五强溪枢纽船闸通航条件改善措施研究与创新

路莅枫， 普晓刚

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司, 湖南 长沙 410004； 2.交通运输部 天津水运工程科学研究院， 天津 300000)

五强溪枢纽船闸通航条件改善措施研究与创新

路莅枫1， 普晓刚2

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司, 湖南 长沙 410004； 2.交通运输部 天津水运工程科学研究院， 天津 300000)

五强溪枢纽船闸1995年建成通航以来，船闸下游引航道口门区及近闸段中洪水期碍航问题成为沅水高等级航道畅通的瓶颈。该问题纳入了湖南省“十三五”高等级航道建设项目重点解决的议题，通过严谨的物理模型试验创新地提出了桩基透空式导流屏改造方案，2016年3月工程完工并达到了预期效果。

船闸； 五强溪枢纽； 通航条件； 导流； 模型试验

1 概述

五强溪枢纽位于沅水干流下游湖南省沅陵县境内，枢纽建筑物由混凝土重力坝、右岸坝后式主、副发电厂房、9孔溢流坝及泄洪中孔和左岸三级船闸等组成，一列式布置。电站总装机1200 MW，安装5台240 MW轴流式机组，单机满发流量615 m3/s(基荷流量390 m3/s)；船闸为一线三级500 t级，下游导航墙堤长274.6 m，口门宽50 m。下游最低通航水位49.99 m(最低通航流量390 m3/s对应水位),口门区水深富裕，距下游引航道口门约800 m处为缆子湾大桥。

1995年2月船闸正式通航。枢纽所处河段为典型的山区河流，受河道边界条件、枢纽运行及既有工程的影响，船闸下游口门区及近闸段通航流态较差，仅流量在1940 m3/s以下时，船闸下游口门区航道内水流条件基本满足通航要求，远低于设计最大通航流量7800 m3/s。2014年底，沅水浦市至常德航道建设工程开工建设，该项目对五强溪枢纽船闸下游引航道口门区通航水流条件进行了物理模型试验研究和创新，确定了导流结构方案，实施效果达到了预期。

2 物理模型设计制作和验证

为保证模型的水流运动相似和船模航行相似，整体模型为定床正态，几何比尺选用1∶100，按重力相似准则进行模型设计，同时兼顾到船模的相似性要求。模型制作以工程设计单位提供的实测1∶2000河道地形图为依据，平面放样采用平面导线控制系统，地形制作采用断面法。根据坝区河段河床、地貌及原型河床糙率情况，在制模时，采用梅花加糙的方法对模型进行了加糙处理。为保证模型进口水流平稳和流量分配与原体相似，在模型进口加设消波和分流设施。模型布置见图1。

图1 模型平面布置示意图

模型进口采用自动流量控制系统，流场和流速数据均采用自动采集设备进行数据采集。与物理模型一致，船模设计为几何正态，比尺为1∶100。试验船型为500 t级船舶。船模制作完成后进行船模与实船的相似性校准，采用实时测量系统进行船模航行数据采集，记录船模航行过程中的航向角、漂角、漂移距、航速等参数，配合绘图软件，绘制打印船模航态图和航行参数变化图。

模型建成后进行了水工模型沿程水面线验证和断面流速分布验证。验证结果均满足相关技术规程要求，确保了在此基础上进行模型试验成果的可靠性。

3 模型试验条件和技术要求

3.1 试验流量条件

试验选取了10级典型流量进行水位、流场观测，所选流量如表1所示。

表1 模型试验特征流量

3.2 航线布置

试验确定口门区长度为300 m，方向与船闸轴线平行，口门区宽度为50 m。五强溪枢纽船闸位于左岸，原天然航道亦位于左岸侧，船舶(队)出下游引航道口门区后直接进入原天然主航道，枢纽船闸下游可不设连接段航道，而直接定义为口门区以下航道。

3.3 测流断面及测点布置

枢纽下游河道流场测量以坝轴线为基准，沿主河道向下游约80 m为一个测流断面，每个测流断面测点间距为20 m。枢纽下引航道口门区内从堤头开始每隔50 m布置一个测流断面，共设7个断面，每一个断面在航道范围内布置7个测流点，航中线一点，左右每隔8 m设一个测点。

3.4 通航标准

1) 口门区通航水流标准。引航道口门区表面流速： 纵向流速≤2 m/s，横向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.40 m/s。

2) 船舶进出口门区航行标准。船舶或船队在口门区航行时，为保证安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角应不大于20°，航行漂角应不大于10°。船模在航道航行时，上行的难易程度以对岸航速不得小于4 km/h来判定。

4 改善船闸通航条件的导流结构方案与创新

物理模型对五强溪船闸通航条件改善开展了多个类型的导流结构方案研究：方案1船闸下游导流墩方案、方案2船闸下游口门区与近闸段河床形态挖槽方案(左挖槽方案、右挖槽方案)、方案3船闸下游桩基隔流堤方案、方案4船闸下游桩基透空式导流屏方案。各类型导流结构均分别进行了3组以上不同方案的对比和优化。

4.1 导流墩方案

方案1： 堤头下游共布置7个长20 m、宽3 m的菱形导流墩，墩间距20 m；方案2：堤头下游共布置9个导流墩，尺寸同方案1，1#～6#墩间距10 m，6#～9#墩间距20 m；方案3：在方案2的基础上将堤头附近深槽回填至45.0 m高程。

