大源渡航电枢纽二线船闸下游通航条件优化试验研究

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(长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410076)

1 枢纽概况

大源渡航电枢纽位于湖南省衡阳市下游62 km，其下游距株洲市120 km，坝址以上控制流域面积53 200 km2，是湘江衡阳至城陵矶439 km千吨级航道第一个以电养航的航电枢纽工程。枢纽所处河段属弯曲河段，右岸为丘陵山体，左侧凸岸为台地，洪水期河宽480～1 250 m；下游有洣水入汇，在入汇河口形成一片冲积洲，该洲洪水期淹没，中、枯水期出露，使枢纽下游河段在中、枯水期时成为分汊河道，且中、枯水期下泄水流大部分从河道左汊急弯深槽过流，而下游引航道口门区处于该狭窄的S型连续弯曲河道之中[1]。

枢纽一线船闸工程于1995年12月动工兴建，2000年6月全部建成投产;其闸室有效尺度为180 m×16 m×3 m(长×宽×门槛水深)，可通航一顶4 000 t级驳船船队。为满足湘江沿岸经济发展需要，确保大吨位船型能从城陵矶直通衡阳，2012年3月，由湖南省交通运输厅牵头开展湘江Ⅱ级航道建设可行性研究工作，大源渡航电枢纽2 000 t级二线船闸工程是其中工作之一[2]。

2 设计方案

2.1 下游工程布置

设计方案采用多线船闸平行并列布置形式，二线船闸位于原一线船闸右侧，船闸轴线间距80 m。拟建二线船闸后，随着通航船舶(队)船型增大，枢纽下游引航道口门区宽度随之增宽，必将占用更多的过流河道并影响枢纽下游河段行洪能力。故设计方案以改善下游引航道口门区通航水流条件及河段行洪能力为出发点，于下游引航道修筑长205 m导航墙及导流墩调顺水流，改善口门区流态；导航墙右侧冲积洲斜线阴影区域疏浚至37.3 m高程，以增大下游河段过流断面，提高其行洪能力(如图1)。

2.2 下游通航水流条件试验分析

在不同特征流量(枯水期Q总=1 440 m3/s，中水期Q总=4 000 m3/s，洪水期Q总=8 900 m3/s，最大通航流量Q总=17 500 m3/s)下进行设计方案水工模型试验，试验结果如表1所示。

表1设计方案下游口门区通航水流条件

Table1Navigableflowconditionsintheentranceareaofthedownstream(projectdesign)

试验工况最大横向流速/(m·s-1)最大纵向流速/(m·s-1)备注枯水期1.192.24中水期0.822.84洪水期0.822.67最大通航流量0.752.78根据《船闸设计规范》[3],船闸为II级时口门区水流面表流速限值为:纵向流速Vy≤2.0 m/s,横向流速Vx≤0.3 m/s,回流V0≤0.4 m/s。

试验结果分析可知：枢纽下游口门区因有洣水入汇及冲积洲阻水作用，下游河段在中、枯水期(Q总≤4 000 m3/s)时形成分汊河道，大坝下泄水流大部分归入冲积洲左汊深槽形成弯道水流，从而导致口门区水流夹角较大(α=12°～50°)，通航水流条件最为恶劣且不满足规范要求(见图2(a)、图2(b))。当4 000 m3/s

图2 设计方案下游口门区流场图

3 优化方案

3.1 方案概述

根据设计方案试验分析结果及国内外学者对船闸引航道口门区通航水流条件改善措施的经验[3-5]，结合大源渡枢纽二线船闸工程实际情况，初步拟定了疏导方案和隔挡方案2大优化措施，如图3所示。

(1) 疏导方案是在设计方案的基础上通过增大右岸疏浚范围及修筑导流墙(堤)相结合的导流措施，增大引航道口门区右侧的过流断面，以减小口门区水流夹角及流速，从而改善下游口门区通航水流条件。

(2) 隔挡方案在下游口门区外侧布置隔水墙，完全挡住由冲积洲左侧深槽流向口门区的水流及漫过冲积洲倾向口门区的斜流，从而达到改善下游口门区通航水流条件的目的。

3.2 疏导方案试验分析

针对设计方案下游引航道口门区水流条件出现的问题及其原因，对疏导方案进行不同特征流量(枯水期Q总=1 440 m3/s，中水期Q总=4 000 m3/s，洪水期Q总=8 900 m3/s)下的水工模型试验，分析下游口门区通航水流改善效果。试验结果见表2。

