排桩整流技术在大藤峡水利枢纽中的应用

朱卫国，王 斌

(1. 广西交通规划勘察设计研究有限公司， 南宁 530029；2.珠江水利科学研究院， 广州 510611)

排桩整流技术在大藤峡水利枢纽中的应用

朱卫国1，王 斌2

(1. 广西交通规划勘察设计研究有限公司， 南宁 530029；2.珠江水利科学研究院， 广州 510611)

基于物理模型试验，研究了大藤峡水利枢纽上下游口门区满足通航水流条件，并首次将排桩整流技术运用于改善引航道上下游口门区流态当中，提出了改善口门区流态的排桩方案，试验结果表明，排桩整流技术可成功的改善引航道上下游口门区流态的同时，还能够节省工期、降低造价。

排桩；大藤峡水利枢纽；口门区；回流流速；横向流速

目前改善口门区流速、流态的改善措施主要包括导航墙(堤身开孔、优化堤头形式)[1]、导流墩、浮式导流堤、丁坝、潜坝以及浚深和拓宽过流断面等，其中导航墙、隔流墙和导流墩是目前应用最多的整流措施，通过单独或组合使用这些技术基本能够满足工程口门区对水流条件的要求，但都有一定的局限性(如开孔导航墙若开孔角度过大将出现长条形泡水；浮式导流堤的连接形式和水流冲击力等问题)[2]，且以往的改善措施的施工方法都是类似的，都需在围堰的围护下对地基进行处理，然后进行基坑内施工作业，其施工过程复杂、工期长、造价高。

排桩在国内外主要以透水丁坝的形式进行运用[3-5]，主要应用于在河道岸线整治、航道整治[6]或海岸线保护工程中，如河流上建立的排桩[7-8]，用以增加排桩下游泥沙淤积，从而减少水流对河道凹岸的冲刷。国外主要将运用在保护海岸线工程当中，用于减少波浪和海流对海岸线的冲刷，如图1所示荷兰泽兰省[9-10]用于海滩的排桩。

图1 荷兰泽兰省沙滩上的排桩Fig.1 Pillars placed on the beach(Zeeland, the Netherlands)

本文首次将排桩整流技术运用于航道治理当中，运用排桩阻流、降低流速的原理，改善航道水流流态，从而使得航道水流满足规范及船舶安全运行的要求。

1 排桩整流机理

排桩是由多个单桩组合排列组成，当水流流经排桩时，排桩的阻力作用使得上游水位升高，进而造成上下游的水位差△Z，同时桩柱间歇可使部分水流在降低流速后流向下游，而多余的水流则导流至排桩两侧，从而达到降低排桩下游流量和流速的目的。前苏联C.B.依兹巴斯(许念曾著《河道水力学》)通过对单排支柱的初步研究，分析了排桩水位差及下游水流单宽流量q的关系，排桩下游单宽流量公式如下

(1)

2 工程应用

图2 排桩相关参数示意图Fig.2 Sketch of row pile related parameters

2.1大藤峡水利枢纽概述

大藤峡水利枢纽是一座以防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。根大藤峡船闸按3 000吨级单级船闸设计，级别为Ⅰ级。大藤峡枢纽受布置空间限制，上游引航道口门区布置于弯道峡口末端的左岸滩地上，受峡口出口扩散水流及弯道水流的共同作用，水流与口门区中心线形成较大的夹角；从泄水闸至下游引航道口门区，水流主流呈“S”形走向，并以一定交角进入下游口门区，导致船闸上下游引航道口门区的天然水流条件较差。

2.2排桩整流技术在上游口门区的应用[11]

2.2.1 上游口门区原方案

图3 上游引航道口门区可研阶段设计方案平面布置Fig.3 Plane layout of the upstream approach channel in design scheme

大藤峡枢纽上游河道为弯曲河道，且弯曲河道凹岸的主流直冲口门区，导致进入口门区流量、流速较大，是口门区纵向及横向流速超标。原设计方案为了改善口门区内的水流流态，在口门区河道侧设一道长485.0 m、顶高程为47.0 m的隔流堤；同时为防止河床质泥沙进入到口门区及引航道内，在口门区上游设置一道拦砂坎与隔流堤相连，拦砂坎顶高程为39.2 m(与上游引航道及口门区底高程相同)，原设计方案上游引航道及口门区布置如图3所示。

在5 a和10 a一遇洪水情况下，原设计方案口门区水流流态图如图4、5所示，方案设置的隔流堤使上游来流提前折转进入主河槽，上游口门区中心线与水流流向夹角在10°～20°之间；上游来流在惯性力以及隔流堤导流作用下，部分水流沿着隔流堤进入引航道内，并在引航道前端形成逆时针的回流区，回流区域内回流流速超标；同时在引航道内形成往复流，试验测得的引航道内水面波动幅度可达1.0 m，往复流的存在将影响船舶的正常停泊。

