湘江长沙综合枢纽总平面布置研究

刘学著

（湖南省交通规划勘察设计院，长沙410008）

湘江长沙综合枢纽蔡家洲坝址位湘江尾闾长沙市下游望城区境内，是湘江干流梯级开发中最下游的一个梯级枢纽，上距株洲航电枢纽约131 km，下距洞庭湖入长江口约146 m。长沙综合枢纽是一座以航运、取水和改善水环境为主，同时具有发电、交通和旅游等综合利用功能的低水头枢纽工程。

1 坝区自然条件

长沙综合枢纽推荐坝址位于蔡家洲中部偏上游的分汊河段，坝轴线上游约3 km 的丁字湾卡口宽约780 m；坝轴线处河宽约1 500 m，河道微弯，左岸为凹岸，右岸为凸岸；坝轴线下游2 km 有沩水河汇入。蔡家洲位于河道中部偏右，洲长约5.5 km，高程约31.4 m，左汊为主汊和主航道，宽约820 m，右汊为副汊，宽约320 m。洪水期左右汊分流比约为8：2，枯水期、平水期右汊断流。下游洪家洲洲头距坝轴线约3.8 km，距沩水河入汇口约1.8 km，蔡家洲洲尾与洪家洲洲头形成上下交错状，将该部分河道分成三汊。

湘江水量充沛，径流年际变化大，年内分布不均，枢纽河段年内水位变幅达14 m。枢纽地处湘江尾闾，所在河段属平原河流，河道微弯，河面宽广，河流比降较小，水位受洞庭湖顶托影响明显，坝址水位流量关系呈带状分布，同流量下的水位相差最大在10 m 左右。

2 枢纽布置总体原则

根据枢纽坝址处河段河势、通航、防洪等因素，枢纽平面布置应遵循以下原则［1］：

（1）枢纽总体布置应满足船闸通航条件和泄流能力的要求。坝址河段受蔡家洲、洪家洲、丁字湾卡口及沩水河出口的影响，河势较为复杂，保证船闸通航条件和泄水闸泄洪能力是枢纽总平面布置的首要原则。

（2）枢纽总体布置应根据航运远期发展规划的需要，预留具备建设条件的多线船闸位置。本枢纽位于湘江下游黄金水道，航运繁忙，枢纽布置需预留合理的三线船闸位置［2］，以满足较长时期航运增长的需求。

（3）应在满足枢纽泄洪要求和船舶安全过闸的前提下，尽量减少各主要建筑物在不同工况下的相互干扰，兼顾工程施工和运行管理方便等因素，并因地制宜地充分利用坝址处地形、地质的特点进行。

（4）枢纽各建筑物布置应结合施工导流设计，并满足施工导流要求。应以既满足施工期泄洪、通航又便于工程施工为原则，尽量做到施工期不断航。

3 枢纽平面布置方案及特点

枢纽主要建筑物包括双线单级2 000 t 级船闸（预留三线船闸）、46 孔泄洪闸、装机6 台的水电站、鱼道和坝顶公路桥等。工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型，永久性主要水工建筑物设计洪水为100 a 一遇、校核洪水为500 a 一遇。枢纽正常蓄水位及死水位均为29.70 m。双线船闸设计高水位按20 a 一遇洪水位，相应流量21 900 m3/s，设计低水位按P=98%水位。

根据上述枢纽平面布置原则，提出了船闸分别位于蔡家洲左汊左岸侧的平面布置方案一及位于蔡家洲左汊右侧的平面布置方案二。

总平面布置方案一：船闸布置在蔡家洲左汊左侧岸边，电站布置在蔡家洲左汊右侧洲边，各建筑物工程布置从左至右依次为双线船闸（左岸预留三线船闸位置）、26 孔净宽22 m 堰顶高程18.5 m 主泄水闸、排污槽、6 台机组电站、鱼道、蔡家洲副坝、右汊20 孔净宽14 m 堰顶高程25.0 m 副泄水闸，见图1。

图1 枢纽总平面布置方案一Fig.1 General layout of junction（Scheme 1）

总平面布置方案二：船闸布置在蔡家洲左汊右侧洲边，电站布置在蔡家洲左汊左侧岸边，其他建筑物布置与方案一基本相同，见图2。

图2 枢纽总平面布置方案二Fig.2 General layout of junction（Scheme 2）

4 枢纽平面布置方案的比较

4.1 枢纽泄流能力的比较

枢纽泄流能力与坝址河势及地形地貌关系密切，虽然两布置方案的泄水闸孔数以及堰型和堰顶高程等均相同，但不同的枢纽布置型式泄流能力也不尽相同［3］。方案一船闸上游引航道及导流堤基本位于原左汊河道的回流区，导流堤对河道水流有调顺作用，保证了枢纽的泄流能力，100 a 一遇洪水模型试验壅高值为0.1 m。方案二船闸上游引航道及导流堤较长，且位于蔡家洲左汊河道的主流区，引起较大范围的回流，回流区的存在导致水流不畅，减少了该河段的过流断面，100 a 一遇洪水模型试验壅高值为0.14 m。

