构皮滩水电站通航建筑物第一级中间渠道布置与设计优化

谢颖涵，汪亚超，吴经干，胥胜洪

摘要：构皮滩水电站通航建筑物是全线渠化乌江航道的重要环节，其中间渠道的布置关系到通航建筑物的通过能力、工程造价投资等诸多方面。为改善构皮滩水电站挡泄水建筑物占据了主河床，通航建筑物中间渠道的布置空间有限，且受到地形地质等多种边界条件制约，布置难度较大等问题，通过采用曲进直出方式过船、调整隧洞平面布置、调整错船段渡槽变宽方式、适当增加渠道断面系数等措施对构皮滩通航建筑物第一级中间渠道总体布置进行优化，有效改善了前期研究阶段总体布置方案结构尺度偏小、过船速度慢、影响通过能力等问题。研究提出的优化设计方案已成功应用到构皮滩水电站通航建筑物建设中，可为高山峡谷地区通航建筑物布置提供参考。

关键词：通航建筑物； 第一级中间渠道； 渠道布置； 优化设计； 构皮滩水电站

中图法分类号：U642.1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.010

文章编号：1006-0081（2023）09-0062-06

0引言

连接上下游通航建筑物的中间渠道是一种特殊的限制性航道，其与通航建筑物结合布置，为实现高山峡谷地区通航提供解决方案，在龙滩水电站、彭水水电站等中国西南地区通航建筑物建设中广泛应用［1-4］。关于通航建筑物中间渠道的水力学问题，中外学者进行过较系统的研究，对渠道尺度与通航水流条件之间的关系进行了探索与总结［5-7］，但通过工程措施对中间渠道通航条件加以改善的工程案例较少。受地形地质、运行水位等条件制约，高山峡谷地区的航道布置形式不一，尚无标准可循。本文针对构皮滩水电站通航建筑物第一级中间渠道原布置方案中局部水流条件不满足通航要求、渠道通过能力不满足通过需求的弊端及不足，通过理论分析、模型试验等方法，对构皮滩水电站通航建筑物第一级中间渠道的布置进行优化。

1工程概况

构皮滩水电站为乌江干流水电开发的第7个梯级电站，距上游乌江渡水电站137 km，距下游思林水电站89 km。工程开发任务是发电，兼顾航运、防洪等综合利用。工程主要由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪孔、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞、右岸地下引水发电系统、左岸通航建筑物等组成。

构皮滩通航建筑物是枢纽三大主体建筑物之一，线路位于枢纽左岸煤炭沟至野狼湾一线，采用带中间渠道的三级垂直升船机方案。其上游引航道采用开敞式布置，全长454 m，升船机主体段由三级钢丝绳卷扬垂直升船机和两级中间渠道组成，全长1 652 m，轴线方位角109°，下游引航道布置在马鞍山“S”形急弯河段的出口段，右侧布置长200 m的隔流堤与主河道隔开，通航建筑物线路总长约2 306 m。最高通航水头199 m，设计代表船型为500 t级机动驳，规划过坝运量单向125万t/a。

参照JTJ 305-2001《船闸总体设计规范》和JTJ 307-2001《船闸水工建筑物设计规范》的有关规定，构皮滩水电站通航建筑物级别为Ⅳ级，通航建筑物总体布置如图1所示。

2第一级中间渠道布置与优化

2.1前期研究阶段布置方案

经多方案技术经济比选，构皮滩通航建筑物方案选定带中间渠道的三级垂直升船机方案［8］。中间渠道分为两级，其中第一级中间渠道通航水位637.0 m，由1、2、3号通航明渠、通航隧洞及1、2、3号通航渡槽组成，全长979.5 m，其中隧洞段长335.0 m，渡槽段总长467.0 m，明渠段总长177.5 m。第一级中间渠道的错船段位于通航隧洞下游，由2号明渠、2号渡槽、3号明渠和3号渡槽上游段组成，总长度334.4 m，航宽38 m，导航、靠船设施按上、下行船舶均直线进闸、曲线出闸运行布置。

