徐艷亮，王志鵬

(江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330008)

航電樞紐工程可從根本上改善壩上河段的通航條件，兼顧發(fā)電、防洪、灌溉、環(huán)保、旅游開發(fā)等綜合效益。在樞紐總體布置中須合理布置通航建筑物、擋水及泄水建筑物、水電站等樞紐建筑物，科學(xué)處理好通航安全、發(fā)電效益、泄洪排沙、灌溉需求等之間的關(guān)系?！肚こ虡屑~總體布置設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]對(duì)樞紐總體布置作了原則性和強(qiáng)制性規(guī)定，因不同的樞紐所處河段條件不同，工程的選址與布置原則存在差異。

井岡山航電樞紐工程地處贛江中游河段是一座以航運(yùn)為主、兼顧發(fā)電等綜合利用的低水頭航電樞紐，可為萬安電站做反調(diào)節(jié)，改善通航條件，建設(shè)該樞紐是實(shí)施贛江渠化通航的重要一環(huán)。工程所在河段的航道通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ級(jí)，水庫正常蓄水位推薦采用67.5 m，死水位為67.1 m，電站裝機(jī)容量為133 MW，水庫日運(yùn)行方式為反調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，汛期采用預(yù)泄方式運(yùn)行。樞紐主要由通航建筑物、電站廠房、泄水建筑物、過魚建筑物、兩岸擋水建筑物和右岸防護(hù)堤等組成。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析推薦窯頭壩址作為代表性壩址。壩址所處河谷為“U”形寬谷，河道微彎，主河道位于河床中部略偏左岸，兩岸岸坡平緩，壩軸線處河谷谷底寬約700 m，正常蓄水位高程處河谷寬度1 048 m。樞紐考慮船閘、水電站同岸和異岸布置2種集中布置方案。綜合比較分析方案優(yōu)劣，并通過樞紐總體布置水工模型試驗(yàn)論證樞紐總體布置的合理性，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并給類似寬淺河道條件下的低水頭樞紐總體布置提供參考。

1 樞紐布置原則

參考大藤峽水利樞紐[2]、大源渡航電樞紐[3]、新干航電樞紐[4]、株洲航電樞紐[5]、大頂子山航電樞紐[6]等樞紐平面布置經(jīng)驗(yàn)以及許錫賓[7]、吳澎[8]等學(xué)者對(duì)航電樞紐布置的研究，結(jié)合本工程任務(wù)和樞紐建筑物，樞紐總體布置時(shí)考慮以下5個(gè)原則。

1)保障防洪度汛安全。贛江洪水一般由暴雨形成，具有峰高量大、陡漲陡落的特點(diǎn)。泄水建筑物宜利用主河床布置，使得泄水建筑物運(yùn)行安全、可靠，確保工程安全。

2)保障通航條件。結(jié)合壩址的地形、地質(zhì)及壩址區(qū)天然航道條件，合理進(jìn)行船閘總體布置，使船閘線路順暢，上、下游引航道與天然航道平順連接，且口門區(qū)和連接段的通航水流條件滿足船舶安全進(jìn)出閘的要求，盡量減少泄洪和發(fā)電對(duì)過閘船舶航行安全影響；

3)保障施工條件、施工周期和施工期通航條件。綜合考慮施工布置要求，使施工方便；細(xì)化導(dǎo)流方案，兼顧施工期通航要求和利用圍堰提前擋水發(fā)電，并有利于縮短工期。

4)考慮遠(yuǎn)期建設(shè)。本工程采用雙線單級(jí)船閘，參考贛江已建樞紐及在建樞紐的船閘建設(shè)方案，近期先建一線。當(dāng)贛江航建事業(yè)發(fā)展一線船閘不能滿足過壩運(yùn)量要求時(shí)，再建另一線船閘。

5)考慮工程量和造價(jià)。充分利用現(xiàn)有河堤，減少右岸窯頭防護(hù)土石壩工程量。

2 總體布置方案比較

2.1 樞紐布置方案

項(xiàng)目前期階段根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，進(jìn)行多種樞紐總體布置方案研究。研究認(rèn)為壩址左、右岸均有布置通航建筑物和電站廠房的條件，若船閘布置在右岸漫灘，引航道須通過漫灘至通津河口上游接天然航道，長度達(dá)4 km，致使下游引航道開挖與回填量大。從運(yùn)行條件上看，右岸船閘運(yùn)行條件差、航道運(yùn)行維護(hù)工程量大，因此船閘布置在左岸較為合適，樞紐布置主要考慮廠房左、右岸布置2種形式，并結(jié)合導(dǎo)流分期形成2種布置方案：方案1(圖1a))樞紐左岸布置船閘、魚道、電站廠房，采用三期導(dǎo)流方案；方案2(圖2b))樞紐左岸布置船閘，右岸布置電站廠房、魚道，采用二期導(dǎo)流方案。