2.2.2 上游口门区排桩方案

图4 原方案口门区水流流态(Q20%=30600m3∕s)Fig.4Flowconditionattheentranceareainoriginalscheme(Q20%=30600m3∕s)图5 原方案上游口门区水流流态(Q10%=35200m3∕s)Fig.5Flowconditionatupstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

通过分析上游口门区的水流发现，由于大藤峡通航流量大，且口门区位于左岸主流区，使得口门区的进水流量Q进非常大，口门区入流及出流示意图如图6所示，优化方案须首先考虑减小口门区的进水流量Q进，对右侧对船闸上游口门区、连接段航道的右侧，及口门区上游附近低于38.2 m的河床回填，并回填至38.2 m高程，是个一石二鸟的办法：回填口门区上游河床能够阻挡底部水流进入口门区，减少进入口门区流量；回填口门区、连接段右侧，使得口门区右侧的整体阻力均匀，从而调整流量分配、使水流从口门区右侧均匀泄出，与此同时，大藤峡施工过程形成的大量弃渣得以部分解决。

其次，进入口门区的水流在惯性作用下沿口门区运动，流至分流口附近时才侧向集中横向出流，导致横向流速超标，调整，排桩可通过其桩柱阻水作用，抬升口门区水位，从而降低口门区上下游水位差，同时使部分水流从排桩间隙通过，令口门区流出水流沿口门长度方向侧向均匀出流，将横向集中出流转化为均匀分散出流，从而降低口门区横向流速。

图6 口门区入流及出流示意图Fig.6Sketchofflowdirectionattheentrancearea图7 排桩方案上游口门区平面布置图Fig.7Planelayoutoftheupstreamentranceareaafterpiling

具体排桩优化方案：(1)弯道弧度由29°调整至23°，半径调整为1 479.2 m，并以179 m的直线段与口门区相连；口门区与上游主航道以半径910 m、弧度23°的弯段连接；(2)将上游口门区左侧滩地与口门区边线保持10 m宽度；上游口门区右侧滩地开挖至41.5 m高程，滩地与口门区边线保持30 m宽度；(3)在上游口门区右侧开挖滩地上加设排桩，桩径为3.3 m，桩顶高程为46.0 m，其中，航上1+467～航上1+595桩间距为6.6 m，航上1+595～航上1+780桩间距为3.3 m；(4)将上游口门区连接段河道及滩地进行回填，回填范围至航上2+592断面，回填高程至38.2 m；(5)将上游口门区连接段与南木江副坝之间河床回填至38.2 m高程。排桩方案的平面布置图如图7所示。

图8 排桩方案上游口门区水流流态(Q10%=35200m3∕s)Fig.8Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)图9 排桩方案上游口门区水流流态(Q20%=30600m3)Fig.9Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3)

实施排桩优化方案后，各试验工况下上游口门区流态分布图如图8、图9所示，流速分布图如图10、图11所示。在遭遇10 a一遇洪水时，上游口门区纵向流速在2.0 ms以内，横向流速基本在0.30 ms以内(航上1+719、航上1+605、航上1+491断面最外侧横向流速大于0.3 ms，最大横向流速为0.38 ms)，口门区内无回流存在，上游口门区水流条件基本满足最大通航流量通航要求。上游口门区连接段纵向流速基本都在2.5 ms以内，只有2+266断面连接段外侧边线出现纵向流速超标现象(最大纵向流速为2.60 ms)，无横向流速，上游口门区连接段水流条件满足船舶通航要求。

可见，排桩优化方案相对于设计原方案，可有效减小口门区横向流速及回流流速，使上游口门区连接段水流条件满足船舶通航要求。

2.3排桩整流技术在下游口门区的应用

2.3.1 下游口门区原方案

图10 排桩方案上游口门区流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.10Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)图11 排桩方案上游口门区流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.11Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

大藤峡水利枢纽坝轴线下游为“S”型弯曲河段，河道先向右弯，然后向左弯，设计方案的下游引航道口门区位于左弯河道的凹岸。过闸水流受河势影响，主流先倾向于贴近右侧凹岸流动，然后受右侧凸岸的挑流作用发生偏转，开始偏向左侧凹岸流动，故下游引航道口门区处于主流顶冲区。

设计方案采用“防护+扩挖”的措施来改善口门区的水流条件：隔流堤末端接长约460 m的直立导航墙和长约90 m、外挑37°的透水式导墙，直立导航墙可阻挡主流顶冲，外挑透水式导墙一方面可以将主流挑向河中避开口门区，一方面可以经由底部透水孔向口门区补水消除回流；因部分导墙伸向河中占用河道过流断面，从而压缩主流，因此右侧凸岸进行了较大面积的扩挖，以此增加该河段的过流断面，减少设置导墙带来的不利影响，原设计方案如图12所示。

