探究船閘導(dǎo)航建筑物透空形式對(duì)通航水流條件的作用

余雅雪 楊軼凡 王能 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司

重力式擋墻是河流航運(yùn)梯級(jí)開發(fā)中船閘常用的上下游引航道結(jié)構(gòu)。而這一結(jié)構(gòu)在實(shí)際的運(yùn)行中容易出現(xiàn)工程量大、航道內(nèi)泥沙淤積及航道口水流條件復(fù)雜等情況。這在一定程度上不僅拉升了工程的成本，也給后期運(yùn)行帶來了一定的隱患。而受限于地形和水利樞紐其它建筑物的影響，較難通過改變建筑物的平面布局來實(shí)現(xiàn)對(duì)通航水流條件的改善，這就需要從改變航道建筑物的結(jié)構(gòu)型出發(fā)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)上述問題的解決。本研究以五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道改造工程為例，試探究船閘導(dǎo)航建筑物透空形式對(duì)通航水流條件的作用。

1.基本情況

五強(qiáng)溪水電站位于沅水下游的湖南省沅陵縣境內(nèi)，該電站以發(fā)電為主，為湖南最大的水電站，兼顧防洪和航運(yùn)等。整個(gè)樞紐建筑物由河床左側(cè)溢流壩、右岸壩后式廠房和左岸三級(jí)船閘組成。五強(qiáng)溪水電站船閘布置在河道左岸，為一線三級(jí)船閘，船閘由上、下引航道，四個(gè)閘首，三個(gè)閘室組成，總長度1640m，其中船閘本體長度571m，下游導(dǎo)航墻長274.5m。船閘最大工作水頭89.4m（其中第一級(jí)37.7m、第二級(jí)為27.7m、第三級(jí)為24.0m），原設(shè)計(jì)年過壩貨運(yùn)量為250萬噸，年過壩木材運(yùn)量45萬m3，設(shè)計(jì)最大過壩船只噸位為2×500t。設(shè)計(jì)最大通航流量為10000m3/s，最小通航流量為390 m3/s。改造工程開工之前，委托交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院進(jìn)行了該工程物理模型試驗(yàn)，擬采用深槽回填+樁基透空式導(dǎo)流屏技術(shù)來實(shí)施工程改造。

2.改造施工

本工程緊挨原實(shí)體導(dǎo)航墻布置長218.523m 透空式導(dǎo)流屏，其中1#-7#墩采用樁基+承臺(tái)+導(dǎo)槽墩體型式，8#～11#墩采用承臺(tái)+導(dǎo)槽墩體型式（實(shí)體重力式結(jié)構(gòu)），通過10段插板相互連接。為保證縱向透空導(dǎo)流，每個(gè)聯(lián)系墩承臺(tái)上平行設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)槽墩體，凈距2.25m。

在改造施工設(shè)計(jì)中，井插槽設(shè)置在導(dǎo)槽墩上。插槽采用的是通長布局的方式。在插槽范圍內(nèi)布置有插板。通過這一設(shè)計(jì)使插板和連系墩形成一個(gè)整體。導(dǎo)流屏的主要作用是用來改善整體的水流條件的，因此在設(shè)計(jì)的過程中，從建設(shè)成本和功能實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)角度考慮將導(dǎo)流屏的標(biāo)高設(shè)定為擋流的最小標(biāo)高。改造完成后，工程最大通航流量7800m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)下游水位為57.53m，連系墩墩頂標(biāo)高為58.5m。樁基墩體結(jié)構(gòu)形式結(jié)合地形情況進(jìn)行布置，導(dǎo)航堤堤頭下游存在深達(dá)15m的深槽，此次改造施工設(shè)計(jì)中，共有7個(gè)墩位于深槽范圍之內(nèi)，分別是第1#墩到第7#。其中，1#墩在七個(gè)墩中最低為39.5m，7#墩最高為41.5m。其它4個(gè)墩標(biāo)高均為40.0m。在施工的過程中為充分地保證對(duì)墩基的承載力要求，采用了樁基與下部地基連接的方式，來提升樁基的承載力。1#、6#～7#墩體承臺(tái)下通過4根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接，2#～5#墩體承臺(tái)下通過6根直徑為2.5m的樁基與下部地基連接；在深槽之外的其它4個(gè)墩標(biāo)高均為39.0m直接作為與中風(fēng)化板巖上。

