徐 敏，陳 立，劉 燃，范紅利

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢430072；2.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院，南京210098；3.湖北省港路勘測設(shè)計咨詢有限公司，湖北430072）

導(dǎo)流明渠廣泛應(yīng)用于大中型水利樞紐施工中，特別是有通航需求的河流。由于導(dǎo)流明渠的建設(shè)將極大地改變局部河段邊界條件，因此河段水流運動也會發(fā)生復(fù)雜的變化，并引起河道的沖淤調(diào)整，因此，在考慮河道沖淤調(diào)整的前提下，合理確定施工明渠導(dǎo)流方案，不僅關(guān)系到施工期的防洪安全，也關(guān)系到航道條件是否得到滿足。近年來，學(xué)者們對導(dǎo)流明渠試驗結(jié)果進(jìn)行了分析研究，如導(dǎo)流方案對工程的進(jìn)度、施工安全性等關(guān)鍵問題的影響［1］、明渠截流效果［2］、明渠參與通航的必要性和合理性［3］及彎道處布置明渠的可行性［4］等。由于河段邊界條件的極大差異，因此導(dǎo)流明渠通航條件及泄流能力一般需要通過河工模型試驗手段研究確定。

崔家營航電樞紐所處河流——漢江是國家內(nèi)河水運主要通道之一，其施工期通航十分重要，為確保樞紐施工截流期間漢江的航運暢通，設(shè)計部門采用明渠通航方案［5］。對于明渠施工期導(dǎo)流能力及通航條件，交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院采用定床模型試驗進(jìn)行了驗證和優(yōu)化，從而為設(shè)計提供相應(yīng)依據(jù)，使工程建設(shè)得以順利進(jìn)行［6］。實際運行的情況表明，導(dǎo)流明渠的設(shè)計是正確合理的，這也表明模型試驗成果的科學(xué)性，但仍存在一定的偏差。為了給類似導(dǎo)流明渠工程設(shè)計施工以及制訂施工期安全通航措施提供可借鑒的經(jīng)驗和建議，本文依據(jù)導(dǎo)流明渠原型觀測資料，分析了導(dǎo)流明渠實際通航條件，對比分析實際通航條件與設(shè)計階段模型試驗結(jié)果的異同及其原因。

崔家營航電樞紐位于漢江中游丹江口至鐘祥河段，距襄陽市17 km，是一座以航運和發(fā)電為主的綜合性電站。該工程于2010 年建成并投入運行，在工程一期圍堰施工期（2006 年12 月～2008 年9 月）內(nèi)，泄洪及通航改由導(dǎo)流明渠進(jìn)行。根據(jù)漢江通航的實際需求，導(dǎo)流明渠設(shè)計通航主要參數(shù)如下：（1）當(dāng)河道水深大于1.6 m，且斷面平均流速小于2.0 m/s 時，船舶可以自航；當(dāng)斷面平均流速為2.0～3.0 m/s 時，由拖輪助航；當(dāng)斷面平均流速大于3.0 m/s 時，河道斷航；（2）明渠最小通航流量為470 m3/s，最大自航通航流量為2 800 m3/s；（3）當(dāng)流量小于2 800 m3/s 時船舶或船隊自航，當(dāng)流量在2 800～5 500 m3/s 之間時由拖輪助航，當(dāng)流量大于5 500 m3/s 時明渠斷航。在導(dǎo)流明渠運行期間，于2007 年5 月14 日～2008 年5 月31 日觀測了不同流量下導(dǎo)流明渠的水位、水面比降、流速等，觀測斷面位置見圖1。

1 導(dǎo)流明渠實際通航條件

1.1 運行期不同流量的水深

圖1 觀測斷面位置圖Fig.1 Location of observed sections

根據(jù)原型觀測的720 m3/s、1 170 m3/s、1 270 m3/s和1 780 m3/s 四級流量的實測水位繪制了導(dǎo)流明渠內(nèi)水位的沿程變化（圖2）。圖2 中同時給出了最低通航流量470 m3/s 和最大自航通航流量2 800 m3/s模型試驗的水位觀測結(jié)果。由圖2 可以獲得以下認(rèn)識：隨著流量的增加，明渠內(nèi)的水位上升，但不同流量的水位漲率（這里的水位漲率采用流量每增加100 m3時的水位漲幅）不同，且流量越大，水位漲率越小，以J 斷面為例，當(dāng)流量由720 m3/s 變?yōu)? 170 m3/s 時，J 斷面水位的漲率為0.189 m/100 m3，流量由1 170 m3/s漲至1 270 m3/s 時漲率為0.143 m/100 m3，從1 270 m3/s 增加到1 780 m3/s 時，水位漲率減小為0.139 m/100 m3。而模型試驗中流量由470 m3/s 增大至2 800 m3/s 時，J 斷面的漲率為0.122 m/100 m3。

