北江白石窑水利枢纽上游引航道布置及通航条件研究

杨文浩，费晓昕，张绪进

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆400074；2.重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆400016)

0 枢纽概况

白石窑枢纽位于广东省英德市上游25 km处，是北江干流的第3个梯级，是以发电为主、兼顾航运等综合开发利用的水利水电工程。电站总装机容量92MW，属大Ⅱ型工程。枢纽从左至右依次为：左岸土坝段、船闸、泄水闸检修门储门槽坝段、22孔泄水闸(左边13孔、右边9孔)，电站厂房及安装间坝段、右岸变电站及土坝段等，坝轴线总长1 092 m，坝顶高程44.32 m，混凝土坝最大坝高38.5m[1]，已建通航建筑物采用单线一级船闸，船闸等级为Ⅴ级，闸室有效尺度140 m×14 m×2.5 m，可通行300 t级货船。枢纽正常蓄水位37.32 m，日调节消落水位0.5m，设计最大通航流量3 860 m3/s。白石窑枢纽工程河段河势见图1。

图1 白石窑枢纽工程河段河势Fig.1 River regime of Baishiyao water conservancy

随着经济的发展，航运对航道尺度提出了更高的要求，已建的船闸已无法满足规划的Ⅲ级航道标准和预测的货运量需求。因此，根据白石窑枢纽布置和通航的实际情况，拟定拆除原已建的船闸、在原址新建一线船闸，同时增设二线船闸的改扩建工程，两船闸均同时布置在左岸。其中，改建的一线船闸尺度为140 m×16 m×4.5 m，新建的2线船闸尺度为220 m×23 m×4.5 m，代表船型为1 000 t级货船，船舶尺度为67.5 m×10.8 m×(2.1～2.4) m[2-3]，均按Ⅲ级标准设计。上游引航道衔接处顺直微弯，为保证引航道、口门区有良好的通航水流条件，笔者在原引航道设计方案的基础上提出了5个修改方案，使得引航道、口门区的通航水流条件得到改善。

1 通航标准

船闸设计最大通航流量采用10 a一遇洪水流量Q=7 860 m3/s，上游最高通航水位为水库正常蓄水位37.32 m，最低通航水位为32.02 m(Q=3 860 m3/s，闸门全开敞泄时坝前水位)；口门区的最大纵向流速不超过2 m/s，横向流速不超过0.3 m/s，回流流速不超过0.4 m/s；船闸引航道导航和调顺段内宜为静水区，制动段和停泊段的水面最大纵向流速≤0.5 m/s，横向流速≤0.15 m/s[2]。

2 工程措施对通航水流条件的影响

2.1 模型设计与试验流量

白石窑枢纽所在河段河势微弯，河道相对顺直，采取枢纽整体水工模型，设计为几何比尺λL=λh=100的正态模型。模型范围指：从坝轴线上游约2.7 km开始至坝轴线下游约3.6 km为止，模拟原型河道总长约6.3 km。

根据河段径流特征和枢纽设计运行方式，选择从Q=98～7 860 m3/s(P=10%)共7级流量上引航道口门区及连接段的通航条件，其中Q=98 m3/s为电站基流，Q=3 860 m3/s为敞泄分界流量。另外，Q=6 740 m3/s为5 a一遇洪水，试验工况见表1。

表1 整体模型试验工况 Table 1 Test conditions of model experiments

2.2 原方案布置及试验结果

设计原方案的两线船闸采用共用上游引航道的方式，两船闸引航道宽为98.4 m，底高程27.52 m，两侧主导航墙长均为85 m，顶高程均为39.32 m，在其上游127.5 m处的左右两侧各依次向上游布置12个靠船墩，靠船墩段长220 m，以上为半径389.2 m(中心线)、中心角29°的圆弧过渡段向左转弯，再以直线段与主航道衔接(图2)。

