汉江雅口航运枢纽平面布置特点分析及优化布置研究

李君涛

（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）

水利枢纽及通航条件

汉江雅口航运枢纽平面布置特点分析及优化布置研究

李君涛

（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）

内河航运枢纽总体布置是枢纽安全运行的根本和关键。雅口航运枢纽位于汉江中游，是一座工程以航运为主，结合发电、兼顾灌溉、旅游等综合利用效益的枢纽工程。文章结合枢纽所在河段的河势、地形、来水条件等对枢纽平面布置特点进行了分析。依托整体物理模型试验，从船闸通航条件、枢纽泄流能力等角度剖析了设计方案平面布置存在的不足，并据此进行相应优化，提出了满足要求的工程布置优化方案，研究成果可供以后类似工程参考和借鉴。

雅口航运枢纽；平面布置；模型试验

内河航运枢纽总体布置一般包括拦河坝、泄洪闸、电站厂房和通航建筑物等，是工程建设的根本和关键，是关系到枢纽能否安全运行的基础。枢纽各主要建筑物除了对地形、地质条件的要求外，与枢纽总体布置相关的主要问题，就是船闸上、下游引航道及其口门区的通航水流条件，泄水闸的泄流能力、电站厂房的进、出流条件等。合理的枢纽总体布置要保证船闸水流条件满足相关规范要求，保证船舶使其能安全、方便的进出船闸；泄水闸的泄流能力要满足相关规范或设计要求，以免回水壅高，影响库区居民，工矿企业等。电站厂房的进、出流要顺畅，避免电站和船闸运行相互干扰，同时还要考虑进出口的淤积问题等。因此，布置枢纽时在结合河段地形特征、地质条件的同时，要充分保证各建筑物的安全可靠、运用方便。

雅口航运枢纽位于汉江中游襄阳—钟祥河段、是汉江流域湖北省内梯级开发中的第6级，其上下游分别与崔家营梯级和碾盘山梯级衔接，是一座工程以航运为主，结合发电、兼顾灌溉、旅游等综合利用效益的枢纽工程。本文结合枢纽所在河段的河势、地形、来水条件等综合分析了枢纽总体平面布置的特点。依托整体模型试验研究，从船闸通航条件、枢纽泄流能力等角度剖析了设计方案平面布置存在的不足，并据此进行相应优化，提出了满足要求的工程布置方案。

1 坝址河段河势及工程概况

1.1 河段河势

工程坝址所在河段河道弯曲，心滩、洲滩发育，主河槽呈“S”走向。坝线上游主槽贴左岸，坝线处主槽由左岸向右岸过渡，坝线以下主槽贴右岸，主河槽宽约600～800 m，河底高程44.0～47.2m。坝线以上主河槽右侧为低漫滩，滩面宽560～1 000 m，滩面高程49.3～52.8 m，右岸为平坦开阔的Ⅰ级阶地，宽度1 500～2 000 m，高程在52.0～54.0 m之间。坝线下游主河槽左侧滩地滩面宽600～1 500 m，高程48.6～52.7 m。

1.2 工程概况

枢纽主要建筑物包括船闸、电站厂房、泄水闸和挡水坝。设计洪水标准采用丹江口后期规模50 a一遇，相应洪峰流量20 200 m3/s、校核洪水标准为丹江口后期规模300 a一遇，相应洪峰流量27 300 m3/s。船闸按Ⅲ（2）级标准进行建设，闸室有效尺度为180 m×23.0 m×3.5 m（闸室长度×宽度×槛上水深），船闸最大通航流量为10 a一遇洪水13 500 m3/s，最小通航流量为450 m3/s。电站厂房装机7台，单机容量9.71 MW，电站最大水头8.47 m，最小水头1.50 m，额定水头3.80 m。泄水闸共设44个闸孔，单孔净宽14 m[1-2]。

2 枢纽设计方案平面布置及工程布置特点分析

2.1 设计方案平面布置

雅口航运枢纽推荐坝线处于反“S”型主河槽由左向右的过渡段，右侧为宽大的边滩。枢纽平面布置从右至左分别为右岸土石坝、船闸、连接段、泄水闸坝、电站厂房、鱼道、左岸土石坝。船闸布置于右岸低漫滩的滩唇位置（右侧预留二线船闸位置），船闸上游口门区右侧顺水流方向设置一顺直隔流堤；泄水闸布置于主河槽及右侧低漫滩位置，共设有44个闸孔，泄洪闸采用平底宽顶堰，堰顶高程44.00 m，闸孔净宽14 m；电站厂房布置在左岸主河槽内，厂房内安装7台灯泡贯流式水轮发电机组。枢纽河段河势及总体布置见图1。