表2 疏导方案下游口门区通航水流条件

图3 疏导方案下游引航道口门区方案布置图

(1) 优化方案1：该方案在设计方案的基础上，沿疏浚区域右侧边缘线抛筑长1 500 m，高程44 m的导流堤(如图3)，通过其分流作用减小冲积洲左侧深槽下泄水流对口门区的影响，且阻挡漫过冲积洲直冲口门区的水流，从而改善下游口门区流态。由表2可知，该方案下游口门区流态相较于设计方案有所改善，但其改善效果有限，在枯、中、洪水期时仍不满足通航规范要求。

(2) 优化方案2：结合优化方案1试验结果及原因，优化方案2在优化方案1的基础上增加疏挖长导堤右侧高程为37.5 m，贯穿冲积洲的疏浚区，疏挖区域从坝下开始分流且连通至下游河道束窄段，起到分流、引流作用(如图3)。该方案旨在利用导堤与右侧疏浚区相结合的方法，增大导堤右侧过流断面，进一步减少流向口门区的流量，达到改善下游口门区流态的目的，各特征流量下口门区流速如表2所示。该方案在流量Q总≤4 000 m3/s时能较好地改善下游口门区流态，通航水流条件基本满足规范要求；但随着流量增大至导堤过流后(Q总≥8 900 m3/s),一旦漫过导堤的水流则集中流向口门区，造成口门区的横向流速较大，不满足通航规范要求。

3.3 隔挡方案试验分析

由疏导方案试验研究结果可知：①下游口门区存在的主要问题是横向流速偏大，不满足规范要求；导致横向流速过大的主要原因是下游口门区正处于冲积洲左汊深槽，且有洣水入汇顶推的作用而形成集中流向口门区的斜向水流；②通过抛筑导堤和疏挖导堤右侧河床等疏导措施改善效果有限，只能在一定流量范围内(Q总<8 900 m3/s)下游口门区通航水流条件才满足通航规范要求；一旦流量增大、导堤淹没，水流则漫过导堤集中向下游口门区汇流，造成口门区横流过大。结合大源渡枢纽实际情况，为寻求更直接有效的优化措施，提出在口门区右侧修筑隔水墙的隔挡方案，下游口门区通航建筑物布置如图4所示。

图4 隔挡方案下游引航道口门区方案布置图

优化方案3(隔挡方案)保留原设计方案引航道导航墙，且在口门区外侧布置长360 m、顶高程56 m隔水墙，隔水墙与引航道导航墙间距20 m，中间布置菱形导流墩调顺水流。为验证隔挡方案的可行性，本方案水工模型试验特征流量在疏导方案基础上增加最大通航流量Q总=17 500 m3/s工况，试验结果如表3所示。

表3 隔挡方案下游口门区通航水流条件

试验结果表明：隔挡方案通过隔水墙将下游口门区与河道水流分开，从枯水期到最大通航流量均能使口门区通航水流条件得到很好的改善，横向及纵向流速均满足规范要求；在口门区内侧原丁坝和隔水墙进水口处产生回流，但回流流速很小，不影响安全通航(最大回流Vmax≤0.33 m/s)，亦满足通航规范要求。各特征流量工况下游口门区流场图如图5所示。

图5 隔挡方案下游口门区流场图

3.4 隔挡方案下游连接段试验分析

连接段是口门区与主航道之间的过渡段，因此连接段水流条件的好坏是船舶(队)是否能顺利进入口门区引航道、安全过坝的关键问题之一。隔挡方案通过采用导流墩和隔水墙后明显改善了下游口门区的通航水流条件，但其矛盾可能向下转移到连接段，从而导致下游连接段水流条件恶化，加之连接段位置正处于河段束窄的弯道水流区域，船舶可能难以安全进、出口门区，故需通过船模试验论证船舶在此处是否可以安全航行[6]。