图2 原方案平面布置Fig.2 Layout of original project

按照拟定水库调度运行方式及枢纽运行的实际情况：原方案在上游来流量Q<3 000 m3/s、蓄水运行时，船闸上引航道、口门区流速小，纵、横向流速值不仅完全满足上引航道口门区的要求，亦基本满足引航道停泊段和调顺段的要求；来流量Q≥3 000 m3/s时，随着流量的增加，船闸上引航道、口门区流速逐渐增大，不能满足引航道停泊段和调顺段对流速的要求。当流量3 000≤Q≤3 860 m3/s，一线船闸上引航道调顺段基本为动水，右导墙头部区域绕流有所增强，使导航段与调顺段之间存在一定的横流[4]，不能满足规范要求。

表2是原方案船闸上引航道口门区纵横向流速统计表。由表2可知，原设计方案在上游来流量Q>3 860 m3/s，全闸开启敞泄洪水以后，上引航道停泊段的纵、横向流速均超过规范要求，调顺段亦处于动水之中，流量越大超标幅度亦越大，同时在右导墙堤头存在较明显的绕流流态，对船舶进出闸的航行安全将造成严重影响[5]。

表2 船闸上引航道口门区纵横向流速统计(原方案)

Table 2 Vertical and horizontal flow rate of entrance area (original project)

2.3 修改方案引航道布置及结果

原设计方案停泊段和调顺段的水流条件远不能满足规范要求的原因之一是：上引航道口门区上段及上游连接段右侧河床地形较高，使进入引航道的水流集中在一线船闸调顺段区域向外分流，使得右导航墙堤头的绕流影响范围增大，绕流强度进一步的加强。因此修改方案在原设计的基础上做了两点改变：

1)上引航道口门区右侧的河床地形开挖至28.82 m高程(图3)。

图3 修改方案Ⅰ平面布置Fig.3 Layout of modified programⅠ

2)按船闸总体设计规范中规定的调顺段与导航段之和的最小距离不小于设计代表船型的2.5倍船长，使上引航道调顺段和导航段基本处于静水之中，提出了5个修改方案(表3)。

表3 修改方案布置

Table 3 Layout of the modified programs

试验在开挖口门区右侧的河床地形的基础上，对于5种导航墙修改方案均选择了Q=3 860，4 990，6 740 m3/s共3级流量进行流速流态观测，试验效果见表4。典型工况流速分布见图4，图4中括号里面数字代表横流。

表4 各修改方案效果分析

Table 4 Effectiveness analysis of the modified programs

(续表4)

图4 修改方案Ⅱ流速分布(Q=3 860 m3/s、闸门控开)Fig.4 The velocity distribution in modified programⅡ(Q=3 860 m3/s, sluice gate open)

3 结 论

研究表明，合适的右导墙长度是确保引航道内静水区与外侧河床动水分隔、保障船舶的靠泊、调顺和导航的关键所在[6]；其次，开挖调整上引航道口门区右侧河床高程，对消除或减缓右导墙堤头附近的扰流流态、改善口门区的通航水流条件具有重要作用。

原设计方案由于上引航道右导墙较短(85 m)，使上引航道停泊段和调顺段处在动水之中，在各级较大流量、特别是全闸开启敞泄洪水情况下，上引航道停泊段的纵横向流速明显超标，调顺段亦处于动水之中，不能满足规范要求；且右导墙堤头出现较明显的绕流流态，进一步威胁着船舶进出闸的航行安全。5个修改方案通过适当开挖降低上引航道口门区右侧的河床地形高程，增加右导墙长度两方面措施，使上引航道、口门区的通航水流条件均有较明显改善。另外，考虑到工程量和库区深水施工的难度等实际情况，修改方案IV上引航道右导墙长度适中(长392.5 m)，在各级通航流量情况下，无论是水库保持壅水运行还是全闸开启敞泄洪水情况下，上引航道内均为静水、口门区通航水流条件均较好，建议作为推荐方案，此工程措施也可作为类似船闸引航道布置的借鉴。

[1] 王云莉,刘洋,张绪进，等.白石窑水利枢纽通航建筑物整体定床及防洪模型试验研究报告[R].重庆:重庆西南水运工程科学研究所,2012.Wang Yunli,Liu Yang,Zhang Xujin.Report on Experience of Fixed Bed and Flood Model of Baishiyao Hydraulic Project [R].Chongqing:The Southwest Waterway Engineering Institute,2012.

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