分汊河段船閘擴建對已有建筑物運行影響及改善技術研究

李君濤，馮小香，王 鑫

(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)

1 研究背景

在綜合運輸體系中，水路運輸由于其節能環保、成本低廉等優勢，發展潛力巨大。我國有豐富的可持續利用的水運資源，但伴隨著內河高等級航道網的實施與推進，眾多已建通航樞紐船閘通過能力嚴重不足或者與規劃的航道等級不符，船閘擴能改造逐漸成為內河航運工程建設的重點[1-2]。而在已建樞紐基礎上進行船閘擴建勢必會改變現有工程河段的邊界條件和水動力特征，從而對已有船閘、電廠、泄洪閘等建筑物運行產生影響。因此，在船閘擴建工程前期階段，需充分論證工程建設對樞紐建筑物運行的影響程度，并提出相應的改善措施，以保證各建筑物間的相互協調。現有研究成果表明，擴建船閘對已有建筑物運行的影響，與擴建船閘的閘位選擇密切相關，當擴建船閘位于已有船閘外側時，主要是對已有船閘的通航條件產生不利影響，對于船閘上游，由于擴建船閘引航道的開挖，引入擴建船閘上游口門區的水流斜穿已有船閘口門區，導致其通航水流條件惡化；對于船閘下游，擴建船閘引航道的開挖、邊界條件的擴大吸流，會造成已有船閘口門區斜流強度增加[3-5]。其相應的改善技術包括調整擴建船閘軸線間距、在已有船閘口門區興建導流墩、透空導流堤等[6-9]；當在現有閘位拆除已建船閘擴建高等級船閘或者在原船閘下游新建高等級船閘時，由于新建船閘尺度以及導航墻長度的增加，往往會縮窄河道寬度，從而造成近壩段水位抬升，對電廠發電以及樞紐泄洪產生不利影響，其改善措施包括新建船閘引航道采用折線型、圓弧型隔流堤，或者疏浚河道等[10-19]。上述研究成果大都是單一河段，而對于支流入匯、分汊等復雜河勢條件的船閘擴建工程，對已有建筑物的影響問題則更為復雜，結合富春江船閘擴建工程，采用比尺為1∶100的整體水工物理模型，開展了分汊河段擴建船閘對已有建筑物的影響及相關改善技術研究。

2 富春江船閘擴建工程概況

2.1 富春江水電站概況

富春江水電站位于錢塘江中下游、浙江省桐廬縣富春江七里瀧峽谷處，水電站所處河段屬山區性多汊河段，壩址處兩岸高山夾峙，河道狹窄，大壩下游附近有一江心洲(唐家洲)將河道分為左右兩汊，左汊為主河道，河寬約300 m，河道較為順直。右汊為通航汊道，河寬約100 m，河道微彎。

富春江水電站樞紐主要建筑物包括電站廠房、泄洪閘、船閘等，其中電站廠房布置在左岸，共有發電機組6臺，總裝機容量為357.2MW，滿負荷運行時，每臺設計下泄流量500 m3/s。大壩設有17孔泄洪閘，單孔設計泄洪量為1 100 m3/s。原有船閘布置在樞紐右岸，為100 t級船閘，有效尺度為100 m×14.4 m×2.5 m(長×寬×門檻水深)，設計水頭約20 m。富春江船閘擴建前樞紐布置及下游河勢見圖1。

圖1 富春江船閘擴建前樞紐布置及下游河勢圖

2.2 擴建船閘布置難點及工程方案

富春江船閘是富春江水電站樞紐的重要組成部分，原有船閘設計為100 t級，最大年通過能力僅為80×104t，已遠遠不能滿足日益增長的水路貨運量需求。根據《浙江省內河航運發展規劃》，富春江船閘擴建工程按Ⅳ級通航標準建設，為適應錢塘江水運遠期發展需求，擴建船閘尺度需滿足1 000 t級船舶的過閘要求[20-21]。

由于富春江電站所在河段的河勢條件復雜，擴建船閘工程布置存在以下技術難點：(1)兩岸高山夾峙、河道狹窄，樞紐建設期沒有預留二線通航設施的位置，也不具備布置二線通航設施的陸域條件；(2)已有船閘上閘首與大壩壩體為整體澆注混凝土，老船閘拆除重建施工勢必影響大壩安全和電站正常運行，即現有船閘不能拆除重建；(3)壩下河道為分汊河段，擴建船閘在滿足通航安全的前提下，不能對電廠發電及河道行洪產生不利影響。

