变高式导堤和导流墩在峡谷枢纽船闸下引航道中的应用

黎国森，王炜正

（1.天津大学建工学院，天津300072；2.交通运输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；3.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

广西大藤峡水利枢纽位于珠江流域西江水系干流的黔江上，是红水河综合利用规划的十级开发方案中的最后一级，是一座以防洪为主，发电与水资源配置并重，兼顾航运、灌溉的综合利用工程。

枢纽坝址位于广西桂平市上游约13 km 处，属于峡谷河段。流域面积为198 612 km2，正常蓄水位61.00 m，总库容40.84 亿m3，装机容量1 600 MW，灌溉面积152.7 万亩。

大藤峡水利枢纽Ⅱ级船闸在左岸台上开挖而成，最大通航1+2×2 000 t 级顶推驳船队，船闸下游引航道、口门区及连接段航道如图1 所示。

图1 设计方案船闸下游航道布置图Fig.1 Design proposal of channel layout at downstream of shiplock

1 碍航特性分析

1.1 研究河段基本特征

大藤峡水利枢纽坝址位于黔江大藤峡峡谷出口处，为西南水运出海通道中线和北线咽喉要塞。枢纽河段河道弯曲，自上而下分布的主要滩险有驽滩、小驽滩、飞凤角滩。驽滩以上河道两岸崇山峻岭，河床狭窄，河宽一般在200～300 m，河道蜿蜒曲折，两岸存在较多石盘和石质台地，枯水期河宽仅100～200 m。驽滩以下河段河宽逐渐放宽，河道相对顺直，两岸多为石质或粒径较大的卵石。

大藤峡水利枢纽船闸下游引航道口门区及连接段航道位于飞凤角浅滩段，该河段沿程有凸出的卵石边滩挤压枯水航槽，控制着枯水航槽的走向。河床中岩盘边滩宽大，河中礁石较多，从而导致该河段航道狭窄弯曲，水流湍急，影响船舶航行安全［1］。

1.2 碍航水流特性

水流模型试验结合自航船模试验结果表明［2］，船闸下游河段中枯水期主流弯曲，洪水期因河宽较小，使得全河道成为泄洪主通道，从而导致设计方案下船闸下游口门区及连接航道枯、中、洪水期呈现出不同的碍航特点：

（1）枯水期（流量＜3 000 m3/s），主流坐弯且远离航道，致使口门区河段存在范围较大的碍航回流（强度约0.50 m/s）；连接段航道水流归槽现象明显，导致航道内纵向流速较大（约3.00 m/s），船模在连接段上滩难度较大。

（2）中水期（3 000 m3/s＜流量＜8 000 m3/s），主流过渡点随流量增大而逐渐上提，口门区航道通航水流条件明显恶化，纵向流速最大约2.30 m/s、横向流速最大约0.80 m/s，回流流速最大约0.80 m/s，均明显超出相关规范的限定；连接段航道水流归槽使得纵向流速逐渐增大，最大约3.30 m/s，船模上滩难度较大。

（3）洪水期（流量＞8 000 m3/s），虽然主流线逐渐取直，但由于该时期泄洪所占用的河宽逐渐增大，主流范围扩大至口门区附近，主流斜穿口门区，虽然压缩了回流范围，但导致口门区斜流强度明显增强，最大约1.00 m/s，航行条件进一步恶化；此时连接段航道位于泄洪主通道中，流速最大约4.00 m/s，代表船型难以克服阻力安全上行进入引航道。

2 解决措施研究

根据船闸下游口门区及连接段航道的碍航特性，参考以往经验，在引航道口门外侧布置导堤或导流墩、拓宽航槽可以有效消除回流、斜流、纵向流速等碍航流态，使之满足船舶航行的安全要求。

水流特性试验结果表明（图2），4 280 m3/s 流量条件下，船闸下游河段主流线最弯曲且靠近航道。在通航期内口门区回流、斜流强度均较大，连接段航道纵向流速较大。加之，该流量级恰接近该河段的多年平均流量和飞凤角浅滩漫滩流量。因此，选择该流量作为改善通航水流条件试验典型流量。

2.1 中枯水期工程效果试验研究

在船闸下游口门区航道外侧布置不同导堤的长度、走向和导流墩的尺度、墩距及走向方案时，施放典型流量，通过口门区流态观察，并进行比较分析发现：

（1）当导堤长度为小于450 m 时，口门区回流还不能完全消除；当长度大于450 m 时，导堤伸入主流区，从而在其内侧产生一定范围的回流区。由此可见，450 m 的导堤对减弱口门区回流强度的效果较好。

图2 修改方案导堤和导流墩布置图Fig.2 Layout of guide wall and diversion pier in modification plan

（2）在导堤后方布置斜向导流墩能有效调整穿墩而过的水流流向，从而改善航道的通航水流条件。

（3）在导流墩布置长度相同的情况下，长墩（37 m）对减小流向与航道走向交角的效果比短墩（25 m）效果更好。而且导流墩布置个数较少，虽在墩后产生绕流，但其范围较小，约一倍设计船队宽度（16.2 m），没有延伸到航道中。

