航電樞紐工程引航道布置試驗研究

石旭芳，張建民，胡小禹，余 飛，栗 帥

(1.青海大學 水利電力學院，青海 西寧 810016；2.水力學及山區河流開發與保護國家重點試驗室，四川 成都 610065；3.華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014；4.青海省水利水電勘測設計研究院，青海 西寧 810000)

在天然河道上興建航電樞紐，需要設置通航建筑物保證航運要求，而其中引航道連接船閘和河流主航道，其口門區及鄰近水域的水流流速分布是船隊(舶)順暢過閘的關鍵影響因素，值得重點研究。譬如針對三峽船閘引航道，楊文俊[1]，戴會超[2]，陳永奎[3]，等進行了系統而卓有成效的研究，提出了上游隔堤全包、雙線船閘錯開充水方案改善航運條件；周華興[4]，盧文蕾[5]，等則對口門區的通航水流條件進行了深入探討，對現有規范限值提出了商榷意見；針對嘉陵江上以及梯級開發烏江流域的銀盤、構皮灘，瀾滄江的景洪等樞紐工程，四川省交通廳內河勘測設計院、交通部西南及天津水運科學研究所等機構進行了大量試驗研究，對上下引航道提出了半開敞直線布置、半開敞曲線布置、限制性曲線布置等平面布置原則及具體尺寸建議值，同時采用透空結構等工程措施改善航運水流條件避免懸沙淤積，指出了透空范圍和透空高程的具體值，均取得了顯著的效果。但是引航道的布置受河道特性影響較大，筆者針對某大型航電工程在“S”形河道中的上下游引航道布置進行了模型試驗，研究上、下游引航道口門區的流態、流速分布，包括縱向流速、橫向流速、回流流速等，并提出優化下游引航道口門位置和導墻型式的方案。

1 工程概況

某航電樞紐工程位于湄公河上游河段，裝機容量為9 120 MW，正常蓄水位340 m，采用“右岸船閘+右岸泄洪沖沙閘+左岸廠房”為基本樞紐布置格局方案，樞紐建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、電站建筑物、通航建筑物及過魚建筑物組成，具體布置形式如圖1。

圖1 樞紐平面總體布置Fig.1 General plane of the project

擋水建筑物包括左岸非溢流壩段、廠房壩段、泄洪沖沙閘壩段、船閘壩段及右岸非溢流壩段。壩頂高程346.00 m，最大壩高69.00 m。壩頂長度899.50 m。廠房壩段位于左側主河槽部位，泄洪沖沙閘壩段位于右岸灘地，船閘壩段布置在右岸，在船閘壩段右側及廠房壩段左側布置非溢流壩段與岸坡銜接。

船閘級別為IV級，按通航500 t級船舶標準設計，初步設計為單線單級船閘，靠右岸布置，閘室有效尺度為120 m × 12 m × 4 m(長×寬×門檻水深)，上閘首結合攔河壩布置。設計最大通航流量為13 200 m3/s，最小通航流量為865 m3/s，試驗工況均保持電站滿發流量6 440 m3/s，泄洪流量通過靠近電站方向的6孔泄洪閘均勻泄流。根據規范標準，引航道口門區表面流速：縱向流速≯2.00 m/s，橫向流速≯0.30 m/s，回流流速≯0.40 m/s。引航道停泊段表面流速：縱向流速≯0.50 m/s，橫向流速≯0.15 m/s。

2 模型布置及測量方式

模型比尺為1∶70，采用正態設計，河道范圍充分反映工程段河流的S狀情勢，上下游預留足夠的流態調整過渡段以保證上下游口門區水流的流速分布相似性。由于上、下游引航道口門區流速較低，且側向流速及回流流速需要更加精確的測量，故選擇聲學多普勒點式流速儀用來測量水流的三維流速。其測量技術的基礎是相干多普勒處理，它的特點是測量精度高，沒有零點漂移。該儀器的流速測量范圍為 ± 0.01～4 m/s，精度為 ± 0.1 mm/s，采樣輸出頻率為1～200 Hz，達到了本水工模型試驗測量的要求。

3 上游引航道試驗

船閘及上游引航道中心線與壩軸線垂線形成7°的夾角，偏向河道左側，上游引航道具體布置形式如圖2，導墻呈外擴型，左側長隔流墻長225 m，右側短隔流墻長89 m平行于船閘中心線，兩者均采用板樁式結構，上下分層透空式設計[6]，上部連續墻高于最高通航水位2 m，低于最低通航水位4 m，其下部直接與水流連通。