第一级中间渠道具体布置自上而下依次为：1号通航渡槽（长68.0 m），1号通航明渠（长72.1 m），通航隧洞（长335.0 m），2号通航明渠（长40.0 m），2号通航渡槽（长136.0 m），3号通航明渠（长65.3 m），3号通航渡槽（长263.0 m），布置简图见图2。

通航明渠段总长165.6 m，均为挖方渠道，两侧各设5 m高重力式挡水墙，渠底设50 cm厚混凝土板。隧洞断面型式为城门洞型，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌后隧洞净高15.0 m，宽16.0 m，两侧高程639 m，各设2 m宽安全通道，隧洞航槽净宽12 m；通航隧洞进口设挡水闸首，闸首顶高程640.5 m，布置一道平板闸门抵御水库校核洪水，闸首顶部设公路桥与大坝连通。通航渡槽段总长467 m，净宽12～38 m，均采用简支渡槽，单跨长度一般为34 m，渡槽上部承重结构由预应力T型梁拼装而成，渡槽下部结构视架空高度不同分别采用重力式桥台、柱式桥墩及矩形薄壁空心墩等型式，渡槽最大墩高105 m。为简化渡槽结构，3号通航渡槽单向渠道段与错船段采用台阶式变宽衔接。

前期研究阶段布置方案基本满足通航要求，但仍存在渡槽、隧洞尺度偏小、过船速度慢、影响通过能力等不足。基于前人开展过的相关研究［9-11］，本文针对工程的技术特点和自然条件，考虑对第一级中间渠道布置进行优化调整，以提高通航建筑物的通过能力，充分发挥投资效益。

2.2优化布置思路及措施

布置优化以不改变工程总体布局为前提，旨在改善中间渠道通航条件并适当提高船舶过坝通过能力，思路如下：① 调整船舶运行方式，对应调整中间渠道错船段结构型式及尺寸，使二者相适应；② 优化通航隧洞平面布置及边坡开挖型式，以减少开挖工程量并降低隧洞开挖对周围建筑物扰动；③ 合理增加单向渠道断面系数，提高渠道通过能力，具体措施如下。

（1） 将第一级中间渠道船舶运行方式由直进曲出调整为曲进直出。研究表明［12］，船舶采用曲进直出方式通过中间渠道，可提高船舶在中间渠道交汇區内的航行和交汇安全。由于曲进直出运行方式对船舶交汇区宽度要求小于直进曲出运行方式，对应可适当减小中间渠道错船段宽度。同时将错船段渡槽变宽方式由台阶状突变调整为梯形渐变，提高中间渠道调度运行方式的灵活性，改善中间渠道波流反射特性和建筑物外观，但也在一定程度上增加了渡槽结构设计和施工难度。

（2） 将通航隧洞出口向下游侧移动约30 m，中间渠道错船段位置相应后移，第二级升船机上游单向渡槽长度对应缩短。通过深化设计，调整通航隧洞进口位置及其洞脸边坡形态，优化通航隧洞衬砌厚度及其上游交通桥布置。

（3） 以不增加隧洞总宽度为前提，将通航隧洞段航槽两侧安全通道水下部分改为架空结构，适当降低隧洞底板高程、通航水深增至4.0 m，适当增加第二级升船机上游单向渡槽段航槽宽度。

2.3优化布置方案

布置优化后，第一级中间渠道总长度、建筑物组成及总布置格局基本不变，渠道布置自上游而下游依次为：1号通航渡槽、1号通航明渠，通航隧洞、2号通航明渠，2号通航渡槽、3号通航明渠、3号通航渡槽。中间渠道错船段布置于通航隧洞出口下游，全长340.8 m，交汇段航宽37 m，采用反对称布置，上下游变宽段扩散角均为12.53°，上游变宽段长度为106 m，下游变宽段长度为99 m。错船段上游接总长度508.5 m的单向通航渠道与第一级升船机连接，下游接总长度为132 m的单向通航渠道与第二级升船机连接，错船段上下游单向通航渠道中心线偏距22.0 m。

