普曉剛，李 民，郝媛媛，馮小香

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456;2.湖南湘江航運(yùn)建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙 410011)

在建設(shè)現(xiàn)代化的內(nèi)河航道網(wǎng)中，河流渠化是增加航道水深，改善航行條件最有效的工程措施之一。渠化工程的主要特點(diǎn)在于攔河筑壩，使壩上游水位變高，增加航道水深，減小流速，從根本上改善了水流狀態(tài)和航行條件。我國(guó)西部地區(qū)地域遼闊，內(nèi)河眾多，水量充沛，有著發(fā)展水運(yùn)的優(yōu)越自然條件。但是，由于西部通航河流屬于典型的山區(qū)彎曲型河道，河床斷面狹窄，平面形態(tài)彎曲，通航條件復(fù)雜，在梯級(jí)渠化樞紐建設(shè)中，因受河勢(shì)、地形及梯級(jí)水位銜接等因素影響，難以選擇到理想的河道順直、河面寬闊的壩址河段，不得已建在平面彎曲、河面狹窄河段，湘江土谷塘航電樞紐便是典型工程實(shí)例。通過(guò)對(duì)依托工程不同平面布置方案的研究，結(jié)合其它已建或擬建的相關(guān)樞紐工程，對(duì)狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置應(yīng)遵循的一些原則進(jìn)行了探討［1－4］。

1 依托工程概況

土谷塘航電樞紐位于湘江中游，是湘江梯級(jí)渠化中自下而上的第4個(gè)梯級(jí)樞紐，位于已建的近尾洲和大源渡航電樞紐之間。由于受下游大源渡航電樞紐回水、河道左岸特殊建筑的限制，壩軸線位于狹窄連續(xù)彎道河段(圖1)。壩區(qū)河段平面形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)“S”形，上游段為接近90°的急彎，下游段為稍緩的反向彎道。壩線上游1～3 km為急彎卡口河段，卡口段最窄處河寬僅約270 m，且右岸為坡度較陡的山地;壩線及壩線下游位于下游反向彎道河段，左側(cè)為凹岸，右側(cè)為凸岸，壩軸線位于彎道彎頂附近，壩線處河道寬約480 m，左側(cè)河床為主河道［5－6］。

圖1 土谷塘航電樞紐壩區(qū)河勢(shì)圖Fig.1 River regime of the dam area of Tugutang navigation-power junction

土谷塘航電樞紐以通航為主，兼有發(fā)電、灌溉、改善濱水景觀等綜合效益。主要建筑物包括3臺(tái)機(jī)組、1孔排污閘、17孔泄水閘及1 000 t級(jí)船閘。土谷塘樞紐工程為低水頭徑流式電站、泄水閘式閘壩、槽蓄型水庫(kù)。永久性主要水工建筑物設(shè)計(jì)洪水為50年一遇、校核洪水為500年一遇。

泄水閘共設(shè)17孔，單孔寬20 m，總凈寬為340 m。船閘軸線與壩軸線垂直，船閘等級(jí)為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)最大通航流量為13 500 m3/s(10年一遇)，閘室有效尺度180 m×23 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)船隊(duì)為一頂2艘1 000 t級(jí)船隊(duì)。電站廠房為河床式，電站總裝機(jī)容量80 MW，共3臺(tái)單機(jī)26.67 MW的燈泡貫流式機(jī)組，年均發(fā)電量3.3×108kW·h，額定水頭5.8 m，最小運(yùn)行水頭3 m，單機(jī)引流量446 m3/s。

2 依托樞紐工程平面布置方案優(yōu)化

鑒于土谷塘樞紐壩址所處的特殊河勢(shì)，設(shè)計(jì)單位提出了2種平面布置方案，即船閘位于彎道凹岸(上游為凸岸)側(cè)的左岸船閘方案和船閘位于彎道凸岸(上游為凹岸)側(cè)的右岸船閘方案。

