崔家营枢纽导流明渠运行期通航条件分析

徐 敏，陈 立，刘 燃，范红利

（1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；2.河海大学 港口海岸及近海工程学院，南京210098；3.湖北省港路勘测设计咨询有限公司，湖北430072）

导流明渠广泛应用于大中型水利枢纽施工中，特别是有通航需求的河流。由于导流明渠的建设将极大地改变局部河段边界条件，因此河段水流运动也会发生复杂的变化，并引起河道的冲淤调整，因此，在考虑河道冲淤调整的前提下，合理确定施工明渠导流方案，不仅关系到施工期的防洪安全，也关系到航道条件是否得到满足。近年来，学者们对导流明渠试验结果进行了分析研究，如导流方案对工程的进度、施工安全性等关键问题的影响［1］、明渠截流效果［2］、明渠参与通航的必要性和合理性［3］及弯道处布置明渠的可行性［4］等。由于河段边界条件的极大差异，因此导流明渠通航条件及泄流能力一般需要通过河工模型试验手段研究确定。

崔家营航电枢纽所处河流——汉江是国家内河水运主要通道之一，其施工期通航十分重要，为确保枢纽施工截流期间汉江的航运畅通，设计部门采用明渠通航方案［5］。对于明渠施工期导流能力及通航条件，交通运输部天津水运工程科学研究院采用定床模型试验进行了验证和优化，从而为设计提供相应依据，使工程建设得以顺利进行［6］。实际运行的情况表明，导流明渠的设计是正确合理的，这也表明模型试验成果的科学性，但仍存在一定的偏差。为了给类似导流明渠工程设计施工以及制订施工期安全通航措施提供可借鉴的经验和建议，本文依据导流明渠原型观测资料，分析了导流明渠实际通航条件，对比分析实际通航条件与设计阶段模型试验结果的异同及其原因。

崔家营航电枢纽位于汉江中游丹江口至钟祥河段，距襄阳市17 km，是一座以航运和发电为主的综合性电站。该工程于2010 年建成并投入运行，在工程一期围堰施工期（2006 年12 月～2008 年9 月）内，泄洪及通航改由导流明渠进行。根据汉江通航的实际需求，导流明渠设计通航主要参数如下：（1）当河道水深大于1.6 m，且断面平均流速小于2.0 m/s 时，船舶可以自航；当断面平均流速为2.0～3.0 m/s 时，由拖轮助航；当断面平均流速大于3.0 m/s 时，河道断航；（2）明渠最小通航流量为470 m3/s，最大自航通航流量为2 800 m3/s；（3）当流量小于2 800 m3/s 时船舶或船队自航，当流量在2 800～5 500 m3/s 之间时由拖轮助航，当流量大于5 500 m3/s 时明渠断航。在导流明渠运行期间，于2007 年5 月14 日～2008 年5 月31 日观测了不同流量下导流明渠的水位、水面比降、流速等，观测断面位置见图1。

1 导流明渠实际通航条件

1.1 运行期不同流量的水深

图1 观测断面位置图Fig.1 Location of observed sections

根据原型观测的720 m3/s、1 170 m3/s、1 270 m3/s和1 780 m3/s 四级流量的实测水位绘制了导流明渠内水位的沿程变化（图2）。图2 中同时给出了最低通航流量470 m3/s 和最大自航通航流量2 800 m3/s模型试验的水位观测结果。由图2 可以获得以下认识：随着流量的增加，明渠内的水位上升，但不同流量的水位涨率（这里的水位涨率采用流量每增加100 m3时的水位涨幅）不同，且流量越大，水位涨率越小，以J 断面为例，当流量由720 m3/s 变为1 170 m3/s 时，J 断面水位的涨率为0.189 m/100 m3，流量由1 170 m3/s涨至1 270 m3/s 时涨率为0.143 m/100 m3，从1 270 m3/s 增加到1 780 m3/s 时，水位涨率减小为0.139 m/100 m3。而模型试验中流量由470 m3/s 增大至2 800 m3/s 时，J 断面的涨率为0.122 m/100 m3。

在4 次水位测量中，明渠及上、下游过渡段水位最低值为54.614 m（黄海高程，下同），该点处明渠底部高程为52.5 m，此时水深为2.114 m，大于1.6 m。

1.2 导流明渠内的水面比降

图2 模型试验与原型观测明渠沿程水面比降Fig.2 Water surface slope of prototype observation and physical model test

由图1 和图2 可知：不同流量的沿程水面比降并不是均匀的，AD 段水面比降在0.056‰～0.110‰，DF 水 面 比 降 为0.188‰～0.448‰，FJ 段 比 降 在0.012‰～0.065‰。即渠道段（DF 段）的比降最大，进口段（AD 段）的比降次之，出口段（FJ 段）最小。而渠道段内DE 段水面比降最大，为0.266‰～0.817‰。