（1） 1号通航渡槽。1号渡槽全长66 m，分为2跨，跨长均为33.0 m。上部承重结构采用简支预应力T型梁，T型梁通过横隔板、后浇带和防渗层连成一整体结构；两侧挡水墙采用框架结构并兼作管线通道，墙顶为人行道。渡槽下部结构由桥台、桥墩及其基础组成。

（2） 1号通航明渠。1号明渠全长71.1 m。明渠两侧边墙采用贴坡式重力墙，墙顶高程639.0 m，墙体上部布置管线廊道，底板采用50 cm厚的衬砌混凝土防渗。明渠顶部设宽8.0 m的交通桥，接两侧道路形成左岸上坝交通。1号通航明渠在交通桥下游侧设一道平板闸门，以抵御水库校核洪水。

（3） 通航隧洞。通航隧洞全洞长369.7 m，进洞口较前期研究阶段上移4.8 m，出洞口较前期研究阶段下移29.9 m。隧洞断面型式为城门洞型，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌后隧洞净尺寸16.0 m×16.0 m（高×宽）。隧洞两侧高程639 m各设2 m宽安全通道兼作管线通道，安全通道水下部分采用架空结构，隧洞航槽净宽12 m，通航水域宽16 m，工作水深4 m。

（4） 2号通航明渠。2号通航明渠位于通航隧洞出口、中间渠道错船段。明渠两侧为5 m高重力式挡水墙，墙后采用石渣混合料回填至墙顶高程639.0 m，底板采用50 cm厚的衬砌混凝土防渗。

（5） 2号通航渡槽。2号通航渡槽位于中间渠道错船段，槽宽由22 m渐变至37 m。渡槽上部承重结构由若干片变间距预应力T型梁拼装而成，渡槽两侧为框架式挡水墙兼作管线通道，墙顶为人行道。渡槽下部结构由桥台、桥墩及其桩基础组成。

（6） 3号通航明渠。3号通航明渠全长70 m，两侧挡水墙设计及底板防渗处理与2号通航明渠相同，优化方案的3号明渠典型断面见图3。

（7） 3号通航渡槽。3号渡槽由8跨构成，全长264 m。上部承重结构采用预应力T型梁拼装而成，渡槽变宽段T型梁按变间距布置，渡槽两侧挡水墙采用框架结构并兼作管线通道，墙顶为人行道。渡槽下部结构由桥台、桥墩及其桩基组成。优化方案的3号渡槽典型断面见图4，优化方案各部位主要结构参数见表1，优化方案布置简图见图5。

3优化方案技术经济评价

（1） 前期研究方案中，第一级升船机和第二级升船机的（最大）提升高度分别为47 m和127 m，按正常运行速度15 m/min计算，对应单闸次提升时间分别为6.2 min和17 min，第二级升船机承船箱提升时间比第一级多10.8 min，通航建筑物通过能力受第二级升船机控制。

与前期研究阶段方案相比，优化方案通过适当调整中间渠道错船段位置和平面布置形态以及船舶进出闸运行方式，将第二级升船机进出闸船舶的运行距离缩短了约80 m，经估算，第二级升船机双向运行一次过闸时间可节约3 min左右，相应通过能力可提高5%。优化方案第一级升船机进出闸船舶运行距离增加了约33 m，双向运行一次过闸时间增加了1 min左右，优化后第一级、第二级升船机的平均过闸时间差缩小。