基于上述技術難點，在工程前期論證階段提出了3大類布置方案即通航隧洞方案、新建升船機方案和現有船閘擴建改造方案，綜合考慮項目建設的難度、投資、安全以及各種外部協調關系，最終確定采用現有船閘擴建改造方案。針對受限于已建船閘不可拆除且無預留二線船閘擴建空間條件的問題，提出在老船閘下游新建一高等級船閘，同時利用老船閘閘室作為新船閘上游引航道的工程布置方案[12]，具體為：擴建船閘的上閘首與已有船閘的下閘首相連，閘室采用向右側拓寬的不對稱廣腹式，上閘首口門寬12.4 m，閘室有效寬度23.0 m，下閘首寬23.0 m。擴建船閘總長356 m，其中閘室有效長度300 m、門檻水深4.5 m。上閘首與上游引航渠道相通，閘墻頂高程為26.0 m，閘室和下閘首墻頂高程為26.0 m。下游導航墻總長375 m，其中導航直線段長160 m，導航墻頂高程為15.0 m。擴建船閘工程平面布置見圖2。

圖2 富春江船閘擴建工程平面布置圖

3 富春江船閘擴建工程整體物理模型概況

整體物理模型為1∶100的正態模型，模擬原型河道長度約5.2 km，其中富春江大壩上游長約0.8 km，大壩下游約4.4 km，寬度為600～1 500 m不等，整體模型范圍見圖3。模型按照弗汝德準則設計，模型水流運動滿足重力相似、阻力相似、水流連續性相似等相似條件，得出模型的各比尺為：幾何比尺λL=λh=100，流量比尺λQ=100 000，流速比尺λv=10，河床糙率比尺λn=2.154。在以上比尺條件下，模型最小水深hmin>0.03 m，能夠滿足避免表面張力影響的要求，模型雷諾數Rem>1 000，滿足模型水流運動為紊流的要求。模型依據原型觀測資料進行了沿程水面線和表面流速流向的驗證，驗證結果表明，模型與原型的差值在規范允許范圍內，說明物理模型的阻力以及水流運動達到了與原型相似的要求。

圖3 富春江船閘擴建工程整體物理模型范圍

4 擴建船閘對已有建筑物運行的影響

富春江水電站是華東地區的大型水電站之一，是華東電網的重要電力來源，同時也對下游城市的防洪安全起到非常重要的作用[22]，為此電站管理部門要求擴建船閘不能對大壩泄洪及電廠發電產生不利影響，即工程建設不能造成電站尾水位和下游河道水位大幅壅高。對此，經整體水工模型試驗論證表明，由于擴建船閘采用在已有船閘下游緊接新建高等級船閘的布置方案，且樞紐下游緊鄰分汊河段，擴建船閘閘室及下游導航墻的興建，大幅度改變了壩下分汊河段的分流比，導致左汊主河道分流比明顯增加，電站尾水位及泄水閘泄洪時的壩下河段水位壅高明顯，不同流量級船閘擴建前后主河道分流比以及河道水位壅高情況見表1。

表1 船閘擴建后左汊主河道分流比及壩下最大水位壅高

由表1可見，在機組發電工況(流量Q=3 070、7 340 m3/s)，左汊主河道分流比增加約20%～30%，電站尾水位抬高在0.6 m以上；在樞紐泄洪工況下，左汊主河道分流比增加約15%～17%，河道水位抬高在0.57～0.73 m。擴建船閘工程對電廠發電和樞紐泄洪影響較大，須采取必要的工程措施減小其影響。

5 擴建船閘對已有建筑物運行影響的改善技術研究

5.1 江心洲右側開挖行洪渠道

富春江擴建船閘工程建設造成下游分汊河段的分流比大幅調整，是對已有建筑物運行產生不利影響的關鍵所在，對此提出的改善措施是將下游江心洲(唐家洲)右側進行局部開挖，在唐家洲與船閘下游引航道之間形成一條行洪渠道，以增大右汊河道過流量，減小左汊主河道的分流比，開挖行洪渠道寬45 m，底標高為5.0 m，同時為增大左汊主河道的行洪能力，將唐家洲左側邊灘進行切灘，底標高為5.0 m。改善措施布置圖見圖4。

圖4 行洪渠道改善措施布置圖(單位：m)