因此就泄流能力来讲，方案一要优于方案二。

4.2 通航条件的比较

方案一枢纽坝址下游2 km 左岸有沩水河汇入湘江，该河宽约180 m，2 a、10 a、20 a 一遇洪水流量分别为1 580、2 750、3 350 m3/s，出流与船闸连接段航道交角约30°。沩水入汇流量与坝址同期湘江干流流量平均汇流比为0.02，大部分在0.05 以内；二者同日出现洪峰的机率占12.5%，5 日内遭遇机率约占25%，10 日内遭遇机率约占37.5%。

枢纽平面布置方案一船闸通航条件试验研究结果表明，由于船闸上游引航道口门区及连接段位于蔡家洲左汊左岸缓流区，洪水流量下水流较平顺，通航水流条件能够满足要求，参数见表1。对于下游引航道口门区及连接段航道而言，①湘江干流与沩水正常遭遇时，当Q干＜13 500 m3/s 时，通航水流条件能够满足船舶（队)航行要求；当13 500 m3/s≤Q干≤21 900 m3/s 时，受过下游导流堤堤头后扩散水流的影响，口门区右侧航道内横流较大，船舶（队）只能沿口门区左侧航线单线航行，参数见表2。②湘江干流与沩水各种不利遭遇时，下游口门区及连接段航道内均存在不利于船舶航行的航道段，若湘江干流的中、枯水流量遭遇沩水的洪水流量时，因沩水入汇口航道段斜流及右向横流较大而不利于船舶（队）航行；若湘江干流的洪水流量遭遇沩水的枯水流量时，因沩水顶托作用减弱而使下游导流堤堤头至沩水入汇口航道段左向横流较大而不利于船舶（队）航行，参数见表3［4］。

表1 船闸上游口门区及连接段内最大流速值Tab.1 The maximum velocity within the upper entrance area and connecting section of ship lock

表2 船闸下游口门区及连接段内最大流速值（正常遭遇）Tab.2 The maximum velocity within the lower entrance area and connecting section of ship lock (with normal encounter)

表3 船闸下游口门区及连接段内最大流速值（非正常遭遇）Tab.3 The maximum velocity within the lower entrance area and connecting section of ship lock (with non-normal encounter)

针对枢纽平面布置方案一存在的下游口门区斜流大、导流堤堤头挑流明显等问题，通过改变船闸挑流堤平面型式、口门区加设导流墩、沩水河口设直立式导流堤等措施对枢纽平面布置方案进行了优化。方案优化后试验表明：在通航流量范围内，上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件能基本满足要求，最大横向流速降至0.3 m/s 内。

方案一船模航行条件试验研究表明，船闸布置满足安全航行要求。在Q干=5 000 m3/s、Q沩水=3 350 m3/s流量组合下，下游口门区及连接段航行条件较优，船模沿左、右侧航线上、下航行均比较顺利，满足安全航行要求。船模沿左侧航线上行时在口门区的最大舵角为 11.7°，最大漂角为4.6°，下行时在口门区的最大舵角为9.6°，最大漂角为5.1°；船模沿右侧航线上行时在口门区的最大舵角为-18.5°，最大漂角为6.6°，下行时在口门区的最大舵角为-5.7°，最大漂角为-5.8°。在Q干=21 900 m3/s、Q沩水=219 m3/s 流量组合下，由于下泄流量的增大，在堤头下100～700 m 航道内，右侧航线上向左侧的斜流较Q干=13 500 m3/s 有所增大，船模有一定程度的漂移，但航向比较容易控制，进出口门比较顺利。船模沿左侧航线上行时在口门区的最大舵角为-14.9°，最大漂角为4.4°，下行时在口门区的最大舵角为-10.8°，最大漂角为3.9°；船模沿右侧航线上行时在口门区的最大舵角为-18.6°，最大漂角为4.7°，下行时在口门区的最大舵角为-10.3°，最大漂角为-7.4°。

枢纽平面布置方案二船闸通航条件试验研究结果表明，由于船闸上游引航道口门区及连接段位于蔡家洲左汊右侧的主流区，由于堤头挑流以及引航道内静水顶托，在口门区及连接段内形成斜流，且由斜流分解而成的左向横流随流量的增加逐渐增加，当流量Q干=13 500 m3/s、19 700 m3/s、21 900 m3/s 时，左侧口门区航道内横流大于0.3 m/s 的测点在增加，最大横流分别达0.35 m/s、0.39 m/s、0.43 m/s，上游引航道口门区通航水流条件不能满足要求，船舶（队）只能沿上游口门区及连接段右侧航线单线航行。