图12 下游引航道口门区原方案平面布置Fig.12Planelayoutofthedownstreamapproachchannelinoriginalscheme图13 原方案下游口门区水流流态(Q10%=35200m3∕s)Fig.13Flowconditionatdownstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

最大通航流量条件下，设计方案下游引航道口门区及附近水域的流态见图13所示，由照片可见，口门区水域在导航墙的防护下，大部门区域的水流条件较好；近左岸主流在外挑导墙作用下流向偏转幅度较大，下泄过程中主流左右摆动，在其带动下口门区中下段(照片中蓝色框区域)及其下游的航道过渡段(照片中绿色框区域)形成两个较大范围的回流，横向流速及回流值均超出规范要求，不能满足通航需求。

2.3.2 下游口门区优化方案

通过分析大藤峡下游口门区水流条件发现：下游口门区位于左岸凸岸河段与凹岸河段的过渡位置，航道过渡段位于口门区下游的凹岸河段，弯道水流作用使得左侧凸岸下游沿岸形成较大范围的回流，主流绕过回流区摆动至凹岸流动时又使得航道过渡段纵向流速较大。可在口门区边界处设置排桩，运用排桩降低下游流速的原理，将部分水流重新挑回主河槽，同时使剩下的低流速水流从排桩间隙进入口门区，从而降低横向流速。另一方面进入口门区的流速还会继续向下游输移，从而抵消部分口门区回流。

具体的优化方案如下：(1)调整左厂房尾水渠出口左侧岸坡开挖线，使左厂房尾水和靠近左侧的闸孔出流能够平顺汇入主河槽，减少主流摆动。(2)将口门区对侧岸坡的扩挖范围进行调整，优化扩挖方案将岸线扩挖起始位置上移约280 m岸坡平顺连接。(3)取消原设计的长导墙，沿隔流堤末端至原外挑导墙位置沿程布置排桩。共8排，每排排桩设有10个桩柱，单桩直径2.0 m，桩与桩之间间距2.0 m，桩顶高程为42 m。调整后下游口门区布置如图14所示。

图14 排桩方案下游口门区布置图Fig.14 Plane layout of the downstream entrance area after piling

图15 排桩方案下游口门区流态(Q20%=30600m3∕s)Fig.15Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)图16 排桩方案下游口门区流态(Q10%=35200m3∕s)Fig.16Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)

10 a、5 a一遇最大通航流量条件下水流流态如图15、16所示，流速分布图如图17、18所示。由图可知，口门区大部分为为静水区，航道过渡段的上游段为低流速区，河道主流扩散汇入下游段航道过渡段的角度较小，流线较为顺直；口门区范围测点流速均满足规范要求，未出现回流或横向流速超标情况。航道连接段内右侧靠近主流的航槽测点纵向流速较大，此时可选择左侧航槽及近岸的低流速区作为通航区域，水流条件可满足通航要求。

为保证船舶通航安全，在保证上下游口门区的水流条件满足规范要求后，还进行了自航船模试验，试验成果表明：在Q≦25 500 m3s流量时，枢纽运行期下游航道通航条件满足1+2×2 000 t船队的通航要求；在Q≦35 200 m3s流量时，下游航道通航条件满足3 000 t机动货船的通航要求。1+2×2 000 t船队上行进闸的最小航速均小于3 000 t机动货船；上行进闸和出闸下行的最大舵角均大于3 000 t机动货船，总体来看1+2×2 000 t船队的通航难度大于3 000 t机动货船。

图17 排桩方案下游口门区流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.17Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)图18 排桩方案下游口门区流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.18Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

3 结语

结合大藤峡水利枢纽物理模型试验，首次将排桩整流技术运用于改善引航道上下游口门区流态当中，并提出了具体的排桩优化方案，试验结果证明，排桩整流技术可成功的改善引航道上下游口门区流态。排桩整流结合快速发展的水下施工技术，由于其无需围堰、工期短、造价低，将会有更多的应用价值。

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Application of pile-rectifying technology in Datengxia water conservancy hub

ZHUWei-guo1,WANGBin2

(1.GuangxiCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstitute,Nanning530029,China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute(PRHRT),Guangzhou510611,China)

Based on physical model test, the upstream and downstream entrance areas of Datengxia water conservancy project are satisfied to meet the navigable flow conditions, the pile-rectification technology was applied for the first time to improve the flow pattern of the upstream and downstream entrance area of the approach channel, and the scheme of improving the flow pattern of the entrance area was proposed. The test results show that the pile-rectifying technology is a applicable method to improve the upstream and downstream flow of entrance area. At the same time, it also saves time and reduces costs.

row pile; Datengxia water conservancy hub; entrance area; reflux flow rate; horizontal flow rate

2017-03-10；

2017-05-05

朱卫国(1978-)，男，河南开封人，高级工程师，主要从事水利工程、港口与航道工程设计工作。

Biography：ZHU Wei-guo(1978-),male,senior engineer.

U 641.9

A

1005-8443(2017)05-0495-06