路蒞楓,王 能,普曉剛

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)沙 410011；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)沙 410008；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

山區(qū)河流上建設(shè)水利樞紐往往受河道狹窄、彎曲、洪水峰高量大等復(fù)雜條件限制，船閘引航道口門(mén)區(qū)在中、洪水期較難滿足安全通航要求，為改善船閘口門(mén)區(qū)通航水流條件，透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是常采用措施之一。透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)通過(guò)分解突擴(kuò)水流，可以較好的改善口門(mén)區(qū)通航水流條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種透空式結(jié)構(gòu)改善措施，如導(dǎo)流墩、浮式導(dǎo)流堤、透空式導(dǎo)流墻等方法[1-4]。

國(guó)外導(dǎo)航墻(堤)墻頭與墻身開(kāi)孔是改善口門(mén)區(qū)水流條件的主要措施,墻頭開(kāi)孔,長(zhǎng)度為20～70 m。如德國(guó)摩賽爾河上的列門(mén)、方凱爾樞紐以及薩爾河上雷靈根壅水壩樞紐的船閘上游導(dǎo)航堤均采用了堤頭開(kāi)孔,能減弱回流強(qiáng)度和范圍,從而獲得滿意的航行條件[5]。

表1 國(guó)內(nèi)透空式導(dǎo)墻工程實(shí)踐案例Tab.1 Domestic permeable guidewall engineering projects

國(guó)內(nèi)透空導(dǎo)墻(堤)的工程實(shí)踐案例較多[6-7](表1)。如渠江風(fēng)洞子、風(fēng)儀樞紐、新灘樞紐、小龍門(mén)樞紐、嘉陵江紅巖子、新政等船閘，都采取了在導(dǎo)航墻上開(kāi)孔達(dá)到改善山區(qū)河流船閘引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件的目的。此外，在葛洲壩水利樞紐的試驗(yàn)研究中, 也表明只要導(dǎo)流堤頭開(kāi)孔布置合適, 能降低堤頭附近的橫流作用, 但存在孔口泥沙淤積問(wèn)題。國(guó)內(nèi)有關(guān)的工程案例其透空導(dǎo)墻孔口多為等間距、等高度布置，與國(guó)外工程不同的是部分樞紐采用孔口軸線與船閘軸線成30°～60°夾角的設(shè)計(jì)。

已建的五強(qiáng)溪樞紐位于沅水干流下游湖南省沅陵縣楊五廟，建筑物主要有左岸500 t級(jí)船閘、混凝土重力壩、9孔溢流壩、中泄洪孔、右岸壩后式主副廠房等組成，總布置按一列式(圖1)。樞紐所在河段為典型的山區(qū)河流， 1995年2月船閘正式通航，但受河道邊界條件、樞紐運(yùn)行及既有工程的影響，船閘下游口門(mén)區(qū)通航流態(tài)較差[8]，流量超1 940 m3/s時(shí)已不滿足通航要求，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)最大通航流量7 800 m3/s。

圖1 五強(qiáng)溪水電站主要建筑物布置圖Fig.1 Layout of main buildings of Wuqiangxi hydropower station