下游引航道口门区及连接段航道，当流量Q干=13 500 m3/s、19 700 m3/s、21 900 m3/s 时，洪家洲右汊过流量显著增加，航道内流速随流量的增加而增加；水流从堤头下500 m 附近受蔡家洲左侧护岸走向影响，开始向右侧扩散，而由于横跨洪家洲的京珠复线高速公路桥在其右汊无通航孔，因此下游航线只能经洪家洲左汊而下，致使水流斜穿下游连接段航道，水流横向流速远超规范限值，三级流量下最大横流分别为0.59 m/s、0.71 m/s、0.82 m/s，且无法通过工程措施予以解决，通航水流条件无法满足船舶（队）航行要求。

因此就通航水流条件来讲，方案一要优于方案二。

4.3 蔡家洲左右汊分流比的比较

枢纽布置方案一、方案二的船闸和电站均布置于蔡家洲左汊，左汊均布置26 孔净宽22 m、堰顶高程为18.5 m 的低堰，右汊均布置20 孔净宽14 m、堰顶高程为25.0 m 的高堰，只是两方案左汊内船闸、电站、泄水闸的位置有所不同。通过对对下线水位时现状条件下Q=13 500 m3/s、枢纽平面布置方案一和枢纽平面布置方案二况下Q=13 500 m3/s、Q=17 500 m3/s、Q=19 700 m3/s、Q=21 900 m3/s 典型流量下左右汊分流比进行了测算，结果见表4［4］。

表4 蔡家洲左右汊分流比Tab.4 Discharge ratio of the left and right branches at Caijiazhou

可以看出，2 a 一遇洪水流量（13 500 m3/s）下，工程前后左右汊分流比变化不大，在1%左右；其他洪水流量下，工程后左汊分流比仍在80%左右、右汊分流比仍在20%左右。两方案相比，由于方案一左汊船闸引航道占据的为左汊河道的缓流区，而方案二左汊船闸引航道所占河宽为河道的主流区，方案一左汊分流量稍大于方案二，但两方案对左右汊河道天然分流比改变均不大，有利于下游河道的稳定。

4.4 船闸上下游航道稳定性分析比较

由于方案二船闸上、下游均位于河道主流区内，枢纽建成后，航道的稳定性会较好。而方案一上游航道处于缓流区，口门区及连接段航道将是悬移质泥沙易淤积区，且下游航道距沩水入汇口较近，从目前水流条件角度，在湘江干流与沩水正常遭遇情况下，不需要将沩水河口改道或辅以导流建筑物；但是航道偏离原自然航道在左岸河口冲积扇边滩上开挖，且开挖较深，航道稳定性会较差。

因此，就船闸上下游航道稳定性来讲，方案二要优于方案一。

5 结语

（1）根据长沙综合枢纽所处坝区河段的河势、地形等自然条件，将电站、船闸均布置在左汊主河道内，通过对船闸分别布置于蔡家洲左汊左岸侧方案一及布置于蔡家洲左汊右侧方案二的枢纽泄流能力、船闸通航条件、工程前后坝区分汊河段左右汊分流比变化等多方面综合对比分析后，推荐船闸布置于左汊左岸侧的方案一为建设方案。

（2）以航运、发电和改善水环境为主的内河梯级综合枢纽工程，保证船闸通航条件和泄水闸泄洪能力是枢纽总平面布置的首要原则。

（3）当枢纽坝址位于左右两汊道分流比相差较大、河底高程相差亦较大的河段时，为保证枢纽的通航、发电效益，应将船闸、电站等主要建筑物布置在主汊河道，且不宜将船闸布置在江心洲一侧（即使江心洲一侧很顺直也不宜布置船闸）；同时为确保枢纽下游河床的稳定，泄水闸孔布置时应尽量保证工程后坝区左、右两汊分流比与工程前相近。

（4）对于含沙量不大的河流，当船闸引航道在主河道内顺河布置，并占据主河道一部分河宽时，将船闸布置于流速相对较小河岸侧有利于枢纽的泄流及船闸通航。但不论枢纽总体平面布置如何，船闸上下游引航道口门区因水流收缩（对上游）和扩散（对下游），均会产生不利于船舶航行的斜向流和回流，而楔形导流墩是破除口门区斜流及回流较理想的导流建筑［5-8］。

［1］JTS 182-1-2009，渠化工程枢纽总体设计规范［S］.

［2］JTJ 305-2001，船闸总体设计规范［S］.

［3］刘晓平，曹周红. 湘江长沙综合枢纽总体平面布置物理模型试验研究［R］.长沙：长沙理工大学，2009.

［4］普晓刚，郝品正. 湘江长沙综合枢纽船闸通航条件及布置方案优化模型试验研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［5］普晓刚，郝品正，李金合，等. 已建枢纽船闸下游引航道口门区急流碍航改善措施的研究［J］.水道港口，2007，28（2）：119-125.PU X G, HAO P Z, LI J H, et al. Study on Improvement Measures of Jet Flow Navigation Obstruction for the Lower Approach Entrance Area of Existed Lock［J］. Journal of Waterway and Harbor, 2007, 28（2）: 119-125.

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