圖1 樞紐總體布置方案

2.2 方案比選

方案1和方案2的船閘均布置在左岸，平面布置區(qū)別在于方案1電站廠房和魚道在左岸緊鄰船閘布置，方案2的電站廠房和魚道布置在右岸灘地上。兩方案在船閘運(yùn)行方面，上、下游口門區(qū)經(jīng)一定工程措施改善均可滿足通航條件，電站廠房和泄水閘運(yùn)行條件無實(shí)質(zhì)性差異。兩方案優(yōu)劣如下：

1)方案1魚道布置在船閘和廠房之間的引航道土石隔流堤上，方案2魚道布置在右岸灘地上，魚道布置條件方案2優(yōu)于方案1。

2)方案1采用三期導(dǎo)流方案，方案2采用二期導(dǎo)流方案，兩方案在施工導(dǎo)流技術(shù)上均可行，不能通航時(shí)間均為4個(gè)月。方案1能利用三期圍堰提前擋水發(fā)電。方案2一期工程利用電站廠房全年圍堰圍右岸電站廠房，左岸船閘全年圍堰圍左岸船閘，廠房和船閘能盡早開工并全年施工。

3)方案1與方案2施工場(chǎng)地均左、右岸布置，方案1一期主要布置在右岸，二期主要布置在左岸，三期又返回右岸布置，總工期60個(gè)月，二期導(dǎo)流和三期導(dǎo)流期間存在上游圍堰擋水洪水水位超過水庫設(shè)計(jì)淹沒影響范圍紅線的情況，施工期度汛水位高于水庫淹沒水位，超出部分需考慮臨時(shí)淹沒補(bǔ)償。方案2左、右岸分別布置2套獨(dú)立的施工場(chǎng)地，總工期51個(gè)月，一期、二期枯水圍堰均在汛期拆除，汛后進(jìn)行恢復(fù)，施工期臨時(shí)淹沒問題較方案1小。

4)由于方案1船閘上、下游隔流堤采用基坑開挖石碴回填，方案2采用墩板式結(jié)構(gòu)，方案2導(dǎo)流程序比方案1復(fù)雜，使工程總投資多出約1.2億元。

2.3 推薦方案

經(jīng)綜合比較可知，方案2魚道布置條件優(yōu)于方案1，施工期臨時(shí)淹沒的問題較小，完工時(shí)間早(較方案1早9個(gè)月)，首臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)間早，但工程總投資多出約1.2億元?？紤]完工工期和提前發(fā)電等因素，推薦方案2為樞紐布置方案，推薦樞紐布置從左岸至右岸依次為：左岸土石壩、船閘、8孔左區(qū)泄水閘段、縱向圍堰壩段、15孔右區(qū)泄水閘段、廠閘導(dǎo)墻壩段、廠房壩段、安裝場(chǎng)壩段、魚道壩段、右岸土石壩，壩軸線總長1 070.3 m。

3 樞紐總體布置模型試驗(yàn)研究

采用比尺為1:100水工整體模型和船模試驗(yàn)，從樞紐布置、上下游引航道通航條件、施工導(dǎo)流等關(guān)鍵因素論證樞紐總體布置的合理性。

3.1 泄流與消能

進(jìn)行23孔泄水閘敞泄、右區(qū)15孔單獨(dú)敞泄、左區(qū)8孔單獨(dú)敞泄、控泄工況研究表明，泄水閘敞泄、右區(qū)15孔單獨(dú)敞泄、右區(qū)泄水閘均勻控泄，樞紐上下游河道水流狀態(tài)穩(wěn)定，無大范圍不良流態(tài)，僅樞紐下游部分邊角部位存在小范圍回流，泄水閘過流總體平順，閘后形成淹沒水躍，小流量控泄電站尾水跌落。樞紐敞泄壩前泄水閘進(jìn)流右區(qū)閘孔流速一般較左區(qū)大，控泄閘前進(jìn)流均衡。消力池、消力坎、海漫流速分布相對(duì)均勻，消力坎坎頂流速最大，坎后海漫流速減小0.5～1.0 m/s。壩后300～800 m斷面流速逐漸呈天然分布，樞紐泄流具有明顯的消能效果。但在各種運(yùn)行工況下敞泄時(shí)廠閘導(dǎo)墻、泄水閘隔墻、上航道隔墻兩側(cè)均存在水位差，Q≥24 400 m3/s(P= 0.2%)后，電站與泄水閘間上游導(dǎo)墻左右水位差最大約1.3 m。若左區(qū)8孔單獨(dú)敞泄5 900 m3/s，上引航道隔墻兩側(cè)最大水位差約1.3 m，左、右區(qū)泄水閘隔墻兩側(cè)最大水位差約3.3 m，影響隔墻穩(wěn)定，應(yīng)盡量避免左區(qū)8孔單獨(dú)運(yùn)行。