随着流量的增加，明渠的水面比降增加，其中明渠上中段比降增加较为明显，而下游段水面比降变化不明显。

1.3 明渠内的流速

图3 给出了不同流量下不同断面的垂线平均流速的横向分布，从图3 中可以看出：

相同流量下不同断面的平均流速及流速分布形态均不同。其中渠道段E 断面平均流速最大，明渠进口段C 断面次之，下游出口段G 断面最小：当Q=653～5 219 m3/s 时，E 断面平均流速在1.12～2.31 m/s；C 断面的平均流速在0.42～1.14 m/s 之间；G 断面平均流速在0.19～0.85 m/s 范围内。明渠段E 断面的流速分布较为均匀，上游段流速分布均匀性居中，而G 断面则呈现明显的不对称形态。

不同断面的流速及流速横向分布随流量增加的变化也各不相同。随着流量的增大，C、E、G 断面平均流速均增大，其中E 断面的过水宽度随流量的增加没有明显的增大，流速横向分布形态也没有明显的变化，即断面上各垂线上的流速增加幅度相差不大；而C 断面过水宽度逐渐变大，最大流速点也由靠近右侧向渠道左侧移动，其流速分布也变得愈加对称，G 断面流速分布形态极不对称，各级流量下主流稳定居左。

2 通航条件的对比分析

2.1 物理模型试验结果

2.1.1 各级流量下的水深及比降

模型试验结果表明：在设计最低通航流量Q=470 m3/s 时，明渠内水位为54.894～54.622 m，水深在1.894～2.122 m 之间，即明渠水深能满足通航水深大于1.6 m的要求。

图3 断面流速分布Fig.3 Velocity distribution

不同流量下水面比降不同。在470 m3/s 流量下，水面比降较缓；470 m3/s≤Q≤5 500 m3/s 时，水面比降≤0.365‰；Q＞5 500 m3/s 后，水面比降更大。

各级流量下导流明渠水面比降沿程是变化的，坝轴线以上水面比降较大，坝轴线以下水面比降相对较缓，最大水面比降imax出现在坝轴线至上游600 m 之间。

2.1.2 各级流量下的流速

流量Q=470 ～2 800 m3/s 时，断面平均流速沿程先增大后减小，其中进口段断面平均流速普遍较小，一般在0.6 ～1.3 m/s；渠道段断面平均流速一般在1.5～1.9 m/s；而出口段的断面平均流速一般在1.0～1.5 m/s。断面平均流速均＜2.0 m/s，满足自航流速限值要求。

明渠内水流平稳，渠道段断面流速横向分布均匀，进出口段的流速分布具有一定的不对称性。进口段断面最大垂线平均流速位于明渠中心线右侧，渠道段最大垂线平均流速基本位于明渠中心线处，出口段水流最大垂线平均流速仍位于明渠中心线右，但相比进口段，最大垂线平均流速位置已明显向左移动。

流量Q=2 800～5 500 m3/s 时，断面平均流速的沿程变化规律依旧，其中进口段断面平均流速普遍较小，一般在0.9 ～1.7 m/s，渠道段流速一般在1.9 ～3.0 m/s，出口段流速落于2.0～2.5 m/s。渠道段最大流速小于3.0 m/s，满足助航流速限值要求。

虽然断面平均流速满足助航的要求，但是在流量达到5 500 m3/s 时，明渠段最大垂线平均流速达到3.41 m/s，流速超过3.0 m/s 的范围主要是明渠中心线以右90 m 范围内。

2.2 实际通航条件与模型试验结果的异同

2.2.1 水深对比原型与模型水位均随着流量的增加而增大，流量越大，水位涨率越小。从图4 给出的E、G 断面水位流量关系也可以看出：模型水位流量关系曲线与原型实测水位流量关系曲线基本平行，即水位随流量的变化规律大体相同。

图4 模型试验和原型试验E 断面水位流量关系Fig.4 Comparison of stage-discharge relationship of section E

虽然水位随流量的变化趋势一致，但模型和原型同流量水位之间存在较为明显的差异。由图4 中实测水位流量关系可知，最小通航流量470 m3/s 时原型E 断面对应的水位为54.099 m，而该断面底部高程为52.8 m，因此水深为1.299 m，不满足1.6 m 的最小通航水深要求。

图4 中还可以看出，原型观测Q=5 219 m3/s 时E断面水位为59.73 m，而模型观测的Q=5 500 m3/s 时E 断面的水位为59.282 m，显然洪水时同流量下原型水位高于模型。

