漢江雅口航運樞紐平面布置特點分析及優化布置研究

李君濤

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

水利樞紐及通航條件

漢江雅口航運樞紐平面布置特點分析及優化布置研究

李君濤

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

內河航運樞紐總體布置是樞紐安全運行的根本和關鍵。雅口航運樞紐位于漢江中游，是一座工程以航運為主，結合發電、兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益的樞紐工程。文章結合樞紐所在河段的河勢、地形、來水條件等對樞紐平面布置特點進行了分析。依托整體物理模型試驗，從船閘通航條件、樞紐泄流能力等角度剖析了設計方案平面布置存在的不足，并據此進行相應優化，提出了滿足要求的工程布置優化方案，研究成果可供以后類似工程參考和借鑒。

雅口航運樞紐；平面布置；模型試驗

內河航運樞紐總體布置一般包括攔河壩、泄洪閘、電站廠房和通航建筑物等，是工程建設的根本和關鍵，是關系到樞紐能否安全運行的基礎。樞紐各主要建筑物除了對地形、地質條件的要求外，與樞紐總體布置相關的主要問題，就是船閘上、下游引航道及其口門區的通航水流條件，泄水閘的泄流能力、電站廠房的進、出流條件等。合理的樞紐總體布置要保證船閘水流條件滿足相關規范要求，保證船舶使其能安全、方便的進出船閘；泄水閘的泄流能力要滿足相關規范或設計要求，以免回水壅高，影響庫區居民，工礦企業等。電站廠房的進、出流要順暢，避免電站和船閘運行相互干擾，同時還要考慮進出口的淤積問題等。因此，布置樞紐時在結合河段地形特征、地質條件的同時，要充分保證各建筑物的安全可靠、運用方便。

雅口航運樞紐位于漢江中游襄陽—鐘祥河段、是漢江流域湖北省內梯級開發中的第6級，其上下游分別與崔家營梯級和碾盤山梯級銜接，是一座工程以航運為主，結合發電、兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益的樞紐工程。本文結合樞紐所在河段的河勢、地形、來水條件等綜合分析了樞紐總體平面布置的特點。依托整體模型試驗研究，從船閘通航條件、樞紐泄流能力等角度剖析了設計方案平面布置存在的不足，并據此進行相應優化，提出了滿足要求的工程布置方案。

1 壩址河段河勢及工程概況

1.1 河段河勢

工程壩址所在河段河道彎曲，心灘、洲灘發育，主河槽呈“S”走向。壩線上游主槽貼左岸，壩線處主槽由左岸向右岸過渡，壩線以下主槽貼右岸，主河槽寬約600～800 m，河底高程44.0～47.2m。壩線以上主河槽右側為低漫灘，灘面寬560～1 000 m，灘面高程49.3～52.8 m，右岸為平坦開闊的Ⅰ級階地，寬度1 500～2 000 m，高程在52.0～54.0 m之間。壩線下游主河槽左側灘地灘面寬600～1 500 m，高程48.6～52.7 m。

1.2 工程概況

樞紐主要建筑物包括船閘、電站廠房、泄水閘和擋水壩。設計洪水標準采用丹江口后期規模50 a一遇，相應洪峰流量20 200 m3/s、校核洪水標準為丹江口后期規模300 a一遇，相應洪峰流量27 300 m3/s。船閘按Ⅲ（2）級標準進行建設，閘室有效尺度為180 m×23.0 m×3.5 m（閘室長度×寬度×檻上水深），船閘最大通航流量為10 a一遇洪水13 500 m3/s，最小通航流量為450 m3/s。電站廠房裝機7臺，單機容量9.71 MW，電站最大水頭8.47 m，最小水頭1.50 m，額定水頭3.80 m。泄水閘共設44個閘孔，單孔凈寬14 m[1-2]。

2 樞紐設計方案平面布置及工程布置特點分析

2.1 設計方案平面布置

雅口航運樞紐推薦壩線處于反“S”型主河槽由左向右的過渡段，右側為寬大的邊灘。樞紐平面布置從右至左分別為右岸土石壩、船閘、連接段、泄水閘壩、電站廠房、魚道、左岸土石壩。船閘布置于右岸低漫灘的灘唇位置（右側預留二線船閘位置），船閘上游口門區右側順水流方向設置一順直隔流堤；泄水閘布置于主河槽及右側低漫灘位置，共設有44個閘孔，泄洪閘采用平底寬頂堰，堰頂高程44.00 m，閘孔凈寬14 m；電站廠房布置在左岸主河槽內，廠房內安裝7臺燈泡貫流式水輪發電機組。樞紐河段河勢及總體布置見圖1。