2.1 模型概況

模型為定床正態(tài)模型，比尺為100，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，流速比尺 λv=10，糙率比尺 λn=2.15，流量比尺λQ=105。模擬原型河道長(zhǎng)度約為8 km，其中壩址上游長(zhǎng)約4.6 km，壩址下游長(zhǎng)約3.4 km，寬度為400～800 m不等。因此模型全長(zhǎng)約為80 m，模型寬4.0 ～5.0 m不等。

2.2 左岸船閘方案

左岸船閘設(shè)計(jì)方案各建筑物布置從左至右依次為船閘、17孔泄水閘、1孔排污閘、電站(3臺(tái)機(jī)組)。由于船閘位于連續(xù)彎道中下游反向彎道河段的凹(左)岸側(cè)，為保證船閘引航道直線段的長(zhǎng)度，船閘只能布置在靠近左岸側(cè)的河道內(nèi)，并占據(jù)原有一部分河寬。引航道平面布置形式為不對(duì)稱(chēng)型，船舶采用曲進(jìn)直出方式進(jìn)出船閘，上、下游引航道導(dǎo)流堤均為直立堤，長(zhǎng)度均為450 m;上、下游引航道底寬均為45 m。

左岸船閘設(shè)計(jì)方案研究結(jié)果表明:樞紐泄流能力能夠滿(mǎn)足要求;船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件雖能夠滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，但由于口門(mén)區(qū)航線為彎曲航道，且口門(mén)寬度僅為45 m。船模航行試驗(yàn)結(jié)果表明:船舶(隊(duì))進(jìn)出引航道時(shí)易碰撞堤頭，存在一定的安全隱患。針對(duì)上游引航道口門(mén)區(qū)存在的通航安全問(wèn)題，優(yōu)化方案是保持船閘上游引航道450 m長(zhǎng)度不變，將靠船段引航道底寬由45 m加寬至60 m(圖2)。上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段寬度為60 m，受彎道河勢(shì)及左岸地貌影響，出口門(mén)100 m即接弧長(zhǎng)524 m、半徑為1 000 m圓弧段，而后通過(guò)直線段與上游彎道相連。為改善船閘下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段的通航水流條件，將電站下游右側(cè)凸岸進(jìn)行歸順，并將下游引航道長(zhǎng)度由450 m延長(zhǎng)至950 m，由450 m的直線段與半徑為1 000 m的圓弧段組成，引航道底寬由設(shè)計(jì)方案的45 m加寬至60 m。船閘下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段均為直線段。

2.3 右岸船閘方案

右岸船閘設(shè)計(jì)方案各建筑物布置從左至右依次為電站(3臺(tái)機(jī)組)、1孔排污閘、17孔泄水閘及船閘。船閘布置在右岸臺(tái)地上，船閘中心線與壩軸線垂直。船閘引航道布置型式為不對(duì)稱(chēng)型，船舶采用曲進(jìn)直出方式進(jìn)出船閘，上、下游引航道導(dǎo)流堤均為斜坡實(shí)體式，長(zhǎng)度均為650 m;上、下游引航道底寬均為45 m，口門(mén)底寬分別為70 m，80 m。

右岸船閘設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究結(jié)果表明:樞紐泄流能力能夠滿(mǎn)足要求;船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件、船舶航行條件存在一定問(wèn)題。在洪水流量條件下，因上游右岸突嘴挑流及引航道內(nèi)靜水頂托，使口門(mén)區(qū)內(nèi)左向斜流與航線夾角偏大，進(jìn)而使口門(mén)區(qū)航道內(nèi)左向橫流較大，通航水流條件不能滿(mǎn)足規(guī)范要求;過(guò)下游導(dǎo)流堤束窄河段后過(guò)流斷面變寬，水流向右擴(kuò)散，下游口門(mén)區(qū)內(nèi)右向橫流偏大，通航水流條件不能滿(mǎn)足要求。