經模型試驗論證，上述改善措施實施后左汊主河道分流比明顯減小，雖然較工程前分流比仍有所增加，但由于邊灘的疏浚，行洪能力較改善措施實施前大幅增強，河道水位壅高值大都在0.1 m左右(表2)，基本滿足電廠發電及防洪安全的要求。

表2 行洪渠道實施后左汊主河道分流比及壩下最大水位壅高

該改善措施雖然能有效解決擴建船閘對電廠發電及防洪安全造成的不利影響問題，但由于河道右汊分流完全集中在相對狹窄的行洪渠道內，渠道內流速較大，且行洪渠道出口即為船閘下游口門區，受渠道大流速出流影響，口門區斜流強度較大(圖5)，各流量級下口門區內橫、縱向流速均大幅超出規范要求(表3)，通航水流條件較為惡劣，船舶進出船閘下游引航道口門區極為困難。由此可見，開挖行洪渠道對改善行洪條件與船閘本身的通航條件相互影響，需進一步尋求與兩者相適應的改善技術措施。

圖5 行洪渠道及口門區流場圖

表3 行洪渠道實施后船閘下游口門區水流流速

5.2 分流口設置分水節制閘

通過上節的試驗成果可以看出，分汊河段擴建船閘通航條件與已有建筑物發電、行洪相互制約，如何在不影響發電、行洪的前提下，有效解決船閘下游口門區通航水流條件成為制約工程建設的一項技術難題。對此，模型進行了多組次的改善措施試驗，如在開挖行洪渠道的前提下，下游口門區左側(行洪渠道出口)設置導流墩、透空堤等導流建筑物以及擴大行洪渠道斷面面積等。試驗表明，由于口門區斜流強度大，單純設置導流建筑物難以達到有效改善通航水流條件的目的。擴大行洪渠道斷面，理論上可以減小渠道流速，但因該渠道為一分流明渠，斷面面積擴大的同時也使得渠道內的分流量增加，因此也未能起到有效降低渠道流速、改善口門區水流條件的作用。在上述試驗成果的基礎上，通過進一步研究分析，提出了在行洪渠道進口設置一座對分流量可控的節制閘，通過調節節制閘的閘門開度，控制行洪渠道的分流量[23]，在保證左汊主河道水位基本不壅高的前提下，再通過擴大行洪渠道斷面面積并輔以導流墩的綜合優化工程措施，達到降低渠道水流流速，改善口門區通航水流條件的目的。具體改善措施如下：

(1)在行洪渠道進口處設置3孔分水節制閘，單個閘孔凈寬12 m；

(2)調整行洪渠道出口方向與右汊內航道走向基本一致，同時將底標高降低為3.0 m；

(3)將唐家洲左側邊灘切灘底標高降低為4.0 m；

(4)在洪渠道出口設置4個導流墩，單個導流墩長20 m，寬2 m，導流墩間距30 m。分水節制閘方案平面布置見圖6。

圖6 分水節制閘措施工程平面布置圖(單位：m)

分水節制閘改善措施實施后，在擴建船閘最大設計通航流量(12 714 m3/s)以下，通過調節節制閘的開度控制左、右兩汊分流比，保證左汊主河道水位壅高在0.1 m以內，試驗提出了各典型流量下的閘門開度，見表4。在河道流量超過12 714 m3/s后，節制閘完全敞泄泄流，此時各級洪水流量左汊主河道的水位壅高也均在0.1 m以內，滿足行洪要求。此外，在分水節制閘的調控以及其他綜合措施的作用下，船閘下游口門區水流條件較單一的行洪渠道方案也有明顯改善，各級通航流量下口門區橫、縱向流速均滿足規范要求，見表5。

表4 分水節制閘實施后左汊主河道分流比及壩下最大水位壅高

表5 分水節制閘實施后船閘下游口門區水流流速

6 結 論

(1)汊道型河流節制閘控制分流新技術是結合富春江船閘擴建工程中遇到的船閘通航條件與電廠發電、河道行洪相互制約問題，提出的創新設計理念與創新技術。

(2)通過分水節制閘調節左右兩汊分流比，從而達到對電站尾水、船閘通航水流條件和河道行洪多控的目的，有效協調了船閘通航與電廠發電、河道行洪的關系。

(3)分流節制閘的應用，為改善分汊河段船閘口門區通航水流條件提供了新的解決思路，尤其是對于解決空間受限的擴建船閘工程布置及其對已建樞紐建筑物的運行影響問題具有一定的技術優勢，可供類型工程借鑒。