船模试验采用1 000 t自航驳，2 000 t自航驳，2 000 t顶推船队3种代表船型，选取1 440，4 000，8 900，17 500 m3/s 4个典型流量。试验结果分析表明：在中枯水期(Q总=1 440 m3/s和Q总=4 000 m3/s)，下游连接段流速较小，最大流速小于2.4 m/s，3种船型航行姿态较好，舵角、漂角均在要求范围之内，船舶(队)能顺利通过。在洪水期、最大通航(Q总=8 900 m3/s和Q总=17 500 m3/s)流量下游连接段内平均流速为2.84 m/s，且连接段水流流向与航道中心线存在一定的夹角(α≤28°)；3种船型通过连接段时易受弯道水流的影响，船模航行相对困难，其船模最大舵角为16.6°，最大漂角为9°，基本满足船舶航行要求。

4 通航建筑物布置方案比选

为选择能有效改善下游口门区通航水流条件的布置方式，综合考虑下游口门区、工程施工对通航影响及工程量等因素，各布置方案工程效果对比如表4所示。

综合来看，此方案在各特征流量下口门区通航水流条件得到很好的改善，均满足通航规范要求。以改善下游引航道口门区通航水流条件及下游河段行洪能力为前提条件，设计方案虽然工程量相对较小，但其无法改善下游口门区水流条件；优化方案1和优化方案2虽在一定流量时对口门区流态有所改善，但当其达到一定流量时仍不满足通航规范要求，且修筑长导堤及疏浚范围的工程量巨大、成本高；优化方案3有效改善了下游口门区流态，相较于疏导方案工程量更小，且施工期对船舶正常通航影响小。

表4 各方案工程效果对比

5 结 语

通过对大源渡航电枢纽二线船闸下游布置方案多方案多组次水工模型试验研究成果的深入分析比选，得到以下几点认识：

(1) 原设计方案在枯、中、洪水期时，下游引航道口门区纵、横向流速均不满足通航水流规范要求，需要对其优化改善。

(2) 在弯曲河流中，类似于疏导方案通过修筑导堤和疏挖河床分流、引流等工程措施工程难度大、成本高，且口门区流态难以满足通航规范要求；故建议在枢纽选址时应综合考虑远期规划、通航条件、河段行洪等因素，尽量避开弯曲河段布址。

(3) 隔挡方案通过修筑隔水墙将下游口门区与河道水流分开，直接挡住中、洪水期倾向口门区的斜流，使口门区流态得到很好地改善，满足安全通航规范要求；故推荐优化方案3(隔挡方案)为枢纽二线船闸下游引航道口门区布置方案，供相关设计参考和借鉴。

参考文献：

[1] 郝品正,李伯海,李一冰.大源渡枢纽通航建筑物优化布置及通航条件研究[J].水运工程,2000, (10): 29-33. (HAO Pin-zheng, LI Bo-hai, LI Yi-bing. Optimized Arrangement of Navigation Structures and Test & Study of Navigation Conditions of Dayuandu Junction[J]. Port & Waterway Engineering, 2000,(10): 29-33. (in Chinese))

[2] 湖南省交通运输厅.湖南省内河水运发展规划[R]. 长沙:湖南省交通运输厅,2012. (Department of Transportation of Hunan Province. Planning of Inland Waterway Transportation Development in Hunan Province[R]. Changsha: Department of Transportation of Hunan Province, 2012. (in Chinese))

[3] GB50139—2004,内河通航标准[S].北京:中国计划出版社,2004. (GB50139—2004, Standard of Inland Waterway Navigation[S]. Beijing: China Planning Press,2004.(in Chinese))

[4] 韩昌海,杨 宇,余之光.多汊河流航电枢纽航线规划及通航水流条件[J].水利水运工程学报,2012, (4): 39-43.(HAN Chang-hai, YANG Yu, YU Zhi-guang. A Study of the Route Planning and Navigation Flow Condition of Navigation-Hydropower Project at Multi-branch River[J]. Hydro-science and Engineering, 2012, (4): 39-43. (in Chinese))

[5] 曹敏雄,马爱兴,王秀红,等.内河航道横流对船舶航行的影响[J].交通运输工程学报,2008,8(1): 61-67.(CAO Min-xiong, MA Ai-xing, WANG Xiu-hong,etal. Influence of Cross Current on Ship Navigation in Inland Waterway[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2008,8(1) :61-67.(in Chinese))

[6] 严 伟，李 利，孙佳斌.三峡工程通航船队船模操纵性率定试验研究[J].长江科学院院报，1999,6(3)：1-4.(YAN Wei, LI Li, SUN Jia-bin. Maneuverability Calibration Test of Tow Model for Studying Navigation of Three Gorges Project[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 1999,6(3) :1-4.(in Chinese))