2.2.2 比降对比

各级流量下，模型和原型中均表现为明渠渠道段水面比降最大，进口段和出口段水面比降相对比较平缓；随着流量的增加，模型和原型明渠内各段的水面比降均逐渐地加大，流量越大，水面比降沿程变化越不均匀；模型与原型中水面比降的量级相同。模型中Q=470～2 800 m3/s 时，水面比降范围从0.04‰～0.23‰增加到0.04‰～0.67‰，而原型中流量Q=720 m3/s 增加到Q=1 270 m3/s 时，水面比降由0.01‰～0.27‰变为0.02‰～0.30‰。

2.2.3 流速对比

图5 给出了原型观测中E 断面在653 m3/s、1 340 m3/s 和5 219 m3/s 三级流量下垂线平均流速的横向分布，以及模型中470 m3/s、2 880 m3/s 和5 500 m3/s 下的该断面的垂线平均流速横向分布试验结果。

图5 模型试验与原型观测E 断面流速横向分布Fig.5 Comparison of velocity distribution of section E

原型与模型观测的流速横向分布形态基本相似。流速沿程的变化均表现为明渠进口段最小，而后流速沿程逐渐加大，至坝轴线处流速最大，之后又逐渐减小。

模型试验与原型观测中渠道段平均流速均随着流量的增大而增大，当原型观测流量在模型实测流量范围内时，原型观测的断面平均流速值也落在模型实测的断面平均流速值范围内：流量在Q=470～5 500 m3/s时，模型观测的渠道段平均流速在0.9～3.0 m/s；而原型观测流量Q=653～5 219 m3/s 时的渠道段平均流速在1.12～2.31 m/s。模型与原型观测结果均满足助航对流速的限制要求。

原型和模型的差异体现在两方面，一是原型观测的流速横向分布较模型更均匀，二是原型观测的洪峰流量（5 219 m3/s）的垂线平均流速小于2.4 m/s，而模型中Q=5 500 m3/s 时，最大垂线平均流速超过3.0 m/s。

2.3 差异的原因分析

如前所述，导流明渠设计阶段模型试验结果与实际运行期观测的实际通航条件总体上是一致的，包括流速的大小、水面比降等，但也存在着差异，主要的差异在于运行期观测设计最小通航流量的水深小于设计值，而洪水期导流明渠的实测水位高于同流量的设计值。

枯水流量水位差异产生的主要原因是导流明渠运行期河床的冲刷。虽然渠道段进行了全面的护砌，但是明渠的进出口段则只是对边坡进行防护，运行期内，河床发生了明显的冲刷下切。

图6 给出了导流明渠典型断面的冲淤变化。由图6 可以看出，处于坝轴线位置的E 断面附近由于实施了全断面防护［7］，因此运行期该断面几乎没有冲淤变化，而明渠段其他断面仅对左右岸采取防护措施，则渠底的冲刷幅度较大，如F 断面最大冲刷下切达4 m；同时位于弯道段的G 断面，左岸为凹岸，右岸在一期围堰后突然展宽，形成缓回流区，因此河道呈明显的左冲右淤现象［8］，即主槽冲刷而滩地淤积，而枯水流量下水流所经的主槽的侵蚀基准面下降［9-10］。这必然使得相同枯水流量下原型中E 断面的水位较模型中的水位低。

图6 E、F、G 断面冲淤变化图Fig.6 Deposition and erosion of section E，F and G

洪水期水流漫滩过流，此时出口断面右侧淤积面积大于左侧冲刷面积，因而洪水期的侵蚀基面不但未下降，反而有所抬升，故相同流量下的实测流速小于原型。而设计阶段模型试验采用的是定床模型，因此不能反映导流明渠运行过程中的河床冲淤调整，导致枯水期坝轴线处的水位偏低，而洪水期明渠内的流速偏小。

3 结论

（1）运行期实际通航条件与设计基本一致：模型和原型水面比降量级相同，沿程变化规律相同，且均随着流量的增加而增大；流速沿程变化、断面流速分布也相似，均满足自航和助航的流速要求。

（2）运行期实际通航条件与模型试验通航条件的差异在水深方面：导流明渠运行期最小通航流量下坝轴线处的水深明显小于模型试验值，而洪水流量下该断面原型实测水深又大于模型试验结果。

（3）差异产生主要是由导流明渠运行期河床的冲刷造成的，而设计阶段模型试验采用的是定床模型，不能反映导流明渠运行过程中的河床冲淤调整，建议以后在设计阶段模型试验时，边界条件的确定应反映河床的冲刷下降。

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