蔣明鋒，李 帆，劉方舟，乾東岳

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410000；2.長沙理工大學(xué)，長沙410076）

長沙綜合樞紐位于湘江長沙段蔡家洲，具有改善環(huán)境、通航、發(fā)電、給水、灌溉、旅游等綜合效益。壩址處河道順直開闊，地形特點(diǎn)有利于分期施工及施工導(dǎo)流［1］。樞紐建設(shè)施工導(dǎo)流期間，圍堰等導(dǎo)流建筑物將束窄河段，減小過水?dāng)嗝婷娣e，改變原始水流特性，從而影響河段的行洪能力和通航水流條件。行洪能力是否滿足要求，關(guān)系到壩址以上河段沿岸生命財(cái)產(chǎn)安全以及施工進(jìn)度的順利進(jìn)行，是樞紐建設(shè)中至關(guān)重要的問題。而為了確保工程施工安全及地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，則必須保證施工期間河段的水流條件能夠滿足船舶的安全通航［2］。

根據(jù)樞紐河段地形、水流條件等特點(diǎn)，同時(shí)綜合考慮工程進(jìn)度安排，長沙綜合樞紐分三期進(jìn)行施工導(dǎo)流：一期圍右汊20 孔泄水閘，由左汊河床過流和通航；二期圍左汊左岸船閘及部分泄水閘，由左汊束窄河床及右汊已建20 孔泄水閘泄流，左汊臨時(shí)航道通航；三期圍左汊右岸電站廠房及剩余的泄水閘，由已建左汊和右汊的泄水閘泄流，已建船閘通航。本文主要針對長沙綜合樞紐三期工程，通過水工模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析河段的行洪能力和通航水流條件，研究確定合理的導(dǎo)流方案。

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)控制條件

1.1 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)范圍上起壩軸線上游約4.3 km，下至壩軸線下游約7.4 km，全長約11.7 km。寬度超過河流兩岸防洪堤范圍，并考慮溈水匯入的影響，其值為10～25 km 不等。根據(jù)幾何相似、水流運(yùn)動相似、動力相似及阻力相似準(zhǔn)則，模型試驗(yàn)所用的水工模型采用1：100 正態(tài)定床模型［3-4］。表面流場測量采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）系統(tǒng)對表面粒子實(shí)時(shí)圖像采集與處理。

1.2 試驗(yàn)控制條件

通過分析比較施工導(dǎo)流前后沿程水位，從而得到上游水位雍高值以反映施工導(dǎo)流期間河段的行洪能力。設(shè)計(jì)要求施工導(dǎo)流后的雍高值控制在45 cm 以內(nèi)。

三期施工導(dǎo)流期左汊左岸永久船閘已建設(shè)完工，屬于Ⅱ級船閘。根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，對船閘口門區(qū)通航水流的要求如表1 所示。

2 三期施工導(dǎo)流行洪能力研究

2.1 導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案行洪能力研究

2.1.1 設(shè)計(jì)導(dǎo)流方案

表1 口門區(qū)水面最大極限流速Tab.1 The maximum limit value of entrance area surface velocity m/s

設(shè)計(jì)方案按全年2 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圍堰，圍左汊剩余的16.5 孔泄水閘和廠房（圖1）。擋水工況時(shí)，由左汊已建10 孔泄水閘和右汊20 孔高堰閘壩聯(lián)合過流，已建船閘通航；過水工況時(shí)，由已建左汊10 孔閘壩、右汊20 孔閘壩與左汊三期過水圍堰聯(lián)合泄流。

圖1 三期圍堰平面布置圖Fig.1 Sketch of plane arrangement for third-stage cofferdam

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

三期圍堰在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）時(shí)，圍堰上游最大壅高為62 cm，不滿足小于45 cm 的設(shè)計(jì)要求，說明三期施工導(dǎo)流的設(shè)計(jì)方案壅高值較大，泄流能力不足。