圖1 設計方案工程布置圖Fig.1 Layout sketch of the design scheme

2.2 工程布置特點分析

由雅口樞紐所處漢江河段的河勢條件、地形特征以及設計方案工程布置圖可以看出，本樞紐工程的選線與平面布置極具特色，主要體現在以下三個方面：（1）樞紐布置壩軸線走向與工程所在河段的整體河勢斜交，但與壩址處中、枯水河槽基本垂直；（2）樞紐大壩的過水段寬度僅占工程前洪水河寬的1/4左右，極大的壓縮了自然河床的過水寬度；（3）船閘上引航道未近岸布置，洪水期位于河道中間，為了防止洪水期右側灘地水流橫越口門區而產生不利的通航水流條件，口門區右側順水流方向設置一順直隔流堤。

圖2 設計方案上游口門區及連接段最大橫向流速沿程變化Fig.2 Variation of the maximum transverse velocity at the upstream entrance and connection areas in design scheme

3 平面布置設計方案論證與分析

結合1：100的整體定床物理模型試驗成果，從船閘通航條件和樞紐泄流能力角度對樞紐平面布置設計方案進行分析論證。

3.1 設計方案船閘通航條件

（1）船閘上游口門區及連接段通航條件。采用整體水工模型進行了450 m3/s、1 100 m3/s、2 300 m3/s、5 050 m3/s、8 700 m3/s、13 500 m3/s共6級典型流量的通航條件試驗，各流量級上游口門區及連接段最大橫向流速沿程變化見圖2。試驗結果表明，各級流量船閘上游由于受右側隔流堤的掩護作用，口門區內縱、橫向流速及回流流速均滿足規范要求，通航水流條件良好，存在的主要問題是在較大流量級（5 050 m3/s流量以上）時，壩上右側灘地水流側向收縮（圖3），受上游隔流堤的挑流影響堤頭附近連接段航道橫向流速過大，設計最大通航流量13 500 m3/ s時，最大橫向流速達1.73 m/s，通航水流條件差。同時經船模試驗論證，船模行至隔流堤堤頭附近連接段航道時需操較大舵角抵御橫流作用，在設計最大通航流量時船模無法穿越堤頭附近的復雜流態區段以進入口門區。

圖3 設計方案洪水期樞紐上游流場Fig.3 Variation of the maximum transverse velocity at the downstream entrance and connection areas in design scheme

（2）船閘下游口門區及連接段通航條件。船閘下游口門區處于主河槽反“S”型彎道彎頂附近，小流量時水流歸槽，船閘下游口門區水流與航線產生較大夾角。與此同時，枯水期下游河道水深較小，河床形態對水流流態影響較大，受局部河床影響，口門區內產生跌水，使得水流條件進一步惡化。設計流量（450 m3/s）下水流與航線夾角在60°左右，最大橫向流速可達0.81m/s，通航水流條件不滿足要求；中高水流量時（流量大于5 050 m3/s），隨著河道水深的加大，口門區內跌水現象消失。此外，由于泄水閘下泄水流對電站尾水的頂推作用，口門區內水流與航線夾角有所減小，通航水流條件趨好，但受主槽左側高灘的影響，連接段航道（口門下600 m）流速增加，航中線左側的最大橫向流速為0.6 m/s（13 500 m3/s）左右，通航水流條件較差，船模下行經過該航段時漂角過大，不滿足安全航行要求。各流量級下游口門區及連接段最大橫向流速沿程變化見圖4。典型流量船閘下游流場見圖5、6。

圖4 設計方案下游口門區及連接段最大橫向流速沿程變化Fig.4 Variation of the maximum transverse velocity at the downstream entrance and connection areas in design scheme

圖5 設計方案枯水期樞紐下游流場Fig.5 Flow field in the downstream of hydrojunction during dry season

圖6 設計方案洪水期樞紐下游流場Fig.6 Flow field in the downstream of hydrojunction during flood period

3.2 設計方案樞紐泄流能力

（1）泄流能力控制標準。依據行業相關規范同時結合壩址河段河勢條件以及樞紐工程布置特點，確定的樞紐整體泄流能力控制標準為：樞紐建成后在宣泄設計洪水及以下流量時（Q≤20 200 m3/s）壩上最大水位壅高值不大于0.3 m，在宣泄校核洪水時（27 300 m3/s）不大于0. 5 m。