為消除上游右岸突嘴挑流對(duì)上游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件造成的不利影響，將右岸山體突嘴部分進(jìn)行切除，為順應(yīng)切除后的右岸河勢(shì)及水流，將口門(mén)區(qū)航道向右岸進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整(圖3);為改善船閘下游引航道口門(mén)區(qū)的通航水流條件，在堤頭下游口門(mén)區(qū)航道的左側(cè)布置4個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩為楔形，斜角 45°，每個(gè)導(dǎo)墩長(zhǎng) 22 m、厚 3 m、頂高程為63.0 m，第1個(gè)導(dǎo)流墩與堤頭的間距為15 m，導(dǎo)墩與導(dǎo)墩的間距為22 m。

圖2 左岸船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.2 Optimized layout of the shiplock on the left bank

3 不同方案綜合對(duì)比分析

主要從樞紐泄流能力、船閘通航水流及船舶航行條件等多方面，對(duì)右岸船閘方案與左岸船閘方案進(jìn)行綜合對(duì)比，進(jìn)而確定依托工程土谷塘航電樞紐平面布置的推薦方案。

3.1 樞紐泄流能力的比較

圖3 右岸船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.3 Optimized layout of the shiplock on the right bank

兩方案樞紐上游壅水高度均滿(mǎn)足不大于0.3 m的要求。由于左岸船閘及上下游引航道均位于原左岸側(cè)河道內(nèi)，占據(jù)一定河寬，尤其是下游引航道導(dǎo)流堤較長(zhǎng)，對(duì)樞紐的泄流產(chǎn)生的一定的影響，使得左岸船閘方案樞紐上游壅水值稍高于右岸船閘方案，泄流能力稍弱，500年一遇洪水流量下左、右岸船閘方案最大壅水值分別為0.25 m，0.22 m。

3.2 船閘通航水流及船舶航行條件比較

兩方案船閘上游引航道口門(mén)區(qū)、下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件均能基本滿(mǎn)足要求;洪水流量下船閘上游引航道口門(mén)外連接段及急彎河段存在縱向流速、橫向流速稍大段。彎道段通航條件的優(yōu)劣應(yīng)主要依據(jù)船模航行試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

在左岸船閘方案中，船隊(duì)受掃彎水的影響只能緊靠凸岸下行才能順利進(jìn)入口門(mén)，上行船隊(duì)為避開(kāi)下行船隊(duì)只能沿主流或主流右側(cè)航行，即上行船走大彎，下行船走小彎。在右岸船閘方案中，上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段布置在彎道的凹岸下游，基本在上游河段的主流區(qū)，通過(guò)對(duì)右側(cè)岸線歸順，船隊(duì)略靠右岸一側(cè)下行進(jìn)入口門(mén)比較順利，上行船隊(duì)出口門(mén)區(qū)后選擇走緩流一側(cè)，同時(shí)可以避讓下行船舶(隊(duì))，即上行船走小彎，下行船走大彎。綜合對(duì)比分析，右船方案航行過(guò)程中舵角和漂角比左船方案要小，且右船方案的航行方式更符合內(nèi)河避碰規(guī)則的要求，船舶航行會(huì)更安全。

3.3 其它方面對(duì)比

《渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］要求:“根據(jù)航運(yùn)遠(yuǎn)期發(fā)展預(yù)留具備建設(shè)條件的二線或多線通航建筑物位置”。就左岸船閘方案而言，預(yù)留二線船閘需布置于一線船閘的左側(cè)，受左側(cè)凹岸河勢(shì)影響，船閘引航道直線段長(zhǎng)度較難滿(mǎn)足要求，上、下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段彎曲半徑將進(jìn)一步減小，不利于船舶順利進(jìn)出船閘;就右岸船閘方案而言，預(yù)留二線船閘可以布置于一線船閘右側(cè)，由于右岸為河道的凸岸，船閘引航道直線段長(zhǎng)度較易滿(mǎn)足，且上、下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段彎曲半徑可適當(dāng)增加，有利于船舶順利進(jìn)出船閘。