結(jié)合五強(qiáng)溪電站下游船閘引航道口門(mén)區(qū)水流條件及其改善措施的研究，對(duì)比研究了多種透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的整治措施對(duì)水流條件的改善效果。五強(qiáng)溪船閘下游導(dǎo)流堤較短，無(wú)法阻隔主流斜穿口門(mén)區(qū)，同時(shí)受下游河寬逐漸收縮的河勢(shì)和左側(cè)河道為深槽、右側(cè)為邊灘的復(fù)雜河床形態(tài)的綜合影響，中、洪水流量下流急、偏角大，致使口門(mén)區(qū)橫向流速及回流流速過(guò)大。透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)上部擋流、下部導(dǎo)流的形式來(lái)減弱斜向水流，而底部水流會(huì)繞過(guò)導(dǎo)流堤形成一股向上涌起的水流，該股水流對(duì)船舶航向不利。在導(dǎo)流堤下游口門(mén)區(qū)外側(cè)布置若干連續(xù)的導(dǎo)流墩，可以把口門(mén)區(qū)大范圍的回流分解成若干不連續(xù)的小回流區(qū)，由于主流動(dòng)力作用長(zhǎng)度減小，口門(mén)區(qū)內(nèi)的回流強(qiáng)度相應(yīng)得到減弱；同時(shí)導(dǎo)流墩的阻擋作用，使進(jìn)入口門(mén)區(qū)的水流動(dòng)量減小，相應(yīng)削弱了口門(mén)區(qū)內(nèi)的斜流。結(jié)合透空導(dǎo)流堤(墻)與導(dǎo)流墩各自優(yōu)勢(shì)，提出了適用于山區(qū)復(fù)雜條件下改善船閘口門(mén)區(qū)通航水流條件的樁基透空導(dǎo)流屏的新型結(jié)構(gòu),可為同類項(xiàng)目提供借鑒參考。

1 模型概況

根據(jù)五強(qiáng)溪樞紐船閘所處河道特征、河床形態(tài)、地形特點(diǎn)等，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槎ù舱龖B(tài)，幾何比尺為1:100，模擬原型河道長(zhǎng)度約為5.2 km，其中壩址上游長(zhǎng)約1.2 km，壩址下游長(zhǎng)約4 km，寬度為400～900 m不等。因此，模型全長(zhǎng)約52 m，模型寬4～9 m，見(jiàn)圖2。

圖2 模型平面布置Fig.2 Model layout

通過(guò)1 080 m3/s(枯水)、2 770 m3/s(中水)、6 250 m3/s(洪水)三級(jí)流量下水面線、流速分布和斷面流量驗(yàn)證，模型左、右岸水面線與天然水面線基本吻合，水位誤差均在±0.1 m內(nèi)，模型與原型達(dá)到了阻力相似；斷面流速分布趨勢(shì)與原型基本一致，模型的水流運(yùn)動(dòng)與原型相似。驗(yàn)證結(jié)果均滿足《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T232-98)和《通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T235-2003)的要求。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型試驗(yàn)，其成果是可靠的。

2 現(xiàn)狀條件下船閘口門(mén)區(qū)礙航原因

五強(qiáng)溪樞紐船閘最小通航流量(Q=390 m3/s)時(shí)，下游引航道口門(mén)區(qū)約50 m，而45 m等高線貫穿下游導(dǎo)流堤堤頭以下航道，最小通航流量下航深在5 m以上，說(shuō)明下游航道航深富裕，礙航主要由水流流態(tài)所導(dǎo)致。

從五強(qiáng)溪樞紐壩下河床形態(tài)來(lái)看，導(dǎo)航墻右側(cè)附近河床存在長(zhǎng)條形沖刷溝，沖溝寬度約60 m，底標(biāo)高在37～41.8 m，堤頭附近形成橢圓形沖刷坑，沖刷坑最低底標(biāo)高為30 m。此外，從樞紐下游為河寬逐漸收縮的河勢(shì)，即右岸河床自電站尾水渠以下逐漸向左側(cè)收縮，電站出口斷面河道寬度約460 m，至壩下500 m附近河寬縮窄至350 m。上述壩下地形特征致使在中、洪水流量下，泄水閘下泄水流沿導(dǎo)航墻外側(cè)沖溝而下，行至導(dǎo)航墻堤頭后繞過(guò)堤頭斜沖引航道口門(mén)區(qū)。因此，船閘下游引航道口門(mén)下方深槽吸流，且導(dǎo)航墻僅有275 m，無(wú)法阻隔主流斜穿口門(mén)區(qū)，加之下游逐漸向左收縮的河勢(shì)，致使口門(mén)區(qū)航道與主流流向交角較大，相應(yīng)橫流及回流流速過(guò)大。