图1 设计方案工程布置图Fig.1 Layout sketch of the design scheme

2.2 工程布置特点分析

由雅口枢纽所处汉江河段的河势条件、地形特征以及设计方案工程布置图可以看出，本枢纽工程的选线与平面布置极具特色，主要体现在以下三个方面：（1）枢纽布置坝轴线走向与工程所在河段的整体河势斜交，但与坝址处中、枯水河槽基本垂直；（2）枢纽大坝的过水段宽度仅占工程前洪水河宽的1/4左右，极大的压缩了自然河床的过水宽度；（3）船闸上引航道未近岸布置，洪水期位于河道中间，为了防止洪水期右侧滩地水流横越口门区而产生不利的通航水流条件，口门区右侧顺水流方向设置一顺直隔流堤。

图2 设计方案上游口门区及连接段最大横向流速沿程变化Fig.2 Variation of the maximum transverse velocity at the upstream entrance and connection areas in design scheme

3 平面布置设计方案论证与分析

结合1：100的整体定床物理模型试验成果，从船闸通航条件和枢纽泄流能力角度对枢纽平面布置设计方案进行分析论证。

3.1 设计方案船闸通航条件

（1）船闸上游口门区及连接段通航条件。采用整体水工模型进行了450 m3/s、1 100 m3/s、2 300 m3/s、5 050 m3/s、8 700 m3/s、13 500 m3/s共6级典型流量的通航条件试验，各流量级上游口门区及连接段最大横向流速沿程变化见图2。试验结果表明，各级流量船闸上游由于受右侧隔流堤的掩护作用，口门区内纵、横向流速及回流流速均满足规范要求，通航水流条件良好，存在的主要问题是在较大流量级（5 050 m3/s流量以上）时，坝上右侧滩地水流侧向收缩（图3），受上游隔流堤的挑流影响堤头附近连接段航道横向流速过大，设计最大通航流量13 500 m3/ s时，最大横向流速达1.73 m/s，通航水流条件差。同时经船模试验论证，船模行至隔流堤堤头附近连接段航道时需操较大舵角抵御横流作用，在设计最大通航流量时船模无法穿越堤头附近的复杂流态区段以进入口门区。

图3 设计方案洪水期枢纽上游流场Fig.3 Variation of the maximum transverse velocity at the downstream entrance and connection areas in design scheme

（2）船闸下游口门区及连接段通航条件。船闸下游口门区处于主河槽反“S”型弯道弯顶附近，小流量时水流归槽，船闸下游口门区水流与航线产生较大夹角。与此同时，枯水期下游河道水深较小，河床形态对水流流态影响较大，受局部河床影响，口门区内产生跌水，使得水流条件进一步恶化。设计流量（450 m3/s）下水流与航线夹角在60°左右，最大横向流速可达0.81m/s，通航水流条件不满足要求；中高水流量时（流量大于5 050 m3/s），随着河道水深的加大，口门区内跌水现象消失。此外，由于泄水闸下泄水流对电站尾水的顶推作用，口门区内水流与航线夹角有所减小，通航水流条件趋好，但受主槽左侧高滩的影响，连接段航道（口门下600 m）流速增加，航中线左侧的最大横向流速为0.6 m/s（13 500 m3/s）左右，通航水流条件较差，船模下行经过该航段时漂角过大，不满足安全航行要求。各流量级下游口门区及连接段最大横向流速沿程变化见图4。典型流量船闸下游流场见图5、6。

图4 设计方案下游口门区及连接段最大横向流速沿程变化Fig.4 Variation of the maximum transverse velocity at the downstream entrance and connection areas in design scheme

图5 设计方案枯水期枢纽下游流场Fig.5 Flow field in the downstream of hydrojunction during dry season

图6 设计方案洪水期枢纽下游流场Fig.6 Flow field in the downstream of hydrojunction during flood period

3.2 设计方案枢纽泄流能力

（1）泄流能力控制标准。依据行业相关规范同时结合坝址河段河势条件以及枢纽工程布置特点，确定的枢纽整体泄流能力控制标准为：枢纽建成后在宣泄设计洪水及以下流量时（Q≤20 200 m3/s）坝上最大水位壅高值不大于0.3 m，在宣泄校核洪水时（27 300 m3/s）不大于0. 5 m。

