張 明,王義安,鄭 偉

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456; 2.福建省港航勘察設(shè)計研究院，福州 350002)

樞紐下游水位下降或是樞紐回水不銜接已成為制約航道等級提升的重要因素[1-2]。受船閘下游設(shè)計最低通航水位及航道水深等條件的約束，一般需控制水位下降甚至雍高近壩段水位，采用丁壩、潛壩等工程措施來壅高水位是目前較常見的整治方式[3-6]，明渠多用于圍堰施工導(dǎo)流期通航[7-10]，作為雍水建筑物的研究相對較少。

作為一類特殊的限制性航道，明渠布置型式對航道流速、水位、水深等通航水流條件具有重要影響，為滿足明渠安全通航的要求，通過優(yōu)化明渠布置型式來獲得較好的通航水流條件就顯得十分必要。本文以沙溪口水電站壩下航道整治工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對多個方案進行計算分析后[11]，提出了明渠作為雍水措施的實用條件及布置原則，成果可為方案優(yōu)化提供依據(jù)、為工程設(shè)計提供參考。

1 河段概況

沙溪口水電站于1983年開工建設(shè)，1987年首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，電站在右岸安裝4臺機組，單機最大過流量525 m3/s，左岸布置了單線一級300 t級船閘，尺度為130 m×12 m×2.5 m(長×寬×水深)，船閘門檻底高程61.3 m，船閘下游設(shè)計最低通航水位63.8 m。電站建成運行后，由于壩下河床沖刷等原因，近年來，90%保證率的水位約為63.3 m，下降約0.5 m，原設(shè)計最低通航水位63.8 m對應(yīng)的保證率僅約50%。

沙溪口水電站屬徑流式水電站，日均入庫流量與出庫流量基本持平，2012～2014年90%保證率的流量約為265 m3/s。中枯水期，當電站關(guān)閘蓄水時，下游河底出露，無水可航。

該河段河床以石質(zhì)為主，石灘、巖礁分布廣泛、部分河段礁石林立、石梁橫亙，影響船舶航行。在寬淺河段則有河漫灘及江心洲分布，河床以砂卵(礫)石為主。

2 灘險礙航特性分析

沙溪口水電站為閩江下游第二級樞紐，距離閩江水口水電站約108 km。沙溪口水電站至下游南平延福門河段長約13.5 km，位于水口水庫的變動回水區(qū)，下段西芹鎮(zhèn)至延福門10 km河段河床較低，水深條件較好，上段西芹鎮(zhèn)至沙溪口船閘3.5 km河段枯水河槽彎窄(圖1)、水淺流急、流態(tài)紊亂，通航條件較差。在船閘口門區(qū)，受鯉魚洲洲頭及鯉魚洲左側(cè)邊灘影響，電站泄流以大角度入?yún)R左側(cè)航道，斜流較大。沙溪口電站施工橋位于船閘下游600 m處，距離鯉魚洲邊灘尾部約100 m，該橋通航孔寬49 m。受鯉魚洲邊灘擠壓，橋區(qū)坡陡流急，沙溪口電站泄流Q=1 800 m3/s、延福門水位低于61.7m時，局部最大比降超過5‰，最大流速超過3 m/s。

沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位低于61 m時，近壩段基本不受水口水庫回水影響(圖2)，當延福門水位上升至63 m時，可回水至沙溪口壩下。在沙溪口電站下泄流量為設(shè)計流量Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，壩下3 km河段比降普遍超過1‰，沙溪口船閘下閘首水位僅63.07 m，比設(shè)計水位低0.73 m，近壩段航道水深一般僅0.3～0.8 m，達不到設(shè)計標準，嚴重影響了該航段的暢通。

圖1 沙溪口水電站下游近壩段河勢圖Fig.1 Sketch of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction圖2 沙溪口樞紐下游近壩段水面線變化圖Fig.2 Water surface profile of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction

3 整治方案概況

3.1 整治標準

沙溪航道從南平延福門至三明臺江作業(yè)區(qū)全長97 km，為內(nèi)河V級航道，通航300 t級閩江干流標準運輸船舶，兼顧500 t級閩江干流標準運輸船舶通航要求。設(shè)計船型為閩江干貨-Ⅰ、閩江干貨-Ⅱ、閩江集-Ⅰ，船型最大長度約55 m，最大寬度約10.3 m，滿載吃水1.6～1.9 m。