國內外的研究和工程實踐表明，引航道的透空式隔流墻可以改善上游口門區水流條件[7-8]，但這種改善作用受工程所在的河道情勢、透空方式等條件影響，同時之前的研究大多關注的是隔流墻縱向開口的形式，對垂向分層形式的研究可供參照的案例較少，垂向分層的形式要求避免下部水流牽引由此導致引航道停泊段的水流波動。因此對口門區和停泊段的水流流速特性都進行了試驗研究，試驗流量選取涵括最小和最大設計通航流量，內插多年平均流量和洪水流量等特征流量，能夠比較完全的反映引航道在各種工況特別是不利工況下的流速情況，見表1。

圖2 上游引航道布置及結構形式Fig.2 Layout and structure of the upstream approach channel

工況流量/(m3·s-1)縱向流速橫向流速回流流速范圍/(m·s-1)超限比例/%范圍/(m·s-1)超限比例/%范圍/(m·s-1)超限比例/%最小通航流量8650．02～0．200．000．01～0．130．000．01～0．090．00多年平均流量31600．01～0．300．000．01～0．200．000．01～0．170．00汛期平均流量54400．01～0．290．000．01～0．170．000．01～0．220．00常遇洪水100000．02～0．320．000．01～0．326．170．03～0．100．00洪峰流量均值122000．01～1．210．000．01～0．4714．580．07～0．270．00最大通航流量132000．04～2．052．080．01～0．5422．920．07～0．542．08

由表1可見，對于常遇洪水以下流量的工況，由于電站滿發，大部分流量通過河道左側電站方向下泄，庫區右側基本為靜水，壩前水位較高，整個庫區的水流平緩，上游引航道各項流速指標都在規范限值之下。

隨著流量逐步增加，泄洪閘區域加大的下泄流量對引航道附近水體的牽引作用明顯，縱向流速急劇增大，最大通航流量下的最大值達到2.05 m/s，隔流墻頂端附近的口門區的斜向流作用顯著，停泊段隔流墻底部的透水作用增強，都出現了較明顯的側向流速，口門區和停泊段總的側向流速超限比例最大達到了22.93%左右，口門區最大側向流速達到0.52 m/s，停泊段靠近左側隔流墻附近出現最大側向流速為0.40 m/s，船隊(舶)航行可能產生較大的漂移，最大通航流量下靠近河道右岸的水域存在一定的回流流速，但是回流區距離航道中心線較遠，同時超限比例較小，對船隊(舶)的影響不大。

總體來說，上游引航道采用的垂直分層透空式隔流墻布置形式是合理的，上下分層型式能夠經濟有效的減小水面流速，下部水體的引入對減小回流流速大有裨益，同時上游引航道與壩軸線的非垂直布置，使得隔流墻開口方向自然與主流方向形成小銳角，調整了口門區流速分布，也使得航道中心線偏離回流區域，除了較大洪峰流量外，在其他各種通航工況下都基本能夠保證口門區內流速滿足規范要求。

4 下游引航道試驗

下游河道存在接近直角的轉彎段，引航道的合理設置對船隊(舶)的順利歸槽有著至關重要的影響。下游引航道的設計不能過短，否則河道轉彎段的水流會順勢沖擊出口，嚴重時會致使船舶無法順利歸槽，也不能過長，過長的引航道會在其下游范圍出現了較大的緩流區，容易造成泥沙淤積，影響錨地的正常使用，同時損失經濟效益。

4.1 原設計方案試驗結果

原設計方案下游引航道整體沿河道右岸布置，具體形式如圖3，順河勢形成較大的彎曲，寬45 m，船閘出口接193.628 m的直線段，再接366.738 m的轉彎段，半徑為330 m，轉彎角63°40′27″，最后接179.359 m的直線段，該段引航道寬度拓寬至65 m。該體型下游引航道均采用重力式實體隔流墻，出口方向基本與河道主流方向一致。

圖3 原設計下游引航道體型Fig.3 Original design of downstream approach channel

對原體型下游引航道口門區的流速測量結果如表2，在常遇洪水以下工況，各項流速指標能滿足規范要求，但是在10 000 m3/s以上流量下，口門區會出現較大范圍的側向流速和回流流速，究其原因，是主流流速和航道出口口門區存在顯著的流速差，流速較高的主流繞過引航道隔流墻端口向低流速的口門區擴散，形成三角狀的側向流速區和靠近右岸的回流流速區。隨著流量的增加，側向流速超限的范圍有所擴大，由于引航道較長，側向流速整體上不大，但是超限區域較廣，在最大通航流量時達到了20%左右。