3.2 船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件及改善措施

3.2.1上游引航道口門區(qū)及連接段

3.2.1.1通航水流條件特點(diǎn)

受上游微彎凸岸和隔流墻分水建筑物影響，水流向河心側(cè)擴(kuò)散。各流量級(jí)隔水墻末端上游200～500 m范圍內(nèi)的水流向右略有偏向，水流條件基本滿足通航要求。隨著流量的增大，口門區(qū)水流方向與航跡線夾角向下游逐漸增大，受隔流墻頭部布置影響引起的斜向效應(yīng)愈加明顯，雖在Q≤11 800 m3/s(P=20%)時(shí)表面流速均小于規(guī)范要求值(表1)，但在口門區(qū)0～200 m范圍內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向流速超標(biāo)，最大橫向流速達(dá)0.39～1.45 m/s，存在較大范圍的強(qiáng)勁橫流區(qū)域。Q≥6 000 m3/s后口門區(qū)0～100 m僅口門區(qū)左側(cè)20～40 m寬航道可基本滿足通航要求。

表1 推薦方案上游口門區(qū)水流特征值

3.2.1.2通航水流條件優(yōu)化措施

試驗(yàn)研究表明，單純縮短隔水墻方案尚不能滿足通航水流條件要求，縮短隔水墻450 m并增設(shè)150～250 m透水墻可改善上游引航道口門區(qū)通航水流條件，但須配合設(shè)置3～4個(gè)導(dǎo)流墩才能發(fā)揮作用。考慮造價(jià)及工期，提出優(yōu)化方案：自船閘上游580 m起設(shè)置240 m長透水墻，直段為100 m，轉(zhuǎn)彎段為140 m，見圖2a)。單個(gè)透水孔高2.5 m，長17.0 m，底部高程60.5 m，見圖2b)。由于接近透水墻斜流較強(qiáng)，調(diào)整航線右側(cè)邊際線距離透水墻22 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案引航道口門區(qū)水流順暢，進(jìn)入透水墻段水流偏角較小，流速比單純縮短隔流墻方案減小明顯，Q=14 100 m3/s時(shí)，最大水流表面流速較原方案減小至1.86 m/s。在泄洪閘敞泄條件下，Q≤8 000 m3/s時(shí)，引航道口門區(qū)僅零星測(cè)點(diǎn)橫向流速輕微超標(biāo)，最大為0.46 m/s(位于航道右邊線右側(cè)10 m)，基本可滿足通航要求；Q> 8 000 m3/s時(shí)，口門區(qū)0～200 m范圍右側(cè)局部區(qū)域橫向流速稍超規(guī)范，為0.31～0.47 m/s，以v≤0.35 m/s控制，有75 m航寬可滿足通航要求。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行船模試驗(yàn)，下泄流量11 800、14 100 m3/s時(shí)，僅當(dāng)船隊(duì)上行出口門(上行航道中心線于船閘中心線外側(cè)20 m)，主操左舵克服口門區(qū)斜流的作用，船隊(duì)艉部有一定程度的外漂現(xiàn)象，最大舵角30°、漂角15.2°，對(duì)此時(shí)進(jìn)閘船隊(duì)正常航行無礙；其余各級(jí)工況條件下，船隊(duì)上、下行航行指標(biāo)滿足船隊(duì)安全進(jìn)、出口門區(qū)的航行標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 上引航道口門區(qū)透水墻布置與結(jié)構(gòu)(高程：m；尺寸：mm。下同)

3.2.2下游引航道口門區(qū)及連接段

3.2.2.1通航水流條件特點(diǎn)

下游引航道口門至下游300 m范圍近岸靠土石堤側(cè)存在大范圍回流，最大回流值達(dá)0.42～0.77 m/s，Q≥8 000 m3/s口門區(qū)段存在較強(qiáng)的斜向水流，導(dǎo)致航道中心線附近橫向流速略微超標(biāo)，最大橫向流速為0.45 m/s，且個(gè)別測(cè)點(diǎn)縱向流速超過2.0 m/s。在各級(jí)流量下，僅Q=6 000 m3/s敞泄工況水流條件可滿足規(guī)范要求。表2為推薦方案下游口門區(qū)水流特征值。