3 改善五強(qiáng)溪船閘口門(mén)區(qū)水流條件導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案及選型論證

由于五強(qiáng)溪水電站下游口門(mén)區(qū)受泄流影響，中、洪水期來(lái)流動(dòng)力較強(qiáng)，單一的工程措施無(wú)法達(dá)到較好改善船閘口門(mén)區(qū)水流條件的目的。為解決礙航問(wèn)題，結(jié)合其他山區(qū)河流相關(guān)的透空導(dǎo)墻(堤)的工程實(shí)例及研究成果，采用多類型工程措施相結(jié)合的方法，開(kāi)展多方案的模型試驗(yàn)，進(jìn)行方案論證比選。先期進(jìn)行了12組以上方案試驗(yàn)研究，由于篇幅限制，不再贅述。

在此僅簡(jiǎn)要對(duì)底部透空式樁基隔流堤方案成果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，方案平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 樁基隔流堤方案布置圖Fig.3 Layout plan of pile foundation separation levee

底部透空式樁基隔流堤方案是在已建導(dǎo)流堤堤頭下游布置長(zhǎng)307 m的樁基隔流堤，由16個(gè)樁基連系墩和15段插板組成。最上游的樁基連系墩1#墩與原堤頭銜接，下游每20 m布置一樁基連系墩，分別為2#～16#墩。各連系墩上設(shè)有插槽，插槽在標(biāo)高48.50～58.50 m通長(zhǎng)布置，在插槽范圍內(nèi)布置插板，插板布置范圍為在水位48.5(最低通航水位以下1.5 m)～58.5 m，通過(guò)插板與樁基連系墩相連。同時(shí)將原導(dǎo)流堤附近深槽回填至45 m。

試驗(yàn)成果表明，受隔流堤調(diào)流及深槽回填后吸流作用減弱，當(dāng)Q≤3 500 m3/s時(shí)，與工程前相比，堤頭附近回流范圍及回流強(qiáng)度明顯減小，回流區(qū)主要存在于堤頭附近至2#樁基連系墩之間；口門(mén)區(qū)內(nèi)斜流流速有所減小，橫向流速一般在0.3 m/s以內(nèi)，縱向流速沿程遞增，最大縱向流速Vymax=1.41 m/s，通航水流條件滿足要求。當(dāng)Q>3 500 m3/s時(shí)，堤頭以下100～300 m范圍內(nèi)樁基連系墩附近存在漩渦、泡漩水等不良流態(tài)，并逐步擴(kuò)散至引航道口門(mén)區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致堤頭以下150～300 m左側(cè)口門(mén)區(qū)內(nèi)水流向右側(cè)主河道偏轉(zhuǎn)，流速偏角在13°～32°，最大橫流Vxmax=0.81 m/s，通航水流條件較差，對(duì)船舶航行不利。因此，底部透空式樁基隔流堤方案對(duì)引航道口門(mén)區(qū)水流條件改善效果并不理想。

通過(guò)多方案嘗試后，按照“導(dǎo)流為主、兼顧擋流”的思路，結(jié)合樁基隔流堤與導(dǎo)流墩各自優(yōu)勢(shì)，提出了一種新型口門(mén)區(qū)導(dǎo)流建筑物——導(dǎo)流屏。其導(dǎo)流原理是其下部采用透空式結(jié)構(gòu)，基本不改變?cè)械乃饔赏庀騼?nèi)的運(yùn)動(dòng)形式，但下部水流流速一般而言要??；上部的插板部分阻擋表層水流進(jìn)入口門(mén)區(qū)并調(diào)順流向，但承臺(tái)上的兩插板銜接段留有一定寬度的豎向流道，該豎向流道流速?gòu)?qiáng)勁但流向基本沿插板方向，一定程度上壓制或平衡下部的透空式結(jié)構(gòu)進(jìn)入水流的擴(kuò)散，包括上升流。

