400 m3/s时，上、下游引航道口门区及连接段水流条件能够满足规范要求，其中在Q=1 340 m3/s时，大源渡47.9 m顶托条件下，下游口门区及连接段航道大部分处于回流区，最大反向流速可达1.17 m/s，堤头下50 m范围内横流较大，不能满足规范要求；而同流量在大源渡50.1 m顶托条件下，下游航道横流及反向流速有所减小，对船舶（队）航行有利。当5 400 m3/s＜Q≤13 500 m3/s时，下游引航道口门区及连接段通航水流条件能够满足要求，而上游引航道口门区内横流及纵向流速偏大，水流条件不能满足要求。

3 枢纽平面布置方案优化

2种设计方案的水流条件试验研究表明，方案一影响口门区及连接段水流条件的主要因素是上游引航道宽度较窄，同时直线段长度较短，上游船舶通过弯道后难于归顺在引航道内，下游引航道内回流较强。方案二是由于上游右岸山体束窄水流，改变水流方向，使得上游引航道内斜流较大，当流量较大时船舶难以进入口门。基于以上分析，根据2种方案不同的影响因素分别采取相应的工程措施优化。

3.1 优化方案一

增加上、下游引航道宽度，使引航道口门处宽度增至60 m；延长下游导流堤长度，使下游引航道长度由原设计的450 m延长至1 000 m，使口门及连接段航道均为直线段；同时相应调整上游口门区及连接段的航线。

图4 优化方案一平面布置图Fig.4 Optimized plan of layout plan 1

图5 优化方案二平面布置图Fig.5 Optimized plan of layout plan 2

3.2 优化方案二

在设计方案二的基础上切除部分上游右岸山地，右岸边缘向右侧最大平移51 m，同时对上游引航道口门区及连接段航线重新布置。

上游引航道口门至堤头400 m为口门区，连接段为堤头上游400～800 m的范围；其中堤头上游200 m航道为直线段，后接半径为1 000 m的圆弧段，弧长209.4 m，而后通过390.6 m的直线段与上游主河道衔接。上游引航道口门区及连接段开挖底高程为53.0 m，宽度为70 m。下游堤头下加设4个导流墩。

4 平面布置优化方案的比较

4.1 泄流能力比较

枢纽泄流能力与河势及地形地貌关系密切，虽然各布置方案的闸孔数以及堰型和堰顶高程相同，其泄流能力不尽相同。试验结果表明，2种布置方案的泄流能力均满足设计要求。500 a一遇洪水时（Q=22 100 m3/s）时，水位壅高值为0.245 m，小于规范规定的0.3 m，符合设计要求。优化方案二由于对右岸岸线的开挖，归顺了水流，改善了上游水流条件，提高了枢纽的泄流能力。另外在电站机组关闭、泄水闸敞泄的条件下，左侧靠近电站的1孔泄水闸由于受到泄水闸与电站间导墙的影响，上游附近存在小范围回流，其泄流能力小于其他闸孔。

4.2 通航水流条件分析比较

（1）Q≤5 400 m3/s时，两方案枢纽上游均保持正常蓄水位58.0 m，上游引航道口门区及连接段通航水流条件均能满足规范要求。当流量Q＞5 400 m3/s时，电站关闭，泄水闸敞泻，两方案的连接段均存在某一区域水流流速超过规范限制。周华兴等人研究比较了西江郁江河段的贵港、渠江四九滩、西江上游右江河段的那吉、湘江的大源渡和株洲以及嘉陵江航行梯级开发的枢纽工程等14个航运枢纽工程的水工模型、船模试验研究成果，认为这14个航运枢纽工程口门区均有部分测点的纵、横向流速超过限值，但研究结论表明船舶能较顺利地进出引航道口门区。由此提出从水工模型试验结果来看，口门区的水流条件限值可适当提高，Vy≤ 2.4 m/s，Vx≤0.35 m/s，连接段的水流条件可控制在Vy≤2.6 m/s，Vx≤0.4 m/s，口门区与连接段的航行条件θ≤25°。故两方案通航水流满足规范要求。

表1 上游引航道口门区及连接段水流条件比较表Tab.1 Comparison of navigation condition of connecting section and upstream approach entrance region

表2 下游引航道口门区及连接段水流条件比较表Tab.2 Comparison of navigation condition of connecting section and downstream approach entrance region

（2）Q≤5 400 m3/s时，下游引航道口门区及连接段通航水流条件均满足规范要求。仅在3台机组发电（Q=1 340 m3/s）时，下游口门区及连接段航道大部分处于回流区，反向流速超出规范要求；当流量Q＞5 400 m3/s时，方案一下游引航道口门区及连接段内最大横、纵向流速随流量的增加而增加，且超过规范要求。而方案二水流条件满足要求。