（2） 在不显著增加工程技术难度和工程量的前提下，优化方案可适当提高中间渠道单向航道的通航水域断面系数，有利于改善船舶在单向渠道的航行条件，降低船舶航行引起的渠道水位波动幅值及其对渡槽结构和船厢运行安全的不利影响。中间渠道通航水力学模型试验成果表明，对于单向渠道，船舶航行阻力、下沉量和渠道水面波动幅值受渠道断面系数及船舶航速的影响较为显著，在正常航行参数范围内，优化方案的各项通航水力学指标可满足船舶在中间渠道安全航行的要求。

（3） 將中间渠道错船段的变宽方式由台阶状突变调整为梯形渐变，虽一定程度上增加了渡槽结构设计和施工难度，但提高了渡槽利用率并有利于船舶交汇错船运行安全。中间渠道通航水力学模型试验成果表明，采用曲进直出运行方式所需的交汇区宽度要小于直进曲出运行方式，运行安全更有保证，从减小渡槽宽度考虑，宜采用曲进直出运行方式，相应中间渠道变宽段采用渐变过渡。

（4） 主要工程量对比。与前期研究阶段方案相比，优化方案通过调整通航隧洞进出口位置，大大减少了通航隧洞进出口边坡开挖量和边坡高度，开挖量由前期研究阶段的83万m3减少为29万m3，最大边坡高度由180 m降低为120 m左右；通过调整错船段位置和平面形态，2号通航渡槽由4跨减为3跨，通航渡槽总平面面积由13 200 m2减少为11 880 m2。

优化方案与前期研究方案对比，通过能力提高约5%，开挖量减少65%，增加了断面系数，改善了船舶航行条件。具体方案对比见表2。

4结语

针对构皮滩水电站通航建筑物中间渠道的布置空间有限、受到地形地质等多种边界条件制约的不足，本文提出了第一级中间渠道平面布置与设计优化方案，该方案能够解决前期研究方案通过能力不足的问题，并且大幅度减少工程开挖量，主要结论如下：

（1） 對于中间渠道，采用曲进直出船舶运行方式，不仅提高船舶在中间渠道交汇区的运行安全，同时有利于减小错船段渠道宽度，节省投资；错船段渠道采用梯形渐变型式过渡，可增加变宽段的有效长度，提高渠道运行调度灵活性并改善渠道内水流条件，比台阶状布置更适合曲进直出船舶运行方式。

（2） 将错船段布置在通航隧洞以外区域，能有效减小通航隧洞开挖工程量，有利于控制投资；适当提高中间渠道单向航道的通航水域断面系数，虽然增加了部分开挖量，但降低了船舶航行的阻塞效应，改善了航行条件。

参考文献：

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（编辑：唐湘茜，张爽）

Layout and design optimization of first intermediate channel of navigation construction of Goupitan Hydropower Station

XIE Yinghan1，WANG Yachao1，WU Jinggan2，XU Shenghong2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China）

Abstract： The navigation construction of Goupitan Hydropower Station is an important link in the channelization of the Wujiang waterway of the whole line，and the arrangement of the intermediate channel is related to the passing capacity of the navigation construction，the investment in engineering cost and many other aspects.Since the water holding and release structures of Goupitan Hydropower Station occupied the main riverbed，the layout space of the intermediate channels of navigation construction was limited，and it was restricted by various boundary conditions such as topography and geology，the arrangement of intermediate channels was difficult.By adopting the curved in and straight out mode to cross the ship，adjusting the layout of the tunnel and the widening method of the aqueduct in the ship stagger section，appropriately increasing the channel section coefficient and other measures，the overall layout of the first intermediate channel of the navigation construction in Goupitan Hydropower Station was optimized，which effectively improved the problems such as small structural scale，slow passing speed and impact on the transit capacity of the overall layout plan in the early stage of the study.This optimization design has been successfully applied to the construction of the navigation construction of the Goupitan Hydropower Station.The research results can provide a reference for the layout of navigation constructions in the alpine valley area.

Key words： navigation construction； the first intermediate channel； layout； design optimization； Goupitan Hydropower Station