（2）泄流能力試驗成果。選取Q=13 500m3/s（10 a一遇）、Q=20 200 m3/s（設計洪水、50 a一遇）和27 300 m3/s（校核洪水、300 a一遇）三級特征洪水流量進行樞紐泄流能力試驗。工程前、后沿程水面線對比見圖7。試驗結果表明，與工程前相比，樞紐建成后壩上水位壅高明顯，且隨著流量的增加，水位壅高值逐漸增大，在設計洪水（20 200 m3/s）與校核洪水（27 300 m3/ s）時壩上最大水位壅高值分別為0.63 m、0.99 m，均已超出樞紐泄流能力控制標準。由此可見，設計方案工程布置條件下樞紐泄流能力達不到設計要求。由工程后樞紐上游水位壅高值沿程變化可以看出，壩上最大壅水位置出現在樞紐上游約3 km處，不同于一般樞紐最大壅水值位于壩前附近的壅水規律。從泄水閘各個閘孔過流情況來看，布置于最右側的10個閘孔以及最左側2個閘孔的泄流能力明顯較弱。

圖7 設計方案工程前后沿程水面線Fig.7 Water-surface curve before and after the project in design scheme

3.3 設計方案存在問題分析

（1）對船閘通航條件影響分析。試驗表明，設計方案受工程布置影響，船閘上下游口門區及連接段通航條件均不能滿足要求。對于船閘上游而言，由于上引航道在洪水期位于河道中間，為了防止洪水期右側灘地水流橫越口門區而產生不利的通航水流條件，設計方案在船閘上游口門區右側順水流方向設置一順直隔流堤，從試驗成果來看隔流堤的布置保證了口門區的水流條件，但問題是隔流堤堤頭的挑流影響導致連接段航道水流條件較為惡劣。綜合分析認為，在口門區外側設置隔流堤是必要的，但應進一步優化隔流堤布置形式，以減小堤頭挑流對連接段航道的影響；對于船閘下游而言，口門區及連接段水流條件均是由河道地形影響而致，優化方案需通過調整河床局部形態來改善。

（2）對樞紐泄流能力影響分析。根據模型試驗成果，設計方案樞紐整體泄流能力較弱，壩上水位壅高過大，未能達到設計要求。綜合分析樞紐布置對泄流能力的影響主要有以下幾點：①上游布置的隔流堤堤頭對右側灘地側向收縮水流產生明顯的挑流作用，導致泄水閘右側10個閘孔前水動力較弱，過流能力不足；②樞紐右側10個泄水閘孔布置于低漫灘上，閘前灘地高程一般在49.0～52.0 m，高出泄水閘堰頂高程5.0～8.0 m，極大影響了閘孔引流條件；③船閘上游左側導航墻對泄水閘右側邊孔產生掩護，影響其泄流能力；④受廠壩間隔水墻挑流影響，最左側2孔泄水閘閘前產生回流，其泄流能力基本喪失；⑤樞紐上游在隔流堤堤頭位置形成了除泄水閘之外的又一水位控制斷面，在其限制作用下，由泄水閘造成的水位壅高值向上傳遞此處后又產生了累積疊加，使得壩上水位進一步壅高。通過上述分析可以看出，設計方案船閘上游布置的隔流堤是影響樞紐泄流能力的關鍵因素。此外，船閘上游導航墻、廠壩間隔水墻以及局部河床地形也對樞紐泄流能力產生有不利影響，優化方案需對各相關建筑物（地形）進行優化調整。

4 工程布置方案優化及成果分析

4.1 優化方案工程措施

通過對設計方案平面布置進行論證分析，樞紐布置對泄流能力及通航條件的影響因素主要包括船閘上游隔流堤、導航墻、廠壩間隔水墻以及河床地形等[3-7]。針對設計方案存在問題，對工程布置提出了以下優化改進措施（圖8）。

圖8 優化方案工程布置圖Fig.8 Project layout in optimized scheme

（1）將船閘上游隔流堤向上延伸1 080 m，布置型式由原設計方案的單一直線型調整為直線（下段）與弧線（上段）相結合的復合型，同時將其位置向右移160 m至預留二線船閘引航道右側；（2） 右側10孔泄水閘閘前灘地疏挖至47.6 m高程；（3） 船閘上、下游導航堤寬度由86 m縮窄為10 m；（4） 廠壩間上游隔水墻長度由84 m縮短為35 m，且采用墻身開孔的布置型式；（5） 船閘下游口門區左側附近河床疏浚至43.5 m高程；（6） 樞紐下游高灘的右側灘唇部位疏浚至46.5 m高程。