两方案船闸上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件对比结果表明，左岸船闸修改方案影响通航的不利条件在于洪水期下游引航道流速较大。右岸船闸修改方案在流量较大时，上游引航道口门区及连接段存在局部区域流速超过规范限值现象。且随着流量的增大其影响区域由距堤头800 m处逐渐向口门区延伸至距堤头500 m，但对船舶航行影响不大，船舶仍可安全进出引航道口门区。

4.3 航道线型及船舶航行条件分析比较

枢纽所处河段从整体上看呈“S”型，坝址上游是一个接近90°的急弯，往下游为“S”的中间，即上、下2个反向弯道的过渡段，相对于上游河道来讲，河道收缩；同时右岸高山边坡有一个凸嘴，对水流起到阻挡和挑流的控制作用，使狭窄的河道内水流湍急，且与航线有一定的夹角。

船模航行试验表明，左船修改方案上游引航道及口门宽度增加后，通航流量有所提高，但当流量Q≥11 700 m3/s时，一顶四艘千吨级船队进出口门难度仍较大，舵角多大于25°，经由上游弯道处进入引航道连接段时舵角超过30°，不利于安全航行。优化方案二在设计方案的基础上对上游山体实施一定的开挖，归顺上游水流，通航安全问题得到改善。当流量Q≤11 700 m3/s时，基本满足船队航行要求，当流量Q=13 500 m3/s时，仍存在着影响船舶或船队安全航行的因素。

5 结语

通过对土谷塘枢纽平面布置几个方案的水流和船模试验研究成果的分析可知：

（1）在连续弯道中，主流线是从上个凸岸过渡到下个凸岸，高流速区均出现在弯顶前凸岸一侧；弯曲河道段的枢纽平面布置应结合具体的坝址自然条件和枢纽工程的作用进行合理布置。

（2）弯曲河道水流条件较复杂，从顺应河势及对通航水流条件和航行条件的影响来看，船闸位于河流凹岸主流一侧，能加大船舶航行的曲率半径，有效改善口门区与连接段的航行条件。对于连接段布置在弯道内的情况，在衡量通航条件时，不能仅分析口门区的通航水流条件，还应充分考虑连接段处的弯道水流对船舶航行的影响。

（3）枢纽中各建筑物的布置应相互协调，以充分发挥其功能。与电站或船闸相邻的泄水闸、纵向围堰两侧的泄水闸以及紧邻岸边的泄水闸因受导流墙挑流或绕流流态以及河道边界的影响，泄流能力减弱。

（4）2种方案及其优化方案上、下游口门区及连接段均存在不同程度的斜流和回流，斜流是影响船舶进出口门的重要因素。优化方案二通过相应的工程措施较好地改善了船闸上下游引航道口门区及连接段的通航水流条件，但同时也加大了工程量。综合考虑河段地形条件、通航水流条件等因素，认为优化方案二相对较优，故作为推荐方案。

［1］郝品正，李伯海，李一兵.大源渡枢纽通航建筑物优化布置及通航条件试验研究［J］.水运工程，2000（10）：29-33.

HAO P Z，LI B H，LI Y B.Optimization Arrangement of Navigation Structures and Test&Study of Navigation Conditions of Dayuandu Junction［J］.Port&Waterway Engineering，2000（10）：29-33.

［2］李金合，章日红，王志纯.松花江大顶子山航电枢纽船闸平面布置研究［J］.水道港口，2006，27（1）：27-31.

LI J H，ZHANG R H，WANG Z C.General Layout of Dadingzishan Navigation-Power Junction on the Songhuajiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：27-31.

［3］李一兵，李发忠.葛洲坝三江下引航道口门区通航条件改善措施探讨［J］.水道港口，2005（9）：154-158.

LI Y B，LI F Z.Discussion on Improving Measures for Navigational Conditions of Entrance Area of Downstream Approach Channel in Sanjiang of Gezhouba［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005（9）：154-158.

［4］李金合，曹玉芬，周华兴.那吉航运枢纽泄流能力和闸下冲刷试验［J］.水道港口，2002（4）：116-121.

LI J H，CAO Y F，ZHOU H X.Test on Discharging Capacity and Downstream Scour of Naji Hydro-junction［J］.Journal of Waterway and Harbor，2002（4）：116-121.

［5］李金合，普晓刚，王志纯.湘江长沙综合枢纽平面布置研究［J］.水道港口，2008（5）：345-350.

LI J H，PU X G，WANG Z C.Study on arrangement of Changsha comprehensive junction on the Xiangjiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（5）：345-350.

［6］李君涛，郝品正，李金合.右江鱼梁航运枢纽平面布置优化研究［J］.水道港口，2007（5）：348-353.

LI J T，HAO P Z，LI J H.Optimization research on plan layout of Yuliang Hydro-junction Project of Youjiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007（5）：348-353.