表2 推薦方案下游口門區(qū)水流特征值

3.2.2.2通航水流條件優(yōu)化措施

試驗(yàn)研究表明，單純縮短隔水墻方案引航道口門區(qū)橫向流速得到改善，基本滿足規(guī)范要求，但近岸區(qū)域回流長度仍達(dá)300 m，最大回流0.42 m/s。為進(jìn)一步壓縮回流，探索隔水墻縮短并增設(shè)透水墻方案，即隔流墻縮短594 m之后，向右偏轉(zhuǎn)2°設(shè)置長260 m透水墻(圖3)，孔高1.5 m。下游透水墻結(jié)構(gòu)與上游類似，僅孔高及高程發(fā)生變化。該方案下口門區(qū)回流區(qū)段縮短至約120 m范圍內(nèi)，自透水段100 m處起，引航道內(nèi)水流與航跡線基本一致，且流速比原方案減小明顯。在Q=14 100 m3/s敞泄條件下，水流表面流速最大僅1.6 m/s，最大橫向流速僅0.17 m/s，連接段航道流速最大水流表面流速小于2.0 m/s，橫向流速無超標(biāo)；在Q為11 800和14 100 m3/s條件下，僅透水墻段回流略微超標(biāo)，最大回流分別為0.43、0.48 m/s；其他流量條件下，透水墻段及口門區(qū)水流條件可滿足通航要求。經(jīng)船模試驗(yàn)驗(yàn)證可知，各級(jí)工況條件下，船隊(duì)進(jìn)出下游引航道口門，上、下行航行指標(biāo)均滿足船隊(duì)安全進(jìn)、出口門區(qū)的航行標(biāo)準(zhǔn)，航行姿態(tài)較好。

圖3 下引航道口門區(qū)設(shè)置透水墻布置

3.3 電站水流條件

3.3.1電站上游水流條件及優(yōu)化

原布置方案電站上游隔墻長125 m，頂高67.5 m，在水位66.0～67.5 m電站發(fā)電期間，隔墻右側(cè)形成較大范圍的逆時(shí)針回流區(qū)，流速分布不均勻，影響機(jī)組均勻進(jìn)流。Q=2 250 m3/s，機(jī)組滿發(fā)時(shí)廠前回流區(qū)部分測(cè)點(diǎn)流速超過1.5 m/s，隔墻兩側(cè)存在最大0.2 m的水頭差。對(duì)隔墻長度和頂高程進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)隔墻按長100 m、樁號(hào)0-025 m至壩前保留頂高68.5 m隔堤，樁號(hào)0-025～0-100 m保留頂高61 m設(shè)置，電站前回流基本消失，引水渠內(nèi)流速分布相對(duì)均勻，66.0 m水位Q=2 250 m3/s電站滿發(fā)情況下，廠前流速都小于1 m/s，機(jī)組進(jìn)流均勻。

3.3.2電站下游水流條件及優(yōu)化

原布置方案電站尾水出口受右側(cè)岸邊地形影響，向左頂托電站出流，形成跌水，在導(dǎo)墻兩側(cè)形成水頭差，最大達(dá)2.51 m，影響機(jī)組出力。通過對(duì)岸邊從0+230 m向下游以半徑為300 m、圓心角30°的圓弧與下游岸邊地形銜接、渠底開挖高程56 m的地形修改(圖4)，尾水渠內(nèi)水流狀態(tài)明顯改善，導(dǎo)墻兩側(cè)水位差由1.13～2.51 m減小到0.35～0.86 m，導(dǎo)堤左右側(cè)水位差顯著降低。

圖4 電站尾水渠整治方案(單位：m)

4 結(jié)論

1)對(duì)比各方案優(yōu)劣，考慮完工工期和提前發(fā)電等因素，推薦樞紐總體布置采用左岸布置船閘，右岸布置電站廠房、魚道，施工采用二期導(dǎo)流。

2)樞紐敞泄時(shí)廠閘導(dǎo)墻、泄水閘隔墻、上航道隔墻兩側(cè)均存在水位差，左區(qū)8孔單獨(dú)敞泄時(shí)，上引航道隔墻兩側(cè)及左右區(qū)泄水閘隔墻兩側(cè)水位差較大，應(yīng)盡量避免左區(qū)8孔單獨(dú)運(yùn)行。

3)采取縮短船閘上游隔水墻并增設(shè)透水墻、調(diào)整優(yōu)化航線，下游縮短隔水墻后向右偏轉(zhuǎn)2°設(shè)置透水墻等工程措施后，上游引航道口門區(qū)強(qiáng)勁橫流減小，下游引航道口門區(qū)回流壓縮，上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件改善，滿足規(guī)范要求。

4)采取縮短電站上游隔墻長度和分段調(diào)整頂高程等工程措施后，電站前大面積回流基本消失，引水渠內(nèi)流速分布均勻。對(duì)電站下游地形進(jìn)行疏挖修改后，電站尾水跌水現(xiàn)象消失，尾水渠內(nèi)水流狀態(tài)明顯改善，導(dǎo)堤左右側(cè)水位差顯著降低。