五強溪樞紐船閘通航條件改善措施研究與創新

路蒞楓， 普曉剛

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司, 湖南 長沙 410004； 2.交通運輸部 天津水運工程科學研究院， 天津 300000)

五強溪樞紐船閘通航條件改善措施研究與創新

路蒞楓1， 普曉剛2

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司, 湖南 長沙 410004； 2.交通運輸部 天津水運工程科學研究院， 天津 300000)

五強溪樞紐船閘1995年建成通航以來，船閘下游引航道口門區及近閘段中洪水期礙航問題成為沅水高等級航道暢通的瓶頸。該問題納入了湖南省“十三五”高等級航道建設項目重點解決的議題，通過嚴謹的物理模型試驗創新地提出了樁基透空式導流屏改造方案，2016年3月工程完工并達到了預期效果。

船閘； 五強溪樞紐； 通航條件； 導流； 模型試驗

1 概述

五強溪樞紐位于沅水干流下游湖南省沅陵縣境內，樞紐建筑物由混凝土重力壩、右岸壩后式主、副發電廠房、9孔溢流壩及泄洪中孔和左岸三級船閘等組成，一列式布置。電站總裝機1200 MW，安裝5臺240 MW軸流式機組，單機滿發流量615 m3/s(基荷流量390 m3/s)；船閘為一線三級500 t級，下游導航墻堤長274.6 m，口門寬50 m。下游最低通航水位49.99 m(最低通航流量390 m3/s對應水位),口門區水深富裕，距下游引航道口門約800 m處為纜子灣大橋。

1995年2月船閘正式通航。樞紐所處河段為典型的山區河流，受河道邊界條件、樞紐運行及既有工程的影響，船閘下游口門區及近閘段通航流態較差，僅流量在1940 m3/s以下時，船閘下游口門區航道內水流條件基本滿足通航要求，遠低于設計最大通航流量7800 m3/s。2014年底，沅水浦市至常德航道建設工程開工建設，該項目對五強溪樞紐船閘下游引航道口門區通航水流條件進行了物理模型試驗研究和創新，確定了導流結構方案，實施效果達到了預期。

2 物理模型設計制作和驗證

為保證模型的水流運動相似和船模航行相似，整體模型為定床正態，幾何比尺選用1∶100，按重力相似準則進行模型設計，同時兼顧到船模的相似性要求。模型制作以工程設計單位提供的實測1∶2000河道地形圖為依據，平面放樣采用平面導線控制系統，地形制作采用斷面法。根據壩區河段河床、地貌及原型河床糙率情況，在制模時，采用梅花加糙的方法對模型進行了加糙處理。為保證模型進口水流平穩和流量分配與原體相似，在模型進口加設消波和分流設施。模型布置見圖1。

圖1 模型平面布置示意圖

模型進口采用自動流量控制系統，流場和流速數據均采用自動采集設備進行數據采集。與物理模型一致，船模設計為幾何正態，比尺為1∶100。試驗船型為500 t級船舶。船模制作完成后進行船模與實船的相似性校準，采用實時測量系統進行船模航行數據采集，記錄船模航行過程中的航向角、漂角、漂移距、航速等參數，配合繪圖軟件，繪制打印船模航態圖和航行參數變化圖。

模型建成后進行了水工模型沿程水面線驗證和斷面流速分布驗證。驗證結果均滿足相關技術規程要求，確保了在此基礎上進行模型試驗成果的可靠性。

3 模型試驗條件和技術要求

3.1 試驗流量條件

試驗選取了10級典型流量進行水位、流場觀測，所選流量如表1所示。

表1 模型試驗特征流量

3.2 航線布置

試驗確定口門區長度為300 m，方向與船閘軸線平行，口門區寬度為50 m。五強溪樞紐船閘位于左岸，原天然航道亦位于左岸側，船舶(隊)出下游引航道口門區后直接進入原天然主航道，樞紐船閘下游可不設連接段航道，而直接定義為口門區以下航道。

3.3 測流斷面及測點布置

樞紐下游河道流場測量以壩軸線為基準，沿主河道向下游約80 m為一個測流斷面，每個測流斷面測點間距為20 m。樞紐下引航道口門區內從堤頭開始每隔50 m布置一個測流斷面，共設7個斷面，每一個斷面在航道范圍內布置7個測流點，航中線一點，左右每隔8 m設一個測點。