4.2 試驗成果分析與討論

通過對優化方案進行試驗研究，樞紐整體泄流能力及船閘通航條件明顯改善，分析試驗資料取得了以下主要成果和認識。

（1）結合壩區河勢及船閘布置特點，船閘上游隔流堤適當延長同時將上段調整為圓弧形可適應洪水期右側灘地側向收縮水流的流線變化趨勢，減小了因堤頭挑流作用而導致的連接段航道內過大的橫向流速，通航條件得到改善。同時也消除了因堤頭挑流而導致的右側泄水閘孔閘前水流動力較弱的不利因素，提高了閘孔過流能力；（2）本工程預留二線船閘位于一線船閘右側，將船閘上游隔流堤端部調整為圓弧形的布置型式將會對預留二線船閘造成干擾。因此，優化方案將隔流堤右移160 m至預留二線船閘引航道外側，既可避免優化工程措施對二線船閘產生的影響，同時增大了堤頭附近河道過水面積，減弱其對泄水閘上游水位控制，有利于樞紐泄流能力的改善；（3）將樞紐右側10孔泄水閘閘前灘地進行疏挖主要是改善相應閘孔的引流條件，以提高過流能力；（4）縮窄船閘導航堤，使其盡量遠離泄水閘，減弱其對泄水閘右側邊孔的掩護影響，有利于邊孔過流能力的改善。（5）縮短廠壩間上游隔水墻且采用墻身開孔的布置型式，可減小最左側2孔泄水閘閘前回流區的范圍，有利于閘孔有效過流寬度的增加；（6）將船閘下游口門區左側附近河床局部疏浚后可消除枯水期口門區內因跌水而導致的不良流態，改善通航條件；（7）將樞紐下游高灘的右側灘唇部位進行疏浚可減小中洪水期下游連接段航道的水流偏角，同時增大過水斷面，以達到減小連接段航道內橫向流速、改善通航條件的目的。該措施的實施在改善船閘通航條件的同時，也有利于泄水閘出流更為順暢，對于提高洪水期泄水閘的泄流能力起到了積極的作用；（8）優化方案船閘上下游口門區及連接段航道內水流平順，各流量級下通航水流條件均滿足要求；（9）優化方案在各優化措施的綜合作用下樞紐整體泄流能力提高，設計洪水與校核洪水流量壩上最大水位壅高值分別為0.23 m、0.48 m，樞紐泄流能力達到了控制標準；（10）優化方案下樞紐整體泄流能力達到了設計要求，但左右兩側邊孔受隔導流建筑物掩護影響過流能力仍然相對較弱，這也是集中布置的水利樞紐普遍存在的問題。

5 結論

（1）雅口樞紐的壩址選擇與一般航運樞紐的選址原則不同，主要表現在樞紐壩軸線與河段河勢斜交角度較大，且處于“S”型主河槽過渡段。此外，樞紐平面布置也具有大壩壓縮自然河床洪水河寬3/4、通航建筑物布置于河道中間等特點。上述特點對樞紐泄洪以及船閘通航造成較大影響，同時也給方案優化帶來了挑戰。

（2）雅口航運樞紐壩址河段存在寬大的邊灘，船閘上引航道位于河道中間，為防止洪水期邊灘水流橫越船閘上游口門區，在其外側設置隔流堤改善船閘通航條件是必要的，但隔流堤堤頭的挑流影響造成連接段航道水流條件較為惡劣。同時，堤頭挑流導致泄水閘右側10個閘孔前水動力較弱以及形成新的水位控制斷面也是造成樞紐整體泄流能力較弱的主要原因之一。

（3）基于雅口樞紐河段的河勢、地形和流場分布特點，在不改變設計方案整體布置格局的前提下，研究提出了調整上游隔流堤平面形態、縮窄導航墻寬度及河床局部疏浚等優化工程措施，解決了樞紐特殊布置條件下的泄流與通航問題，其中船閘上游隔流堤平面形態由順直形調整為圓弧形的工程措施是樞紐優化布置的關鍵所在，對今后類似工程建設具有重要的指導意義。

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Study on plane layout characteristics and optimized layout of Yakou hydro-junction in Hanjiang River

LI Jun-tao
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China)

General layout of inland navigation project is the key point to ensure the safety operation of hydrojunction. Yakou hydro-junction is located in the middle reaches of the Hanjiang River, and it is a comprehensive utilization hydro-junction with main purpose of navigation, and other functions of electric power generation, irrigation and tourism. Combining with river regime, topography and water infl ow condition in the river segment of Yakou hydro-junction, the plane layout characteristics of the hydro-junction were analyzed in this paper. Based on the integrated physical model test, the disadvantages of ship lock navigation condition and discharge capacity which exist in the plane layout of design scheme were pointed out. Aiming at the disadvantages, the optimized schemes were proposed to meet the requirement. The research result may serve as reference for the other similar projects.

Yakou hydro-junction; plane layout; model test

U 651；TV 143

A

1005-8443(2017)03-0258-05

2016-11-04；

2017-03-22

李君濤（1983-），男，河北省人，高級工程師，主要從事通航及航道工程研究工作。Biography:LI Jun-tao(1983-),male,senior engineer.