在4 次水位測量中，明渠及上、下游過渡段水位最低值為54.614 m（黃海高程，下同），該點處明渠底部高程為52.5 m，此時水深為2.114 m，大于1.6 m。

1.2 導(dǎo)流明渠內(nèi)的水面比降

圖2 模型試驗與原型觀測明渠沿程水面比降Fig.2 Water surface slope of prototype observation and physical model test

由圖1 和圖2 可知：不同流量的沿程水面比降并不是均勻的，AD 段水面比降在0.056‰～0.110‰，DF 水 面 比 降 為0.188‰～0.448‰，F(xiàn)J 段 比 降 在0.012‰～0.065‰。即渠道段（DF 段）的比降最大，進(jìn)口段（AD 段）的比降次之，出口段（FJ 段）最小。而渠道段內(nèi)DE 段水面比降最大，為0.266‰～0.817‰。

隨著流量的增加，明渠的水面比降增加，其中明渠上中段比降增加較為明顯，而下游段水面比降變化不明顯。

1.3 明渠內(nèi)的流速

圖3 給出了不同流量下不同斷面的垂線平均流速的橫向分布，從圖3 中可以看出：

相同流量下不同斷面的平均流速及流速分布形態(tài)均不同。其中渠道段E 斷面平均流速最大，明渠進(jìn)口段C 斷面次之，下游出口段G 斷面最?。寒?dāng)Q=653～5 219 m3/s 時，E 斷面平均流速在1.12～2.31 m/s；C 斷面的平均流速在0.42～1.14 m/s 之間；G 斷面平均流速在0.19～0.85 m/s 范圍內(nèi)。明渠段E 斷面的流速分布較為均勻，上游段流速分布均勻性居中，而G 斷面則呈現(xiàn)明顯的不對稱形態(tài)。

不同斷面的流速及流速橫向分布隨流量增加的變化也各不相同。隨著流量的增大，C、E、G 斷面平均流速均增大，其中E 斷面的過水寬度隨流量的增加沒有明顯的增大，流速橫向分布形態(tài)也沒有明顯的變化，即斷面上各垂線上的流速增加幅度相差不大；而C 斷面過水寬度逐漸變大，最大流速點也由靠近右側(cè)向渠道左側(cè)移動，其流速分布也變得愈加對稱，G 斷面流速分布形態(tài)極不對稱，各級流量下主流穩(wěn)定居左。

2 通航條件的對比分析

2.1 物理模型試驗結(jié)果

2.1.1 各級流量下的水深及比降

模型試驗結(jié)果表明：在設(shè)計最低通航流量Q=470 m3/s 時，明渠內(nèi)水位為54.894～54.622 m，水深在1.894～2.122 m 之間，即明渠水深能滿足通航水深大于1.6 m的要求。

圖3 斷面流速分布Fig.3 Velocity distribution

不同流量下水面比降不同。在470 m3/s 流量下，水面比降較緩；470 m3/s≤Q≤5 500 m3/s 時，水面比降≤0.365‰；Q＞5 500 m3/s 后，水面比降更大。

各級流量下導(dǎo)流明渠水面比降沿程是變化的，壩軸線以上水面比降較大，壩軸線以下水面比降相對較緩，最大水面比降imax出現(xiàn)在壩軸線至上游600 m 之間。

2.1.2 各級流量下的流速

流量Q=470 ～2 800 m3/s 時，斷面平均流速沿程先增大后減小，其中進(jìn)口段斷面平均流速普遍較小，一般在0.6 ～1.3 m/s；渠道段斷面平均流速一般在1.5～1.9 m/s；而出口段的斷面平均流速一般在1.0～1.5 m/s。斷面平均流速均＜2.0 m/s，滿足自航流速限值要求。

明渠內(nèi)水流平穩(wěn)，渠道段斷面流速橫向分布均勻，進(jìn)出口段的流速分布具有一定的不對稱性。進(jìn)口段斷面最大垂線平均流速位于明渠中心線右側(cè)，渠道段最大垂線平均流速基本位于明渠中心線處，出口段水流最大垂線平均流速仍位于明渠中心線右，但相比進(jìn)口段，最大垂線平均流速位置已明顯向左移動。