沙溪口船閘下游設(shè)計最大通航流量Q=3 000 m3/s，設(shè)計最小通航流量Q=265 m3/s，延福門水文站設(shè)計最低通航水位57 m，沙溪航道設(shè)計水深2.1 m。

3.2 整治方案

沙溪口壩下航道主要采取修建雍水壩與通航明渠，拋筑丁、順壩相結(jié)合的方式來提高壩下水位和改善流態(tài)，先后進行了多個方案的計算比選，代表性方案有4個(圖3)，其共同點為：均在鯉魚洲右汊修建鎖壩一條，鎖壩高程63.8 m；明渠兩側(cè)渠壁高2 m，明渠頂寬100 m，其中航道寬55 m，左側(cè)邊坡1:20，右側(cè)邊坡1:2.5；沙溪口施工橋附近，受通航孔寬度限制，航道寬40 m。各方案不同點為：方案一、方案二、方案三、方案四的明渠長分別為697 m、847 m、1 660 m、1 972 m，方案一在明渠出口右側(cè)布置了船舶停泊區(qū)，面積約3.3萬m2，疏挖深度一般2～3 m，其他方案均取消了停泊區(qū)；方案一、方案二在明渠中部修建丁壩一條，方案三在明渠中部修建丁壩兩條、在沙溪口施工橋附近修建丁壩一條，方案四在明渠兩側(cè)沒有布置丁壩；方案一、方案二對明渠出口下游的彎道段進行了加寬，加寬段航道寬75 m，下游其他航道寬50 m，方案三、方案四明渠下游航道寬均為50 m。

3-a 方案一 3-b 方案二 3-c 方案三 3-d 方案四圖3 沙溪口水電站下游近壩段代表性整治方案Fig.3 Representative regulation schemes of waterway downstream the Shaxikou hydro-junction

4 明渠型式對水流特性影響分析

4.1 邊坡處理方式影響

在明渠頂寬100 m、渠高2 m時，左側(cè)邊坡寬度40 m，占明渠寬度的40%，當水面與渠頂齊平時，左側(cè)邊坡的過流面積占明渠規(guī)則斷面的25.8%，左側(cè)邊坡的處理方式對航道分流量有較大影響，從而影響明渠內(nèi)水流特性。方案一、方案二、方案三考慮了三種邊坡處理方式，分別為高點保留同時低點填平(圖4-a)、平坡為規(guī)則邊坡(圖4-b)、清除高點同時保留低點(圖4-c)，從計算結(jié)果看，第一種方式，在左邊坡有較明顯凸起時，水流將向航道擠壓，局部流速和比降都將增大，航道內(nèi)會出現(xiàn)流速過大的現(xiàn)象，如方案一條件下，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門水位61.76 m時，最大流速超過3.5 m/s；第三種方式，在左邊坡明顯低洼處，邊坡分流量增多，局部流速和比降都將減小，明渠雍水能力得不到充分發(fā)揮，如方案三條件下，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，渠首水位雍高0.46 m，比方案一、方案二低0.49 m、0.29 m；第二種方式，一般除進出口外，航道內(nèi)流速和比降較為均勻。

圖4 明渠左側(cè)邊坡處理方式示意圖Fig.4 The schematic diagrams for left slope treatment of open channel

邊坡處理方式影響明渠雍水能力和渠首水位，對明渠進口流速也有一定影響。沙溪口電站下泄流量Q=1 000 m3/s、延福門為中線水位61.76 m時，方案一、方案二、方案三明渠進口最大流速分別為2.41 m/s、2.48 m/s、2.58 m/s，明渠進口最大流速與雍水能力呈反相關(guān)變化趨勢。

