新型樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)對改善下游口門區(qū)航道水流條件的作用

◎沈科 湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司

1.工程概況

五強溪水電站位于沅水下游的湖南省沅陵縣境內(nèi)，水電站承擔(dān)防洪、航運等多種功能，整個水電站樞紐建筑物主要有河床溢流壩、壩后式廠房和三級船閘組成，壩頂長度719.7m，壩頂高程117.5m，正常蓄水位108.0m。緊挨原實體導(dǎo)航墻布置的透空式導(dǎo)流屏是從上游至下游分別平行錯位布置連系墩和插板，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。

2.船閘通航現(xiàn)狀分析

分析沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)通航現(xiàn)狀，設(shè)計現(xiàn)狀分析模型并分級模擬，收集不同流量等級下的下游引航通航水流流速、流態(tài)以及是否存在不良流態(tài)。根據(jù)模擬試驗分析結(jié)果，受到地形與河床形態(tài)的影響，枯水流量下水電站尾水水流方向會發(fā)生偏移，向左偏轉(zhuǎn)到河道礁石地帶，并且在水流形態(tài)的影響下存在部分的水流繞過礁石帶后繼續(xù)向?qū)Ш綁ν鈧?cè)沖刷，產(chǎn)生旋渦、泡漩水等不良流態(tài)，最終進入船閘下游引航道口門區(qū)；而在流量為中洪水時，水流同樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最后繞過堤頭進入船閘下游引航道口門區(qū)。

以模擬試驗與實際測量為參考，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)上游來流量Q＜1500m3/s時，船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件良好，流態(tài)穩(wěn)定；當(dāng)上游來流量Q為2500m3/s時，堤頭下100～200m航中線右側(cè)橫向流速較大，超出了船舶航行安全標(biāo)準(zhǔn)范圍，通航條件不穩(wěn)定；當(dāng)上游來流量Q≥3500m3/s時，五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)橫向流速較大、水流流態(tài)穩(wěn)定性較差，船舶在進出口門區(qū)難度系數(shù)較大；當(dāng)上游來流量Q＞6500m3/s時，船舶無法進出下游口門區(qū)，無法實現(xiàn)航行。

綜合分析試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)存在影響通航的主要原因包括：其一，該下游口門區(qū)下方深槽會使水流在此集中，同時受到下游導(dǎo)流堤長度（275m）的影響，主流斜穿阻力較大；其二，下游河道寬度呈現(xiàn)逐漸收縮的狀態(tài)，同時受到河床形態(tài)的限制，即下游河道左側(cè)為深槽，右側(cè)為邊灘，這就使得下游口門區(qū)航道與主流流向交角角度較大，進一步增加了下游口門區(qū)橫向流速與回流流速。

3.船閘實際通航試驗分析

3.1 透空式方案試驗

開展船閘實際通航試驗分析，根據(jù)計劃場區(qū)的各巖土層的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)編制透空式方案，確定工程基礎(chǔ)持力層所在的巖層與位置。具體分析如下：（1）沖填土，厚度難以滿足持力層設(shè)計需要，松散性強，分布情況較復(fù)雜，故不考慮作為持力層并清除；（2）強風(fēng)化巖板，根據(jù)現(xiàn)場重型動力觸探試驗，結(jié)合巖體實測擊數(shù)＞50擊的實際情況確定巖體等級，具體為V級，可作為工程基礎(chǔ)持力層，且經(jīng)反復(fù)研究與確定，持力層承載力設(shè)計數(shù)值fd=350kPa。

3.2 導(dǎo)流屏方案試驗

導(dǎo)流屏是一種安裝在河床上的導(dǎo)流建筑設(shè)施，可以根據(jù)整治工程的實際需要調(diào)整安裝角度，使其與水流形成一定角度，其中導(dǎo)流屏與水流相交面為導(dǎo)流屏內(nèi)側(cè)，與水流不迎面的一側(cè)稱之為導(dǎo)流屏外側(cè)。根據(jù)沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)實際情況，并結(jié)合經(jīng)驗布置導(dǎo)流屏，控制導(dǎo)流屏角度，具體將其控制在15～25°，同時設(shè)計導(dǎo)流屏高度與長度。

在不同位置設(shè)計導(dǎo)流屏的作用有所不同，選擇在河道彎道段布置導(dǎo)流屏的主要目的是激發(fā)次生環(huán)流，使其與做曲線運動的水流相抵觸，控制橫向環(huán)流，調(diào)整剪應(yīng)力分布；選擇在河道順直段設(shè)置導(dǎo)流屏的主要目的是激發(fā)次生環(huán)流，帶動近地含沙量較大的水流，改變河道淤積情況。同時，設(shè)置導(dǎo)流屏還能夠增加局部水流阻力，降低通航區(qū)的橫向流速，便于開展河道泥沙清淤。

3.3 模型布置及通航標(biāo)準(zhǔn)