流量Q=2 800～5 500 m3/s 時，斷面平均流速的沿程變化規(guī)律依舊，其中進(jìn)口段斷面平均流速普遍較小，一般在0.9 ～1.7 m/s，渠道段流速一般在1.9 ～3.0 m/s，出口段流速落于2.0～2.5 m/s。渠道段最大流速小于3.0 m/s，滿足助航流速限值要求。

雖然斷面平均流速滿足助航的要求，但是在流量達(dá)到5 500 m3/s 時，明渠段最大垂線平均流速達(dá)到3.41 m/s，流速超過3.0 m/s 的范圍主要是明渠中心線以右90 m 范圍內(nèi)。

2.2 實際通航條件與模型試驗結(jié)果的異同

2.2.1 水深對比原型與模型水位均隨著流量的增加而增大，流量越大，水位漲率越小。從圖4 給出的E、G 斷面水位流量關(guān)系也可以看出：模型水位流量關(guān)系曲線與原型實測水位流量關(guān)系曲線基本平行，即水位隨流量的變化規(guī)律大體相同。

圖4 模型試驗和原型試驗E 斷面水位流量關(guān)系Fig.4 Comparison of stage-discharge relationship of section E

雖然水位隨流量的變化趨勢一致，但模型和原型同流量水位之間存在較為明顯的差異。由圖4 中實測水位流量關(guān)系可知，最小通航流量470 m3/s 時原型E 斷面對應(yīng)的水位為54.099 m，而該斷面底部高程為52.8 m，因此水深為1.299 m，不滿足1.6 m 的最小通航水深要求。

圖4 中還可以看出，原型觀測Q=5 219 m3/s 時E斷面水位為59.73 m，而模型觀測的Q=5 500 m3/s 時E 斷面的水位為59.282 m，顯然洪水時同流量下原型水位高于模型。

2.2.2 比降對比

各級流量下，模型和原型中均表現(xiàn)為明渠渠道段水面比降最大，進(jìn)口段和出口段水面比降相對比較平緩；隨著流量的增加，模型和原型明渠內(nèi)各段的水面比降均逐漸地加大，流量越大，水面比降沿程變化越不均勻；模型與原型中水面比降的量級相同。模型中Q=470～2 800 m3/s 時，水面比降范圍從0.04‰～0.23‰增加到0.04‰～0.67‰，而原型中流量Q=720 m3/s 增加到Q=1 270 m3/s 時，水面比降由0.01‰～0.27‰變?yōu)?.02‰～0.30‰。

2.2.3 流速對比

圖5 給出了原型觀測中E 斷面在653 m3/s、1 340 m3/s 和5 219 m3/s 三級流量下垂線平均流速的橫向分布，以及模型中470 m3/s、2 880 m3/s 和5 500 m3/s 下的該斷面的垂線平均流速橫向分布試驗結(jié)果。

圖5 模型試驗與原型觀測E 斷面流速橫向分布Fig.5 Comparison of velocity distribution of section E

原型與模型觀測的流速橫向分布形態(tài)基本相似。流速沿程的變化均表現(xiàn)為明渠進(jìn)口段最小，而后流速沿程逐漸加大，至壩軸線處流速最大，之后又逐漸減小。

模型試驗與原型觀測中渠道段平均流速均隨著流量的增大而增大，當(dāng)原型觀測流量在模型實測流量范圍內(nèi)時，原型觀測的斷面平均流速值也落在模型實測的斷面平均流速值范圍內(nèi)：流量在Q=470～5 500 m3/s時，模型觀測的渠道段平均流速在0.9～3.0 m/s；而原型觀測流量Q=653～5 219 m3/s 時的渠道段平均流速在1.12～2.31 m/s。模型與原型觀測結(jié)果均滿足助航對流速的限制要求。

原型和模型的差異體現(xiàn)在兩方面，一是原型觀測的流速橫向分布較模型更均勻，二是原型觀測的洪峰流量（5 219 m3/s）的垂線平均流速小于2.4 m/s，而模型中Q=5 500 m3/s 時，最大垂線平均流速超過3.0 m/s。

2.3 差異的原因分析

如前所述，導(dǎo)流明渠設(shè)計階段模型試驗結(jié)果與實際運行期觀測的實際通航條件總體上是一致的，包括流速的大小、水面比降等，但也存在著差異，主要的差異在于運行期觀測設(shè)計最小通航流量的水深小于設(shè)計值，而洪水期導(dǎo)流明渠的實測水位高于同流量的設(shè)計值。

枯水流量水位差異產(chǎn)生的主要原因是導(dǎo)流明渠運行期河床的沖刷。雖然渠道段進(jìn)行了全面的護(hù)砌，但是明渠的進(jìn)出口段則只是對邊坡進(jìn)行防護(hù)，運行期內(nèi)，河床發(fā)生了明顯的沖刷下切。