4.2 出口型式影響

明渠出口因水流擴散，一般會出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，渠尾下游航道疏挖引起的水位下降通常也會加劇出口水位下跌，從而引起航道水深不足。方案一、方案二明渠出口下游轉(zhuǎn)彎段加寬后的航道寬75 m，且方案一在明渠出口右側(cè)設(shè)置了停泊區(qū)，停泊區(qū)疏挖一般2～3 m，方案三不僅取消了停泊區(qū)，明渠下游航道寬均為50 m。沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，方案一、方案二、方案三水位最大下降0.69 m、0.31 m、0.15 m，航道最小水深0.82 m、1.25 m、1.67 m。

因明渠出口兩側(cè)擋墻不對稱及出口水位下跌，方案一水流出明渠后迅速擴散，出口流速較大，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門水位61.76 m時，方案一明渠出口最大流速超過3 m/s(圖5-a)；方案三明渠出口采用對稱型式，渠尾下延至深槽，轉(zhuǎn)彎段航道寬度由75 m縮窄至50 m，明渠出口跌水明顯減弱，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門水位61.76 m時，明渠出口流速也下降至約2 m/s(圖5-b)。

4.3 外接丁壩影響

一般認為在明渠渠頂淹沒后，受向明渠內(nèi)的翻壩水流影響而容易產(chǎn)生滑梁水。為防止滑梁水影響，方案一、方案二、方案三均在明渠右側(cè)中部布置了丁壩，但實際上，因丁壩雍水影響，不僅導(dǎo)致上下游較大的水位差，丁壩上游雍高的水流還會形成向明渠內(nèi)的翻壩水流，形成或增強滑梁水。以方案三計算結(jié)果看，沙溪口電站泄流Q=1 000 m3/s、延福門水位61.76 m時，受明渠右側(cè)兩條外接丁壩影響，丁壩附近明渠內(nèi)縱向與橫向流速均明顯大于上下游河段，在去掉丁壩后，明渠內(nèi)縱向與橫向流速減小，從采用規(guī)則邊坡、無外接丁壩的方案四來看，各級流量下，鯉魚洲洲尾下游明渠內(nèi)的滑梁水現(xiàn)象并不明顯。

4.4 明渠尺度影響

明渠長度與寬度對雍水能力有一定影響，一般情況下，明渠渠首上延后，明渠雍水能力相應(yīng)增強，但若上延長度不大時，其影響有時并不明顯。如方案二、方案三渠首比方案一分別上延150 m、190 m，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，方案三渠首位置，方案一、方案二、方案三的水位壅高分別為0.95 m、0.75 m、0.46 m，渠首上延并沒有導(dǎo)致渠首水位的明顯上升，這主要是因明渠邊坡處理方式影響所致；方案四渠首比方案二上延560 m后，從鯉魚洲洲頭水位來看，方案一、方案二、方案三、方案四分別為63.74 m、63.68 m、63.66 m、63.91 m，方案四明渠上延所引起的水位壅高較為明顯。

隨著明渠寬度縮窄，明渠雍水能力也進一步增強。從方案四來看，明渠頂寬100 m時，沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，船閘下閘首水位63.95 m，航道最小水深1.91 m，在移動左側(cè)擋墻以縮窄明渠時，頂寬每縮窄10 m時，船閘下閘首水位上升約0.04 m，航道最小水深增加約0.04 m，至明渠頂寬70 m時，船閘下閘首水位64.07 m，航道最小水深2.05 m。不同明渠寬度條件下，航道流速差別不大。小流量時，隨著寬度增大，明渠過水面積增加，流速有所下降，但在大流量時，由于水流溢出，以及各寬度系列下明渠斷面變化影響較小，明渠內(nèi)流速相差不大。