立足五強溪樞紐船閘具體情況，綜合考量船閘下游的地形地質(zhì)情況、河床變化方向、河床糙率以及河道特征等實際，確定模擬試驗的模型，按照1∶100的比例設(shè)計定床正態(tài)模型。根據(jù)工程概況調(diào)查可確定模擬河道原長度為5.2km，壩址上下游分別為1.2km與4km，河道寬度變化范圍為400～900m。根據(jù)1∶100比例可確定模型河道長度應(yīng)為52m，并設(shè)計梅花加糙，確保模型與原河道的一致性。完成模型制作后進行質(zhì)量驗收，并且模型左右河岸水面線與原河道天然水面線相似，水流運動與原河道水流情況基本一致，阻力、斷面流速分布與原河道相似度較高。

采用浸入邊界法作為模型建立方法，在沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)設(shè)計建造三維水流模型，最大橫向流速為0.3m/s，并基于樁基透空式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計要求與參數(shù)設(shè)置，判別船閘下游引航口通航水流條件。

為了滿足船舶進入口門區(qū)的通航與安全需要，應(yīng)將下游引航道口門區(qū)表面橫向流速控制在0.3m/s范圍內(nèi)，并且滿足縱向流速≤2m/s的通航安全標(biāo)準(zhǔn)，回流流速≤0.4m/s的通航安全要求，還要保證船舶的操舵角≤20°，船舶的航行漂角≤10°。

3.4 導(dǎo)流墩試驗設(shè)計

確定導(dǎo)流屏設(shè)計方案后先布置導(dǎo)流敦，選擇在堤頭下游位置布置菱形導(dǎo)流敦，數(shù)量共為9個，導(dǎo)流墩的規(guī)格為20×3m，1～6號導(dǎo)流墩的布置間距為10m，6～9號導(dǎo)流敦的布置間距為20m，同時開展堤頭附近深槽回填作業(yè)，保證回填后高程達到45m。經(jīng)過模型試驗發(fā)現(xiàn)，不同導(dǎo)流墩布置方案與導(dǎo)流屏導(dǎo)流效果密切相關(guān)，對改善下游口門區(qū)的航道水流條件也存在差異。本工程根據(jù)導(dǎo)流屏設(shè)計方案確定導(dǎo)流敦的位置并實施回填，若上游來流量Q≤3500m3/s，下游口門區(qū)的通航條件得到了顯著改善，符合船舶通航安全標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)上游來流量Q＞3500m3/s，下游口門區(qū)的水流條件無法滿足通航需要，最大橫向超出0.3m/s的設(shè)計值。

4.通航水流條件作用分析

4.1 試驗成果

在五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)應(yīng)用樁基式透空導(dǎo)流屏后，下引航道口門區(qū)回流范圍與回流速度得到了控制，堤頭附近與下引航道口門區(qū)的橫向流速也有所降低，具體體現(xiàn)為：當(dāng)上游來流量Q在6500m3/s時，下引航道口門區(qū)最大橫向流速符合設(shè)計規(guī)范值，當(dāng)上游來流量Q為7800m3/s時，下引航道口門區(qū)只有航中線右側(cè)個別測點橫向流速超出0.3m/s的安全通航范圍，但由原0.6m/s降低至0.52m/s。

4.2 改善口門區(qū)通航水流條件的作用機制

山區(qū)河流地形起伏大，水利水電樞紐上下游水頭差值較大，受到上下游水頭差的影響船閘下引航道口門區(qū)流速速度較快，僅設(shè)計垂向二維底部透空式隔流堤對改善漩渦、泡漩水等不良流態(tài)的能力有限，船舶通航安全無法保證。樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，兼顧擋流與導(dǎo)流兩種功能，設(shè)計橫向插板，布置垂向底部透空導(dǎo)流通道，阻礙分散斜向水流，控制水流動力強度，進而達到控制水流的目的，降低流速對船舶航行的影響。同時在縱向上設(shè)計豎向?qū)Я鞯溃軌蚋淖冃毕蛩鞣较颍蛊漤樦v向插板方向流動，同時激發(fā)次生環(huán)流，使得其與曲線運動的上升水流相抵觸，控制橫向環(huán)流，消除不良流態(tài)。

5.結(jié)束語

在船閘口門區(qū)設(shè)計樁基式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)能夠改善下游引航道口門區(qū)的水流條件，降低橫向流速，增強流態(tài)穩(wěn)定性。經(jīng)過對工程實例進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在五強溪水電站船閘下游引航道口門區(qū)中設(shè)計樁基式導(dǎo)流屏，并優(yōu)化導(dǎo)流屏參數(shù)設(shè)計，顯著改善了下游口門區(qū)的水流條件，確保口門區(qū)最大橫向流速不超出0.3m/s的船舶通行安全規(guī)范，極大提升了水運能力，推動綜合交通體系的發(fā)展。