表2 原設計下游引航道口門區流速試驗結果Table 2 Flow rates of entrance area of original design downstream approach

4.2 修改體型Ⅰ試驗結果

修改體型Ⅰ如圖4，將下游引航道寬度加寬至50 m，船閘出口接261.607 m直線段，再接326.421 m轉彎段,轉彎半徑保持330 m，轉彎角56°40′28″，再接40.538 m的直線段，最后為84.4 m的透空延長段。該方案整體上縮短了引航道長度，出口與彎段后的河道主流小夾角相匯，同時希望通過透空延長段的設置減少回流和側向流速，以期達到與主流平順相接的目的。

圖4 下游引航道修改體型ⅠFig.4 Modified typeⅠof downstream approach channel

對修改體型Ⅰ下游引航道口門區的流速測量見表3，雖然引航道總長度事實上較原體型縮短，出口與河道主流方向形成了小夾角，然而總體流速條件反而相對更良好。各個工況下都沒有出現過大的側向流速，由于口門區和主流之間存在流速差，不可避免的在口門區靠近河道右岸處形成回流區，引航道縮短導致出口處的主流流速偏大，相應的回流流速和回流區域也更大，在最大通航流量下達到了0.69 m/s，回流區域達13%，但是與之對應的，出口處引航道由50 m拓寬至65 m，回流區域集中在加寬的15 m范圍內，船隊(舶)歸槽恰好能夠避開回流區域。

表3 下游引航道修改體型Ⅰ、Ⅱ流速試驗結果Table 3 Flow rates of entrance area of modified typeⅠ&Ⅱdownstream approach

4.3 修改體型Ⅱ試驗結果

修改體型Ⅱ如圖5，在體型Ⅰ的基礎上，將下游引航道再次截短，初步試驗中取消體型Ⅰ尾部的直線段和透空段，彎曲段縮短為151.212 m，轉彎角為26°21′03″，其余部分保持不變。該體型下，引航道出口切線方向與轉彎后河道主流方向形成約為33.18°的夾角。

圖5 下游引航道修改體型ⅡFig.5 Modified typeⅡof downstream approach channel

對該體型的流速測量結果如表3，由于電站滿發狀態下的尾水從河道左岸沿河道轉彎，同時頂托泄洪閘方向的泄流向左側偏轉過渡，而該體型引航道出口方向與這種斜向主流方向存在角度差，因此口門區外側必然會出現指向右岸的側向流速，在泄洪工況中，泄洪閘的泄流更加大了這一效應，各個工況下都存在10%～20%的側向流速超標，同時引航道的縮短導致縱向流速的增大，洪峰流量時有小幅度的超標，在最大通航流量下由于下游水位較高，縱向流速和側向流速有所減小，靠近河道右岸區域卻出現大范圍的回流流速。

5 結 論

1)航電工程中引航道的合理體型和恰當布置是通航水流條件的重要影響因素。上游引航道采用上下分層透水方案能夠改善回流流速，在常遇洪水及以下流量下，都不會出現回流流速超標，縱向流速也僅在最大通航流量下超標2.08%，但需要控制透水流量，防止過大的透水流量導致停泊段出現不利的側向流速，最大流量下泄導致的側向流速超標范圍達23%。同時船閘軸線和壩軸線呈7°夾角的非垂直布置能夠有效的規避回流區。

2)對于急轉彎式的下游河道，單純加長引航道能降低側向流速的大小，最大側向流速從0.71 m/s降至0.48 m/s，并不能減少側向流速范圍，超限范圍仍然在15%～20%左右，根據河勢可以恰當的縮短引航道長度，透空段的設置對改善側向流速有幫助，恰當長度引航道設置透空段后側向流速超限基本消除，僅有少量工況為8%左右，引航道出口設在彎曲段會導致較大的側向流速，建議增設導流墩、分層透水導流堤等改善流態。

3)“S”形河道中上下游引航道的布置受制于地形條件與河流流場彎曲，筆者對其進行了相應的模型試驗，驗證了上游引航道采用上下分層透水方案的基本可靠性，認為下游引航道不宜過長，應當設置合理的透空段，對類似工程具有借鑒指導意義。

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