5 明渠布置原則探討

(1)明渠距離雍水目標區(qū)域不宜太遠，且一般適用于枯水河寬可縮窄河段。在作為雍水整治建筑物時，明渠雍水能力及實用條件是必須要考慮的因素。因明渠雍水主要是通過束窄枯水河床過流斷面來抬高水位，因此，整治條件下河寬能否束窄以及束窄的過流斷面面積直接關(guān)系到雍水效果。鯉魚洲右汊建設(shè)鎖壩后，實際上相當于壓縮了右汊過流斷面面積，左汊航道內(nèi)過流量增加，左汊水位得以抬升。明渠本身對枯水過流面積也具有一定束窄作用，其雍水效果與明渠長度、寬度、邊坡處理方式等有關(guān)，總體來看，航道分流量越多，雍水效果越好，但在向上游傳遞時，隨著距離增加明渠雍水效果逐漸減弱。沙溪口電站泄流Q=265 m3/s、延福門水位57 m時，方案一、方案二、方案三的船閘下閘首水位分別為63.79 m、63.75 m、63.71 m，而在僅建鎖壩而無其它工程時，船閘下閘首水位63.77 m，與上述方案相差不大，可見，各方案船閘下閘首水位壅高主要是由右汊鎖壩建設(shè)后、左汊分流量增加引起的，明渠僅抑制了由于航道開挖所引起的水位下降，對于船閘下閘首水位的雍高影響有限。方案四將渠首進一步上延后，渠首距離下引航道隔流堤堤頭約280 m，船閘下閘首水位可雍高至63.95 m，可見，明渠作為雍水整治建筑物時，為保證雍水效果，距離雍水目標區(qū)域不易太遠。

(2)明渠應(yīng)沿主流方向布置，明渠內(nèi)外地形應(yīng)有利于水流的平順。在明渠作為一類特殊的限制性航道時，應(yīng)注意明渠內(nèi)外側(cè)水流對航道的影響。當明渠邊坡較寬時，要注意邊坡型式可能的影響，尤其注意因邊坡凸凹引起水流的突擴和突縮，從而造成流速增大或是水位下跌，為保持較好的航道水流條件，明渠內(nèi)側(cè)地形應(yīng)有利于水流的平順。

為減輕明渠外側(cè)翻壩水流對明渠內(nèi)航道的影響，應(yīng)盡可能保持明渠外水流平順，主要應(yīng)注意三個方面的問題，一是明渠軸線應(yīng)沿主流方向布置；二是在明渠外側(cè)應(yīng)慎用丁壩，因丁壩的雍水作用，丁壩上游水位升高后，將增強甚至產(chǎn)生滑梁水；三是應(yīng)注意明渠外側(cè)束窄段對明渠內(nèi)側(cè)水流的影響，為保持明渠外側(cè)水流平順，必要時應(yīng)對束窄段進行拓寬。

(3)明渠出口應(yīng)采用對稱型式，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏。因水流擴散，明渠出口極易產(chǎn)生跌水，從而造成航道水位陡降、流速增大、水深不足等問題，為減小跌水影響，明渠出口擋墻應(yīng)對稱布置，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏，若一側(cè)地形過低，將會增強出口水流的擴散，跌水將會增強，因此，明渠出口處不宜布置停泊區(qū)；當兩側(cè)地形過高時，中洪水流量下，明渠兩側(cè)水流在明渠出口處與明渠內(nèi)水流交匯，極易形成剪刀水。

6 結(jié)論

本文從技術(shù)角度研究了明渠布置型式對水流特性的影響，并探討了雍水整治條件下的明渠平面布置原則，主要結(jié)論如下：

(1)明渠尺度、邊坡處理方式，出口型式、外接丁壩等布置型式對明渠內(nèi)航道的水流特性均有一定影響，在作為雍水整治建筑物時，明渠布置主要原則有：距離雍水目標區(qū)域不宜太遠，且一般適用于枯水河寬可縮窄河段；應(yīng)沿主流方向布置，明渠內(nèi)外地形應(yīng)有利于水流的平順；出口應(yīng)采用對稱型式，出口兩側(cè)地形應(yīng)避免大的起伏。

(2)通過合理布置明渠和對明渠附近河槽形態(tài)進行整治，可以避免和消除明渠內(nèi)跌水、滑梁水、剪刀水等不良水流流態(tài)，獲得滿足船舶安全航行所需要的水流條件，以較小經(jīng)濟代價實現(xiàn)對內(nèi)河船閘下游近壩段水位下降的治理。但仍需要關(guān)注航道疏挖及跌水等引起的航道水深不足問題。

(3)長距離明渠是一類特殊的限制性航道，其通航問題不僅涉及到水流條件，還涉及到駕駛習慣，需要注意船舶的通航安全問題。此外，沙溪口船閘下游口門區(qū)通航水流條件問題也仍需要進一步研究論證。