就船閘上游航道穩(wěn)定性而言，左岸船閘方案上游引航道口門(mén)區(qū)、連接段及彎道段航道位于上游急彎河段凸岸側(cè)及凸岸下游緩流區(qū)內(nèi)，較易產(chǎn)生泥沙淤積，不利于航道的穩(wěn)定;右岸船閘方案上游航道位于急彎段中部及靠近凹岸側(cè)下游附近的主流區(qū)內(nèi)，航道相對(duì)較穩(wěn)定。就船閘下游航道穩(wěn)定性而言，左岸船閘方案與右岸船閘方案下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段分別位于下游反向彎道出口段的凹岸側(cè)與凸岸側(cè)，左岸船閘方案航道穩(wěn)定性要優(yōu)于右岸船閘方案［8］。

3.4 推薦樞紐布置方案

通過(guò)以上各方面的綜合對(duì)比分析，可以看出:右岸船閘方案的樞紐泄流能力、上游彎道段船舶航行條件、船閘上游航道穩(wěn)定性、預(yù)留二線船閘布置條件等均優(yōu)于左岸船閘方案。綜合對(duì)比各方面因素后，推薦右岸船閘方案為土谷塘航電樞紐平面布置方案。

4 狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置原則探討

天然河流幾乎都是彎曲的，彎道可以看成是組成河流的最基本單元，多彎相連的河道一般稱(chēng)之為連續(xù)彎道，兩彎之間的連接部分稱(chēng)之為過(guò)渡段。在山區(qū)或半山區(qū)河流連續(xù)彎道是常見(jiàn)的平面形態(tài)，由于河流的迂回曲折，兩彎道之間的順直過(guò)渡段相對(duì)甚短，一般將樞紐布置在單個(gè)彎道上或連續(xù)彎道之間相對(duì)順直的過(guò)渡段上;這類(lèi)樞紐較多，如三峽水利樞紐、葛洲壩水利樞紐等，而將樞紐布置在過(guò)渡段較短或無(wú)過(guò)渡段的連續(xù)彎道上樞紐還不多見(jiàn)。結(jié)合國(guó)內(nèi)其它將壩線布置在彎道段的已建或擬建的樞紐布置情況，總結(jié)狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置應(yīng)遵循的一些原則，供其它相關(guān)樞紐工程參考。

4.1 彎道河段已建或擬建樞紐平面布置情況分析

《渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于樞紐總體布置有如下規(guī)定:“根據(jù)具體條件樞紐總體布置可采用集中布置或分散布置方式。集中布置時(shí)，通航建筑物與水電站宜異岸布置，通航建筑物宜布置在主航道一側(cè)”。建在彎道河段上的航電樞紐，河流主航道一般在凹岸，但受河勢(shì)影響或與電站分開(kāi)設(shè)置，實(shí)際工程中通航建筑物布設(shè)在彎道的凸岸或凹岸的情況均有。如葛洲壩樞紐工程所在河道呈S形彎曲，壩址處在南津關(guān)急彎和鎮(zhèn)川微彎河段之間的過(guò)渡段，大江船閘布置在南津關(guān)90°急彎后凸岸，三江2號(hào)和3號(hào)船閘處在南津關(guān)90°急彎后的凹岸。根據(jù)國(guó)內(nèi)壩線位于彎道河段的已建或擬建的20個(gè)樞紐布置情況統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)可知，通航建筑物布置在凸岸與凹岸的情況基本各占一半［9］。

表1 壩線位于彎道河段已建或擬建樞紐總體布置情況Table 1 Layout of built or planned-to-be-built hydro-junctions with dam axis located at river bend

由于樞紐工程所處的河道平面形態(tài)千差萬(wàn)別，規(guī)范還不能涵蓋各類(lèi)具體工程的技術(shù)特點(diǎn)。因此，目前國(guó)內(nèi)的普遍做法，是針對(duì)某一具體工程的特點(diǎn)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定樞紐平面布置。

4.2 狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐平面布置原則

通過(guò)對(duì)依托工程船閘分別位于左岸及右岸2種平面布置方案的試驗(yàn)研究，結(jié)合其它已建或擬建的相關(guān)樞紐工程平面布置情況，認(rèn)為狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐平面布置應(yīng)遵循以下一些原則:

(1)無(wú)通航要求的樞紐壩址選擇著重于壩線的選擇和布置，即河流的橫斷面選擇及沿?cái)嗝嫔系牟贾?，而以改善航運(yùn)和發(fā)電為主的渠化樞紐工程則在同樣選擇河流橫斷面的前提下，還要考慮平行于河流的通航建筑物及其引航道的軸線布置，其難度就在于這條軸線是由幾條直線和幾條曲線連接起來(lái)的長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米至一兩千米的軸線，同時(shí)還要考慮樞紐運(yùn)行時(shí)上下游水流對(duì)船舶航行的影響，因而這個(gè)特點(diǎn)在很大程度上影響了渠化工程樞紐壩址選擇和樞紐的平面布置。

(2)當(dāng)船閘布置于狹窄連續(xù)彎道河段下游反向彎道的凹岸側(cè)時(shí)，在滿(mǎn)足樞紐泄流能力的條件下，為確保船閘引航道直線段長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求，船閘可考慮布置于靠近凹岸側(cè)的河道內(nèi)。對(duì)于出船閘引航道口門(mén)即為圓弧段或以較短的直線段與圓弧段相連的口門(mén)區(qū)布置形式，為確保船舶安全進(jìn)出船閘，應(yīng)盡可能增大曲率半徑及航寬。此外，可考慮順應(yīng)彎曲河段河勢(shì)，通過(guò)延長(zhǎng)船閘引航道導(dǎo)流堤長(zhǎng)度，使彎曲段處于引航道內(nèi)，口門(mén)區(qū)為直線段，確?？陂T(mén)區(qū)的水流條件滿(mǎn)足要求。

(3)當(dāng)船閘布置于狹窄連續(xù)彎道河段下游反向彎道的凸岸側(cè)時(shí)，為確保船閘引航道直線段長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求，可利用凸岸側(cè)臺(tái)地新開(kāi)挖渠道進(jìn)行船閘布置，并歸順上、下游岸線，使引航道進(jìn)、出口段與河岸走勢(shì)平順銜接，盡量減小口門(mén)區(qū)航道軸線與上下游主河道的夾角。此外，通過(guò)在導(dǎo)流堤下游布置楔形導(dǎo)流墩，能夠有效地消減彎曲河道段口門(mén)區(qū)內(nèi)因水流擴(kuò)散形成的斜流及回流，是較理想的導(dǎo)流建筑。

(4)對(duì)于上游為急彎、下游為反向彎道的狹窄連續(xù)彎道河段，當(dāng)樞紐壩線位于下游彎道段時(shí)，宜采取將船閘布置于凸岸側(cè)的分散布置方式，這也符合《渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

(5)在條件允許的情況下，應(yīng)盡量將壩軸線向彎道段的下游平移，以增加船閘上游引航道口門(mén)與上游急彎河段出口的距離，確保船舶下行時(shí)有足夠的時(shí)間調(diào)整船位進(jìn)入引航道。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于以改善航運(yùn)和發(fā)電為主的渠化樞紐工程，在總體布置時(shí)，主要做好2條線的布置，即壩軸線與船閘軸線的布置，在壩軸線確定后進(jìn)行船閘軸線布置時(shí)要處理好上下游引航道、口門(mén)區(qū)、連接段及彎道段航道的銜接等問(wèn)題。

(2)狹窄連續(xù)彎道河段的樞紐平面布置應(yīng)結(jié)合具體的壩址自然條件和樞紐工程的作用進(jìn)行合理布置。對(duì)于上游為急彎、下游為反向彎道的狹窄連續(xù)彎道河段，樞紐布置應(yīng)遵循以下原則:①?gòu)澋蓝魏骄€與船閘同岸布置最為有利，即當(dāng)船閘位于右岸側(cè)時(shí)，上游彎道段宜選取右線航道;當(dāng)船閘位于左岸側(cè)時(shí)，上游彎道段宜選取左線航道。②當(dāng)樞紐壩線位于下游彎道段時(shí)，宜采取將船閘布置于凸岸側(cè)的分散布置方式。

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