圖6 給出了導(dǎo)流明渠典型斷面的沖淤變化。由圖6 可以看出，處于壩軸線位置的E 斷面附近由于實施了全斷面防護(hù)［7］，因此運行期該斷面幾乎沒有沖淤變化，而明渠段其他斷面僅對左右岸采取防護(hù)措施，則渠底的沖刷幅度較大，如F 斷面最大沖刷下切達(dá)4 m；同時位于彎道段的G 斷面，左岸為凹岸，右岸在一期圍堰后突然展寬，形成緩回流區(qū)，因此河道呈明顯的左沖右淤現(xiàn)象［8］，即主槽沖刷而灘地淤積，而枯水流量下水流所經(jīng)的主槽的侵蝕基準(zhǔn)面下降［9-10］。這必然使得相同枯水流量下原型中E 斷面的水位較模型中的水位低。

圖6 E、F、G 斷面沖淤變化圖Fig.6 Deposition and erosion of section E，F(xiàn) and G

洪水期水流漫灘過流，此時出口斷面右側(cè)淤積面積大于左側(cè)沖刷面積，因而洪水期的侵蝕基面不但未下降，反而有所抬升，故相同流量下的實測流速小于原型。而設(shè)計階段模型試驗采用的是定床模型，因此不能反映導(dǎo)流明渠運行過程中的河床沖淤調(diào)整，導(dǎo)致枯水期壩軸線處的水位偏低，而洪水期明渠內(nèi)的流速偏小。

3 結(jié)論

（1）運行期實際通航條件與設(shè)計基本一致：模型和原型水面比降量級相同，沿程變化規(guī)律相同，且均隨著流量的增加而增大；流速沿程變化、斷面流速分布也相似，均滿足自航和助航的流速要求。

（2）運行期實際通航條件與模型試驗通航條件的差異在水深方面：導(dǎo)流明渠運行期最小通航流量下壩軸線處的水深明顯小于模型試驗值，而洪水流量下該斷面原型實測水深又大于模型試驗結(jié)果。

（3）差異產(chǎn)生主要是由導(dǎo)流明渠運行期河床的沖刷造成的，而設(shè)計階段模型試驗采用的是定床模型，不能反映導(dǎo)流明渠運行過程中的河床沖淤調(diào)整，建議以后在設(shè)計階段模型試驗時，邊界條件的確定應(yīng)反映河床的沖刷下降。

［1］吉中亮.包家壩水電站導(dǎo)流明渠試驗研究［D］.西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

［2］WANG G Q，WU B S，XIA J Q. Modeling of the diversion channel closure for the third stage of the TGP［J］.International Journal of Sediment Reseach，2004，19（1）：75-82.

［3］汪世鵬，陳元清，寧廷俊.三峽工程導(dǎo)流明渠水力學(xué)原型觀測成果分析［J］.長江科學(xué)院院報，2002，19（3）：3-6.WANG S P，CHEN Y Q，NING T J.Analysis on hydraulics prototype observation data of diversion channel of TGP［J］. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2002，19（3）：3-6.

［4］榮天富，譚德綏，汪厚璉.導(dǎo)流明渠參與三峽工程施工通航的決策與作用［J］.長江科學(xué)院院報，2002，19（5）：3-6.RONG T F，TAN D S，WANG H L .Desision-marking for usage of diversion channel as main navigation passage in 2nd construction period TGP and its effects［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2002，19（5）：3-6.

［5］周立忠，楊言華，劉迎賓.崔家營航電樞紐工程導(dǎo)流明渠與左岸河灘段土石壩工程施工圖［R］.武漢：湖北省水利水電勘測設(shè)計研究院，2005.

［6］李金合，于廣年，郝媛媛.崔家營航電樞紐工程導(dǎo)流明渠及通航模型試驗研究成果匯編［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2005.

［7］崔承章，熊治平.治河防洪工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：36-45.

［8］陳立，徐敏，陳珊. 崔家營樞紐導(dǎo)流明渠防護(hù)工程效果［J］.水運工程，2012（4）：120-124.CHEN L，XU M，CHEN S. Effect of Cuijiaying diversion channel protective works［J］.Port & Waterway Engineering，2012（4）：120-124.

［9］張瑞瑾.河流泥沙動力學(xué)：第二版［M］.北京：中國水利水電出版社，1989：121-128.

［10］謝鑒衡.河流泥沙工程學(xué)：第二版［M］.北京：水利出版社，1981：14-15.