（4）在相同的墩间距、不同导流墩长度条件下，当布置5 个长37 m 导流墩（总长约250 m）时，口门区及连接段航道的通航水流条件较好，2 000 t 级单船基本能安全经过口门区及连接段；长度继续增大后，由于过水断面的缩窄，使得下游连接段航道斜流明显增大。

（5）经过多次的试验，调整各导流墩的走向及墩间距，使得口门区及连接段航道内的航行水流条件的改善效果达到最佳，其布置图见图2 所示。五个导流墩走向与航道走向交角从上而下逐渐递增，第五个墩的交角最大（14°），导流墩中心间距约50 m。

（6）根据以往研究经验［3］，为减弱口门区及连接段航道的斜流，需要把工程布置主流区附近，从而达到挤压主流使之改变方向，以达到较好导顺航行水流流向的工程效果。修改方案的5#导流墩恰好布置在流量为4 280 m3/s 的主流线上，其走向与主流线方向存在约20°的交角，挑流作用明显（图2）。而模型试验结果显示此时的工程效果最好，与理论分析和经验结论相符［4-7］。

2.2 工程方案洪水期适应性分析

研究表明，修改方案导顺了主流流向，从而减弱了航道中的斜流强度，明显改善中枯水期航道通航条件。但由于洪水期主流位于口门区航道附近，修改方案导流墩末端位于左岸外侧220 m 处，完全伸入主流区，缩窄了约40%的洪水河宽（500 m）。导堤和导流墩的存在必定会对口门区航道内的航行条件产生明显的影响。可见，修改方案在重点解决中枯水期的碍航问题的同时，也可能会恶化洪水期航道的通航条件。

选取最大通航流量进行修改方案在洪水期的布置适应性试验研究，结果发现：

（1）当导堤和导流墩的顶部高于最高通航水位时，在导流墩后方绕流的范围较大，占据了部分航道宽度；此处水流斜穿航道，导流墩的布置缩小了过水面积，墩间空隙处水流明显加速进入航道，恶化了航道内航行水流条件；在最高通航流量下，下泄流量大，而导堤和导流墩的存在，明显缩窄了河道过水断面面积，洪水下泄受阻，导致河道内主流流速明显增大，导堤前水位有一定程度的壅高（约7 cm），明显恶化了河道泄洪条件。

（2）为减小方案布置对河道泄洪影响，导流墩顶高程降到中水期水位26.0 m（85 国家高程，下同），导堤顶部高程不变。由于导堤的掩护作用，在其后面形成大范围的回流区覆盖整个飞凤角浅滩，导致左岸缓流区适航区域均位于回流区中，既影响了船舶航行安全，又使飞凤角浅滩洪水期产生泥沙落淤。

（3）将导堤和导流墩顶高程均降到中水期水位26.0 m，水流特性试验结果显示，此时口门区及连接段的回流虽消失了，但是由于此时流量大，河道底部因导堤的存在，无法过流，底层水流只能改道向上与上层水流汇合后翻越导堤后加速进入口门区航道，导致口门区航道内斜流流速明显增大。

3 变高式导堤和导流墩的应用

以上研究表明，为保证导堤内侧航道通航条件的良好，必须使导堤露出水面，但此时会在导堤后方静动水边界附近产生回流。为保证此时口门区及连接段的通航水流条件满足船舶航行安全要求，需要在试验中寻求有效的解决方案。经过系列模型试验观察分析，采用变高式导堤及淹没式导流墩来解决该问题是可行的。

施放最大通航流量，经过多次方案调整试验对比发现：

（1）采取淹没式导流墩，即坝顶高程降到中水期水位26.0 m，导流墩附近水面上没有出现明显的乱流现象，河道内主流流速没有明显变化。

（2）当导堤前段25 m 设为26.0 m，后425 m 露出水面时（图2），口门区及连接段航道内产生的回流范围最小，2 000 t 级单船航行试验表明，船舶能沿左岸缓流区洪水航线安全进出船闸，只要适当操舵（最大20°）便能克服回流和斜流影响。

4 结语

（1）大藤峡水利枢纽地处羊栏滩上游的峡谷段，枯水河槽弯曲，洪水河宽较窄，导致设计方案下船闸下游口门区及连接航道在枯、中、洪水期均存在碍航问题，且碍航特性随流量变化而变化。

（2）通过导堤和斜向导流墩相结合的工程布置，明显改善了中枯水期航道通航水流条件，使之满足代表船型的航行安全要求。但同时恶化了洪水期航道通航条件，且影响了河道泄洪条件。

（3）经过大量的模型观察试验的对比分析，采用变高式导堤，配合淹没式导流墩的运用，解决了中枯水航道整治工程对洪水期航道通航条件及河道泄洪条件的影响。

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［2］黎国森，刘俊涛.峡谷河道枢纽船闸平面布置问题研究报告［R］. 天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010.

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