3.4 通航標準

1) 口門區通航水流標準。引航道口門區表面流速： 縱向流速≤2 m/s，橫向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.40 m/s。

2) 船舶進出口門區航行標準。船舶或船隊在口門區航行時，為保證安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角應不大于20°，航行漂角應不大于10°。船模在航道航行時，上行的難易程度以對岸航速不得小于4 km/h來判定。

4 改善船閘通航條件的導流結構方案與創新

物理模型對五強溪船閘通航條件改善開展了多個類型的導流結構方案研究：方案1船閘下游導流墩方案、方案2船閘下游口門區與近閘段河床形態挖槽方案(左挖槽方案、右挖槽方案)、方案3船閘下游樁基隔流堤方案、方案4船閘下游樁基透空式導流屏方案。各類型導流結構均分別進行了3組以上不同方案的對比和優化。

4.1 導流墩方案

方案1： 堤頭下游共布置7個長20 m、寬3 m的菱形導流墩，墩間距20 m；方案2：堤頭下游共布置9個導流墩，尺寸同方案1，1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m；方案3：在方案2的基礎上將堤頭附近深槽回填至45.0 m高程。

模型試驗通過對導流墩不同布置方案下口門區通航水流條件改善效果研究，對比分析各方案，得出方案3(即在引航道布置9個導流墩，其中1#～6#墩間距10 m，6#～9#墩間距20 m，并對導航墻外側沖溝及堤頭附近深槽進行回填)對引航道口門區水流條件改善效果相對較優。該方案在Q≤3500 m3/s時，口門區通航水流條件滿足規范要求；Q>3500 m3/s時，口門區內最大橫向流速超出規范限值，通航水流條件不能滿足規范要求。

4.2 挖槽方案

左槽方案： 疏挖區位于樞紐左側3#～5#泄水閘消力池以下至導航墻堤頭以下760 m處，挖槽范圍總長1170 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽方案： 疏挖區位于電站以下至攬子灣大橋處，挖槽范圍總長1490 m，底寬75 m，邊坡1∶1。右槽優化方案：在右槽方案的基礎上，結合原導航墻外側沖溝及堤頭附近深槽回填，并沿堤頭布置4個導流墩。

挖槽方案對比研究成果表明，單純的挖槽方案對引航道口門區水流條件改善效果并不理想，右槽方案改善效果優于左槽方案。挖槽方案在挖槽底標高為42.0 m情況下，Q≤3500 m3/s時口門區通航水流條件滿足規范要求。而在洪水流量下，挖槽對樞紐下游斷面流速分布調整作用逐漸減弱，口門區水流條件改善效果不佳。

通過對右槽方案優化，Q≤6500 m3/s時，口門區通航水流滿足規范要求，在最大通航流量Q=7800 m3/s時，口門區僅個別測點橫向流速超出規范要求。因此，優化后的挖槽方案：右槽+深槽回填+導流墩的方案，對口門區通航水流條件改善效果較好，最大通航流量以下口門區水流條件基本滿足規范要求。

4.3 隔流堤方案

隔流堤方案1： 分為15段，由16個樁基連系墩和15段插板組成，總長307 m。隔流堤方案2：對方案1優化，即在導航墻堤頭以下130 m范圍深槽進行回填，回填標高至45.0 m，并降低1#～8#墩間插板底標高至最低通航水位以下1.5 m，減小引航道口門區引流量，削弱回流及斜流的影響。隔流堤方案3：對方案2再優化，即在原導航墻外側新建2條潛壩，距離堤頭分別為150、75 m，潛壩軸線與導航墻夾角為45°，壩長78 m，壩頂高程為53 m。

研究成果表明： 隔流堤方案實施后，船閘下引航道口門區回流范圍較工程前有所減小，回流強度略有增大；中枯水流量下口門區內橫向流速有所減小，但盡管采取了多種措施減小引航道口門區引流量，橫向流速仍超出規范要求；洪水流量下口門區內產生漩渦、泡漩水等不良流態，對船舶航行不利。因此，隔流堤方案對引航道口門區水流條件改善效果不佳。