（2）泄流能力试验成果。选取Q=13 500m3/s（10 a一遇）、Q=20 200 m3/s（设计洪水、50 a一遇）和27 300 m3/s（校核洪水、300 a一遇）三级特征洪水流量进行枢纽泄流能力试验。工程前、后沿程水面线对比见图7。试验结果表明，与工程前相比，枢纽建成后坝上水位壅高明显，且随着流量的增加，水位壅高值逐渐增大，在设计洪水（20 200 m3/s）与校核洪水（27 300 m3/ s）时坝上最大水位壅高值分别为0.63 m、0.99 m，均已超出枢纽泄流能力控制标准。由此可见，设计方案工程布置条件下枢纽泄流能力达不到设计要求。由工程后枢纽上游水位壅高值沿程变化可以看出，坝上最大壅水位置出现在枢纽上游约3 km处，不同于一般枢纽最大壅水值位于坝前附近的壅水规律。从泄水闸各个闸孔过流情况来看，布置于最右侧的10个闸孔以及最左侧2个闸孔的泄流能力明显较弱。

图7 设计方案工程前后沿程水面线Fig.7 Water-surface curve before and after the project in design scheme

3.3 设计方案存在问题分析

（1）对船闸通航条件影响分析。试验表明，设计方案受工程布置影响，船闸上下游口门区及连接段通航条件均不能满足要求。对于船闸上游而言，由于上引航道在洪水期位于河道中间，为了防止洪水期右侧滩地水流横越口门区而产生不利的通航水流条件，设计方案在船闸上游口门区右侧顺水流方向设置一顺直隔流堤，从试验成果来看隔流堤的布置保证了口门区的水流条件，但问题是隔流堤堤头的挑流影响导致连接段航道水流条件较为恶劣。综合分析认为，在口门区外侧设置隔流堤是必要的，但应进一步优化隔流堤布置形式，以减小堤头挑流对连接段航道的影响；对于船闸下游而言，口门区及连接段水流条件均是由河道地形影响而致，优化方案需通过调整河床局部形态来改善。

（2）对枢纽泄流能力影响分析。根据模型试验成果，设计方案枢纽整体泄流能力较弱，坝上水位壅高过大，未能达到设计要求。综合分析枢纽布置对泄流能力的影响主要有以下几点：①上游布置的隔流堤堤头对右侧滩地侧向收缩水流产生明显的挑流作用，导致泄水闸右侧10个闸孔前水动力较弱，过流能力不足；②枢纽右侧10个泄水闸孔布置于低漫滩上，闸前滩地高程一般在49.0～52.0 m，高出泄水闸堰顶高程5.0～8.0 m，极大影响了闸孔引流条件；③船闸上游左侧导航墙对泄水闸右侧边孔产生掩护，影响其泄流能力；④受厂坝间隔水墙挑流影响，最左侧2孔泄水闸闸前产生回流，其泄流能力基本丧失；⑤枢纽上游在隔流堤堤头位置形成了除泄水闸之外的又一水位控制断面，在其限制作用下，由泄水闸造成的水位壅高值向上传递此处后又产生了累积叠加，使得坝上水位进一步壅高。通过上述分析可以看出，设计方案船闸上游布置的隔流堤是影响枢纽泄流能力的关键因素。此外，船闸上游导航墙、厂坝间隔水墙以及局部河床地形也对枢纽泄流能力产生有不利影响，优化方案需对各相关建筑物（地形）进行优化调整。

4 工程布置方案优化及成果分析

4.1 优化方案工程措施

通过对设计方案平面布置进行论证分析，枢纽布置对泄流能力及通航条件的影响因素主要包括船闸上游隔流堤、导航墙、厂坝间隔水墙以及河床地形等[3-7]。针对设计方案存在问题，对工程布置提出了以下优化改进措施（图8）。

图8 优化方案工程布置图Fig.8 Project layout in optimized scheme

（1）将船闸上游隔流堤向上延伸1 080 m，布置型式由原设计方案的单一直线型调整为直线（下段）与弧线（上段）相结合的复合型，同时将其位置向右移160 m至预留二线船闸引航道右侧；（2） 右侧10孔泄水闸闸前滩地疏挖至47.6 m高程；（3） 船闸上、下游导航堤宽度由86 m缩窄为10 m；（4） 厂坝间上游隔水墙长度由84 m缩短为35 m，且采用墙身开孔的布置型式；（5） 船闸下游口门区左侧附近河床疏浚至43.5 m高程；（6） 枢纽下游高滩的右侧滩唇部位疏浚至46.5 m高程。