3.水流條件影響

水流力計(jì)算根據(jù)水流流速、并參照J(rèn)TJ307-2001《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTS144-1-2010《港口工程荷載規(guī)范》中的相關(guān)條文進(jìn)行。評(píng)測(cè)結(jié)果顯示（見表1），在五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道改造工程完工后，橫向流速較工程前明顯減小，當(dāng)Q≤6000m3/s時(shí)，引航道門區(qū)最大橫向流速不超過0.3m/s以內(nèi)，水流條件能夠較好地滿足通航要求。Q=7800 m3/s時(shí)，對(duì)門口區(qū)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的最大橫流稍大，以超過規(guī)范要求，均值在0.33m/s，基本滿足設(shè)計(jì)的的要求。

表1 深槽回填+樁基透空式導(dǎo)流屏方案引航道口門區(qū)水力特性

4.結(jié)論

4.1 船閘導(dǎo)航建筑物透空形式有利于通航水流條件的改善

船閘通航的水流條件直接影響到進(jìn)出船閘船只的安全。由于受到樞紐布置、通航建筑物及其他條件的影響，導(dǎo)致河道橫截面的變化對(duì)水流產(chǎn)生一定的影響。在引航道為實(shí)體結(jié)構(gòu)的條件下容易導(dǎo)致下引航道口門區(qū)存有一定的回流區(qū)域，而口門內(nèi)也有一個(gè)小的反向回流，這就導(dǎo)致引航道口門區(qū)及門內(nèi)極易產(chǎn)生以懸移質(zhì)為主的泥沙淤積。此次改造工程中，船閘引航道導(dǎo)航建筑物采用了透空形式，樁基透空式導(dǎo)流屏緊挨原導(dǎo)航布置，從上游至下游分別平行錯(cuò)位布置11個(gè)連系墩和10段插板，各聯(lián)系墩與原導(dǎo)航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°，總長218.523m。最上游的連系墩1#墩與原有引航道緊密銜接，而后以20m（中心距）為間隔布置連系墩，井測(cè)算可以布置10個(gè)連系墩，依次向下游展開，分別是地2#到第11#。隨著導(dǎo)航墻直線段透空范圍的不斷擴(kuò)大及透空空與導(dǎo)航墻軸線順?biāo)鞣较驃A角的不斷擴(kuò)大，引航道口門區(qū)小回流去減弱，縱向的流速增大，有利于減少引航道口門區(qū)及門內(nèi)的泥沙淤積。其后期評(píng)測(cè)結(jié)果，表明這一方式能夠?qū)ξ鍙?qiáng)溪水電站船閘下游口門區(qū)的流速分布進(jìn)行合理的調(diào)整，改善斜流及橫向環(huán)流等不良流態(tài)。與此同時(shí)，五強(qiáng)溪水電站船閘下游船閘口門區(qū)泥沙淤積現(xiàn)象得到了較好的改善，從而進(jìn)一步地提高了通航水流條件。而通航水流條件的大幅度改善將成為提高工程效益重要支點(diǎn)。

4.2 船閘導(dǎo)航建筑物透空形式應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

船閘導(dǎo)航建筑物透空形式能夠較好地改善通航水流條件的同時(shí)，也具有建設(shè)上的經(jīng)濟(jì)性，可以有效地降低工程總量，提高項(xiàng)目工程的整體效益。在此次五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道改造工程中對(duì)工程建設(shè)的回顧性分析總結(jié)了部分經(jīng)驗(yàn)主要有三個(gè)方面。首先，船閘導(dǎo)航建筑物透空形式能夠較好地適用于河面相對(duì)較窄、壩軸位于彎曲河段且洪枯水期水位波動(dòng)較大的區(qū)段。其次，承臺(tái)式結(jié)構(gòu)適宜布置在導(dǎo)航段，用以調(diào)整流速，減少淤積。承載臺(tái)的開孔寬度對(duì)縱向的流速影響較大，同時(shí)也會(huì)對(duì)過閘船舶的安全產(chǎn)生一定的影響。再次，上下引航道靠近閘首段，為保證船舶進(jìn)出閘的安全，宜采用實(shí)體式結(jié)構(gòu)。