圖4 導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Diversion vanes structural type圖5 導(dǎo)流屏平面布置Fig.5 Layout plan of diversion vanes

導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4，平面布置見(jiàn)圖5。導(dǎo)流屏主要由灌注樁、承臺(tái)及插板組成，總長(zhǎng)204.5 m，承臺(tái)上的兩插板銜接段留有2.25 m的豎向流道。導(dǎo)流屏中心軸線與航線平行，承臺(tái)間距20 m，最上游的承臺(tái)緊緊接原有導(dǎo)航墻。承臺(tái)底底標(biāo)高45 m，底部設(shè)2～4根直徑2.5 m灌注樁。承臺(tái)與航中線夾角為16°，承臺(tái)上部為2根3 m×3.5 m并設(shè)有插槽的混凝土柱體，插槽內(nèi)布置插板10塊等高的插板，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長(zhǎng)20 m，最下1塊插板底高程為48 m。

樁基透空式導(dǎo)流屏設(shè)計(jì)方案工程前后引航道口門(mén)區(qū)橫流及回流強(qiáng)度匯總于表2。

由表中數(shù)據(jù)可知，各流量級(jí)下，船閘下游口門(mén)區(qū)回流范圍及強(qiáng)度均較工程減小，回流區(qū)主要位于堤頭附近至3#承臺(tái)間，最大回流流速0.37 m/s；口門(mén)區(qū)內(nèi)橫向流速亦明顯減小，Q≤6 000 m3/s時(shí)，口門(mén)區(qū)最大橫向流速在0.3 m/s以內(nèi)，Q=7 800 m3/s時(shí)，口門(mén)外100～150 m范圍內(nèi)航中線右側(cè)個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速略超出規(guī)范規(guī)定的不大于0.3 m/s的要求，最大為0.32 m/s。因此，導(dǎo)流屏推薦方案工況下，船閘下游口門(mén)區(qū)水流條件較工程前明顯改善，能夠滿足規(guī)范要求，本工程最終采用了導(dǎo)流屏方案作為五強(qiáng)溪船閘下游引航道改造的實(shí)施方案。

表2 工程前后口門(mén)區(qū)內(nèi)回流及橫流對(duì)比Tab.2 Comparison of backflow and crossflow in the entrance area before and after the project

4 結(jié)論

(1)五強(qiáng)溪船閘下游引航道口門(mén)區(qū)受山區(qū)復(fù)雜條件影響，中、洪水流量下流急、偏角大，通航水流條件較差，實(shí)踐中，借鑒了國(guó)內(nèi)外多種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同類型的多方案試驗(yàn)論證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽的創(chuàng)新、試驗(yàn)驗(yàn)證和比選，最終的改造方案選取了樁基導(dǎo)流屏型式。

(2)樁基導(dǎo)流屏改善口門(mén)區(qū)通航水流條件的作用機(jī)制主要是通過(guò)上部插板限制表層斜向水流，通過(guò)插板間豎向流道向航道內(nèi)引入部分水流，壓制或平衡下部的透空式結(jié)構(gòu)進(jìn)入水流的擴(kuò)散，包括上升流，以此達(dá)到相互限制，相互抵消，削弱口門(mén)區(qū)內(nèi)斜流強(qiáng)度及泡漩水的效果。

(3)樁基導(dǎo)流屏方案已順利實(shí)施，結(jié)果表明船閘口門(mén)區(qū)水流條件較工程前有著明顯改善，成功通過(guò)了工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，較好的解決沅水高等級(jí)航道礙航瓶頸問(wèn)題。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例和五強(qiáng)溪船閘下游引航道口改造方案比選進(jìn)行實(shí)例介紹，希望對(duì)相關(guān)的建設(shè)工程能起到一定借鑒參考作用。