4.2 试验成果分析与讨论

通过对优化方案进行试验研究，枢纽整体泄流能力及船闸通航条件明显改善，分析试验资料取得了以下主要成果和认识。

（1）结合坝区河势及船闸布置特点，船闸上游隔流堤适当延长同时将上段调整为圆弧形可适应洪水期右侧滩地侧向收缩水流的流线变化趋势，减小了因堤头挑流作用而导致的连接段航道内过大的横向流速，通航条件得到改善。同时也消除了因堤头挑流而导致的右侧泄水闸孔闸前水流动力较弱的不利因素，提高了闸孔过流能力；（2）本工程预留二线船闸位于一线船闸右侧，将船闸上游隔流堤端部调整为圆弧形的布置型式将会对预留二线船闸造成干扰。因此，优化方案将隔流堤右移160 m至预留二线船闸引航道外侧，既可避免优化工程措施对二线船闸产生的影响，同时增大了堤头附近河道过水面积，减弱其对泄水闸上游水位控制，有利于枢纽泄流能力的改善；（3）将枢纽右侧10孔泄水闸闸前滩地进行疏挖主要是改善相应闸孔的引流条件，以提高过流能力；（4）缩窄船闸导航堤，使其尽量远离泄水闸，减弱其对泄水闸右侧边孔的掩护影响，有利于边孔过流能力的改善。（5）缩短厂坝间上游隔水墙且采用墙身开孔的布置型式，可减小最左侧2孔泄水闸闸前回流区的范围，有利于闸孔有效过流宽度的增加；（6）将船闸下游口门区左侧附近河床局部疏浚后可消除枯水期口门区内因跌水而导致的不良流态，改善通航条件；（7）将枢纽下游高滩的右侧滩唇部位进行疏浚可减小中洪水期下游连接段航道的水流偏角，同时增大过水断面，以达到减小连接段航道内横向流速、改善通航条件的目的。该措施的实施在改善船闸通航条件的同时，也有利于泄水闸出流更为顺畅，对于提高洪水期泄水闸的泄流能力起到了积极的作用；（8）优化方案船闸上下游口门区及连接段航道内水流平顺，各流量级下通航水流条件均满足要求；（9）优化方案在各优化措施的综合作用下枢纽整体泄流能力提高，设计洪水与校核洪水流量坝上最大水位壅高值分别为0.23 m、0.48 m，枢纽泄流能力达到了控制标准；（10）优化方案下枢纽整体泄流能力达到了设计要求，但左右两侧边孔受隔导流建筑物掩护影响过流能力仍然相对较弱，这也是集中布置的水利枢纽普遍存在的问题。

5 结论

（1）雅口枢纽的坝址选择与一般航运枢纽的选址原则不同，主要表现在枢纽坝轴线与河段河势斜交角度较大，且处于“S”型主河槽过渡段。此外，枢纽平面布置也具有大坝压缩自然河床洪水河宽3/4、通航建筑物布置于河道中间等特点。上述特点对枢纽泄洪以及船闸通航造成较大影响，同时也给方案优化带来了挑战。

（2）雅口航运枢纽坝址河段存在宽大的边滩，船闸上引航道位于河道中间，为防止洪水期边滩水流横越船闸上游口门区，在其外侧设置隔流堤改善船闸通航条件是必要的，但隔流堤堤头的挑流影响造成连接段航道水流条件较为恶劣。同时，堤头挑流导致泄水闸右侧10个闸孔前水动力较弱以及形成新的水位控制断面也是造成枢纽整体泄流能力较弱的主要原因之一。

（3）基于雅口枢纽河段的河势、地形和流场分布特点，在不改变设计方案整体布置格局的前提下，研究提出了调整上游隔流堤平面形态、缩窄导航墙宽度及河床局部疏浚等优化工程措施，解决了枢纽特殊布置条件下的泄流与通航问题，其中船闸上游隔流堤平面形态由顺直形调整为圆弧形的工程措施是枢纽优化布置的关键所在，对今后类似工程建设具有重要的指导意义。

[1] 孙保虎.汉江雅口航运枢纽工程工程可行性研究报告[R].武汉:湖北省交通规划设计院,2013.

[2] 李君涛.汉江雅口航运枢纽工程整体水工模型试验研究报告[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2015.

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Study on plane layout characteristics and optimized layout of Yakou hydro-junction in Hanjiang River

LI Jun-tao
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

General layout of inland navigation project is the key point to ensure the safety operation of hydrojunction. Yakou hydro-junction is located in the middle reaches of the Hanjiang River, and it is a comprehensive utilization hydro-junction with main purpose of navigation, and other functions of electric power generation, irrigation and tourism. Combining with river regime, topography and water infl ow condition in the river segment of Yakou hydro-junction, the plane layout characteristics of the hydro-junction were analyzed in this paper. Based on the integrated physical model test, the disadvantages of ship lock navigation condition and discharge capacity which exist in the plane layout of design scheme were pointed out. Aiming at the disadvantages, the optimized schemes were proposed to meet the requirement. The research result may serve as reference for the other similar projects.

Yakou hydro-junction; plane layout; model test

U 651；TV 143

A

1005-8443(2017)03-0258-05

2016-11-04；

2017-03-22

李君涛（1983-），男，河北省人，高级工程师，主要从事通航及航道工程研究工作。Biography:LI Jun-tao(1983-),male,senior engineer.