通過觀察三期上游圍堰處流場發(fā)現(xiàn)，受上游圍堰的影響，左汊泄水閘前存在回流區(qū)（圖2），較大程度地影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力。通過觀測左汊10 孔泄水閘閘前流速發(fā)現(xiàn)，從第一孔至第八孔泄水閘閘前行進(jìn)流速一般在2.8～4.0 m/s；第九孔泄水閘受回流區(qū)的影響，閘前行進(jìn)流速較小，只有0.7 m/s；第十孔泄水閘受到回流區(qū)的影響嚴(yán)重，不僅沒有泄流，甚至產(chǎn)生了倒流，流速為-0.6 m/s，使得泄水閘實(shí)際過流能力減小。

圖2 三期設(shè)計(jì)方案圍堰附近流場圖Fig.2 Flow field around cofferdam for the third design proposal

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案行洪能力研究

由于三期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案存在水位壅高較高的情況，需按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）對圍堰的平面布置形式進(jìn)行優(yōu)化。

通過分析長沙綜合樞紐三期施工導(dǎo)流的具體情況，發(fā)現(xiàn)其有以下特點(diǎn)。首先，三期施工導(dǎo)流的布置與二期施工導(dǎo)流的布置關(guān)系緊密，兩者之間的過流寬度需分配合理。增加其中一方的溢流寬度，則會減小另一方的溢流寬度。所以，若為了使三期導(dǎo)流滿足行洪要求而不斷增加其溢流寬度，那么將減小二期導(dǎo)流的溢流寬度從而影響二期的行洪能力。其次，從三期導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案的上游圍堰流場圖可以看出，回流影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力，使得現(xiàn)有的溢流寬度未充分發(fā)揮溢流作用。

當(dāng)施工導(dǎo)流的行洪能力不足時(shí)，通?？紤]的是增加溢流寬度以及河道疏浚［6-7］，從而使上游雍高值滿足設(shè)計(jì)要求。但是，根據(jù)長沙綜合樞紐三期施工導(dǎo)流的特點(diǎn)，不能一味地增加其溢流寬度，而需要同時(shí)考慮通過調(diào)整圍堰平面布置形式，調(diào)順?biāo)鞣较?，改善水流條件，從而提高河段的行洪能力。

在三期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，從增加溢流寬度和調(diào)整縱向圍堰與水流方向兩方面對其進(jìn)行優(yōu)化，共提出了3 種優(yōu)化方案。

2.2.1 平面布置優(yōu)化

（1）優(yōu)化方案1：增加溢流寬度20 m（增加一孔泄水閘，由原設(shè)計(jì)方案的10 孔改成11 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖3 所示；該方案從增加溢流寬度角度出發(fā)，增大過流面積以降低上游的水位壅高。

圖3 三期施工導(dǎo)流優(yōu)化方案1 示意圖Fig.3 Sketch of the first optimum proposal for third-stage construction diversion

圖4 三期施工導(dǎo)流優(yōu)化方案2 示意圖Fig.4 Sketch of the second optimum proposal for third-stage construction diversion

（2）優(yōu)化方案2：增加溢流寬度20 m，且上游縱向圍堰端部向右岸上游橫向圍堰方向移動30 m，如圖4所示。

（3）優(yōu)化方案3：增加溢流寬度40 m（增加兩孔泄水閘，由原設(shè)計(jì)方案的10 孔變成12 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖5 所示。

圖5 三期施工導(dǎo)流優(yōu)化方案3 示意圖Fig5 Sketch of the third optimum proposal for third-stage construction diversion

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

各優(yōu)化方案在2 a 一遇洪水流量（Q=13 500 m3/s）工況下，在采取各種措施后圍堰上游的最大壅高值原方案為62 cm，優(yōu)化方案1 為57 cm，優(yōu)化方案2 為43 cm，優(yōu)化方案3 為52 cm。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）各優(yōu)化方案的壅高值較原方案均有所減小，其中優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案3 的壅高值降低較小，最大壅高值分別為57 cm 和52 cm，不滿足小于45 cm 的設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案2 的壅高值降低較多，最大水位壅高值為43 cm，滿足小于45 cm 的設(shè)計(jì)要求。