4.4 樁基透空式導流屏方案

樁基透空式導流屏是通過本次試驗提出的一種創新型導流建筑物。該方案結合樁基隔流堤與導流墩各自優勢，通過插板限制表層斜向水流，通過插板間間隔向引航道內引入部分表層水流壓縮口門區內回流，通過底部透空孔引入底部水流分擔部分引流量，相互限制，相互抵消，以達到削弱口門區內斜流強度及泡漩水的效果。樁基透空式導流屏結構型式見圖2，方案平面布置見圖3。

圖2 樁基透空式導流屏結構型式圖

圖3 樁基透空式導流屏方案平面布置圖

樁基透空式導流屏由灌注樁、承臺及插板組成，分為15段，總長324 m。導流屏中心軸線順航線平行布置，距航道右邊線5.5 m。每隔20.8 m中心間距布置一承臺，承臺高3 m，底標高45.0 m，最上游的承臺與原有導航墻緊密銜接，承臺上部為2根直徑3 m、間距2.5 m混凝土樁，樁上設有插槽，在插槽范圍內布置插板，插板分為10塊等高分層排列，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長20 m。

在此基礎上，對導流屏方案進行多方案優化對比。其中，導流屏優化方案1：以減小底部過流量為出發點，對堤頭附近深槽進行回填，回填標高至45.0 m，試驗表明整體回填工況下原設計方案發生的引航道口門區局部范圍內花水現象基本消失。導流屏優化方案2：對縮短導流屏長度進行研究，節省工程量。

通過對導流屏方案及其優化方案的研究表明，各通航流量級下，引航道口門區回流范圍較工程前有所減小，通過不同回填范圍優化和導流屏長度優化后，在口門區附近深槽整體回填至45.0 m時，Q=7800 m3/s流量下，口門區150～200 m范圍內航中線右側航道個別測點橫向流速最大為0.33 m/s，略高于規范限值，口門區通航水流條件基本滿足規范要求。

自航船模試驗研究結果表明： 各通航流量級下，船模均能夠安全通過口門區段航道，當流量為7800 m3/s時，船模經過口門區最大漂角為-9.0°，所需最大舵角為19.4°。船模航行條件較導流屏方案實施前改善明顯，能夠滿足船模安全航行要求。

5 結論

國內外學者研究了船閘口門區多種透空式結構改善水流條件的措施，如導流墩、開孔導航墻、浮式導流堤、透空式導流墻等方法。工程實踐中，為解決已建樞紐船閘口門區通航條件困難問題，需結合現場地形等邊界條件和現有研究成果，采取多種工程措施相結合的方法，不能生搬硬套。導流結構設計的主要參數、結構形式需要通過物理模型試驗進行綜合對比、優化分析和試驗驗證，才能達到有效改善口門區通航水流條件的目的。

五強溪樞紐船閘下游引航道樁基透空式導流屏方案通過模型試驗選定，按照試驗成果實施了引航道改造工程施工。2016年3月底改造工程順利完工，從完工以來通航條件效果觀測情況來看,新建導流結構很好地改善了引航道口門區水流條件，改造前口門區礙航問題得到很好地解決。

[1] 交通運輸部天津水運工程科學研究所. 五強溪樞紐船閘下游引航道口門區通航條件物理模型試驗研究報告[R]. 2015.

[2] 湖南省航務勘察設計研究院. 沅水浦市至常德航道建設工程初步設計文件[R]. 2014.

[3] 李偉. 透空隔流堤對船閘引航道口門區水流條件影響研究[D]. 長沙: 長沙理工大學，2007.

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[5] 周家俞，尹崇清，段金曦，等. 渠江風洞子船閘導航墻透空型式效果研究[J]. 中國水運(下半月刊), 2010(10).

[6] 徐小梅，王峰.游埠樞紐下游引航道及口門區隔墻優化數學模擬研究[J]. 人民珠江，2011(1).

2017-05-05

路蒞楓(1973-)，男，碩士研究生，高級工程師，主要從事水運重點建設項目工程管理。

1008-844X(2017)02-0272-03

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