（2）優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案3 在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上僅“增加溢流寬度”，未優(yōu)化縱向圍堰的結(jié)構(gòu)型式，使得上游縱向圍堰處的回流并未得到改善，靠近縱向圍堰的2～3 孔泄水閘泄流能力未提高。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，每增加20 m 的溢流寬度，水位雍高值減小5 cm，說明僅靠“增加溢流寬度”的方法對提高導(dǎo)流期的行洪能力所起到的效果是有限的。

（3）優(yōu)化方案2 是在優(yōu)化方案1 的基礎(chǔ)上將縱向圍堰改為折線，“調(diào)整縱向圍堰與水流方向”，使水流更加平順，從而大大降低了回流區(qū)影響范圍（圖6），使得靠近縱向圍堰兩孔泄水閘閘前行進(jìn)流速比原方案有較大的提高，從而提高了泄水閘的泄流能力。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出：優(yōu)化方案2 較優(yōu)化方案1 的縱向圍堰端部右移30 m，水位壅高值減小了14 cm，說明“調(diào)整縱向圍堰與水流方向平順”方法更有利于提高施工導(dǎo)流期的河段行洪能力。

綜上所述，僅優(yōu)化方案2 滿足行洪要求。分析各優(yōu)化方案可知，優(yōu)化方案2 是在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合了增加溢流寬度和調(diào)順縱向圍堰與水流方向的方法，其不僅增大了水流的實(shí)際過流寬度，而且調(diào)順了水流，降低了回流區(qū)的影響范圍，從而較大地提高了河段的行洪能力。因此，在優(yōu)化方案2 的基礎(chǔ)上校核船閘引航道及口門區(qū)的通航水流條件。

圖6 優(yōu)化方案2 左汊泄水閘前流場示意圖Fig.6 Flow field in front of left branch floodgate for the second optimum proposal

3 三期施工導(dǎo)流通航水流條件研究

施工導(dǎo)流方案在保證河段具有較好行洪能力的同時(shí)，也須確保河段水流條件滿足船舶安全通航要求［8］。針對優(yōu)化方案2，選取2 a 一遇（Q=13 500 m3/s）、5 a一遇（Q=17 500 m3/s）和10 a 一遇（Q=19 700 m3/s）洪水流量，研究船閘引航道及口門區(qū)的通航水流條件。

通過觀測流場，發(fā)現(xiàn)船閘引航道內(nèi)基本為靜水，重點(diǎn)研究船閘上、下游口門區(qū)的通航水流條件，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 推薦方案口門區(qū)通航水流條件Tab.2 Navigation flow conditions of entrance area for recommended proposal m/s

優(yōu)化方案2 在各級典型流量下，船閘上、下游口門區(qū)水流條件均滿足規(guī)范要求，能夠保證船舶的安全通行，可以作為三期施工導(dǎo)流的推薦方案。

4 結(jié)論

（1）三期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案，由于左汊上游圍堰造成的回流區(qū)和溢流寬度不足影響了泄水閘的過流能力，導(dǎo)致三期施工導(dǎo)流期圍堰上游河段水位壅高較高，不滿足設(shè)計(jì)要求；

（2）在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，共提出3 種優(yōu)化方案。其中優(yōu)化方案2 能滿足河段的行洪能力要求，也能保證較好的通航水流條件，故選取優(yōu)化方案2 作為三期施工導(dǎo)流的推薦方案；

（3）當(dāng)施工導(dǎo)流的行洪能力不足時(shí)，通?？紤]的是增加溢流寬度。但是，通過分析比較三期施工導(dǎo)流各種方案的行洪能力可知，采用調(diào)整圍堰局部平面布置、調(diào)順?biāo)鞣较颉⒃龃笠缌骺椎挠行н^流能力對降低水位雍高所起的作用更為明顯。本文研究推薦方案不僅可以作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，也為類似工程通過了優(yōu)化思路；

（4）通過物理模型試驗(yàn)研究河段施工導(dǎo)流期的行洪能力和通航水流條件，其成果可為設(shè)計(jì)、施工部門相關(guān)方案的制定提供科學(xué)依據(jù)，其研究方法可為類似工程提供參考。

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