模型试验通过对导流墩不同布置方案下口门区通航水流条件改善效果研究，对比分析各方案，得出方案3(即在引航道布置9个导流墩，其中1#～6#墩间距10 m，6#～9#墩间距20 m，并对导航墙外侧冲沟及堤头附近深槽进行回填)对引航道口门区水流条件改善效果相对较优。该方案在Q≤3500 m3/s时，口门区通航水流条件满足规范要求；Q>3500 m3/s时，口门区内最大横向流速超出规范限值，通航水流条件不能满足规范要求。

4.2 挖槽方案

左槽方案： 疏挖区位于枢纽左侧3#～5#泄水闸消力池以下至导航墙堤头以下760 m处，挖槽范围总长1170 m，底宽75 m，边坡1∶1。右槽方案： 疏挖区位于电站以下至揽子湾大桥处，挖槽范围总长1490 m，底宽75 m，边坡1∶1。右槽优化方案：在右槽方案的基础上，结合原导航墙外侧冲沟及堤头附近深槽回填，并沿堤头布置4个导流墩。

挖槽方案对比研究成果表明，单纯的挖槽方案对引航道口门区水流条件改善效果并不理想，右槽方案改善效果优于左槽方案。挖槽方案在挖槽底标高为42.0 m情况下，Q≤3500 m3/s时口门区通航水流条件满足规范要求。而在洪水流量下，挖槽对枢纽下游断面流速分布调整作用逐渐减弱，口门区水流条件改善效果不佳。

通过对右槽方案优化，Q≤6500 m3/s时，口门区通航水流满足规范要求，在最大通航流量Q=7800 m3/s时，口门区仅个别测点横向流速超出规范要求。因此，优化后的挖槽方案：右槽+深槽回填+导流墩的方案，对口门区通航水流条件改善效果较好，最大通航流量以下口门区水流条件基本满足规范要求。

4.3 隔流堤方案

隔流堤方案1： 分为15段，由16个桩基连系墩和15段插板组成，总长307 m。隔流堤方案2：对方案1优化，即在导航墙堤头以下130 m范围深槽进行回填，回填标高至45.0 m，并降低1#～8#墩间插板底标高至最低通航水位以下1.5 m，减小引航道口门区引流量，削弱回流及斜流的影响。隔流堤方案3：对方案2再优化，即在原导航墙外侧新建2条潜坝，距离堤头分别为150、75 m，潜坝轴线与导航墙夹角为45°，坝长78 m，坝顶高程为53 m。

研究成果表明： 隔流堤方案实施后，船闸下引航道口门区回流范围较工程前有所减小，回流强度略有增大；中枯水流量下口门区内横向流速有所减小，但尽管采取了多种措施减小引航道口门区引流量，横向流速仍超出规范要求；洪水流量下口门区内产生漩涡、泡漩水等不良流态，对船舶航行不利。因此，隔流堤方案对引航道口门区水流条件改善效果不佳。

4.4 桩基透空式导流屏方案

桩基透空式导流屏是通过本次试验提出的一种创新型导流建筑物。该方案结合桩基隔流堤与导流墩各自优势，通过插板限制表层斜向水流，通过插板间间隔向引航道内引入部分表层水流压缩口门区内回流，通过底部透空孔引入底部水流分担部分引流量，相互限制，相互抵消，以达到削弱口门区内斜流强度及泡漩水的效果。桩基透空式导流屏结构型式见图2，方案平面布置见图3。

图2 桩基透空式导流屏结构型式图

图3 桩基透空式导流屏方案平面布置图

桩基透空式导流屏由灌注桩、承台及插板组成，分为15段，总长324 m。导流屏中心轴线顺航线平行布置，距航道右边线5.5 m。每隔20.8 m中心间距布置一承台，承台高3 m，底标高45.0 m，最上游的承台与原有导航墙紧密衔接，承台上部为2根直径3 m、间距2.5 m混凝土桩，桩上设有插槽，在插槽范围内布置插板，插板分为10块等高分层排列，每块插板高1 m、宽0.8 m、长20 m。

在此基础上，对导流屏方案进行多方案优化对比。其中，导流屏优化方案1：以减小底部过流量为出发点，对堤头附近深槽进行回填，回填标高至45.0 m，试验表明整体回填工况下原设计方案发生的引航道口门区局部范围内花水现象基本消失。导流屏优化方案2：对缩短导流屏长度进行研究，节省工程量。

通过对导流屏方案及其优化方案的研究表明，各通航流量级下，引航道口门区回流范围较工程前有所减小，通过不同回填范围优化和导流屏长度优化后，在口门区附近深槽整体回填至45.0 m时，Q=7800 m3/s流量下，口门区150～200 m范围内航中线右侧航道个别测点横向流速最大为0.33 m/s，略高于规范限值，口门区通航水流条件基本满足规范要求。

自航船模试验研究结果表明： 各通航流量级下，船模均能够安全通过口门区段航道，当流量为7800 m3/s时，船模经过口门区最大漂角为-9.0°，所需最大舵角为19.4°。船模航行条件较导流屏方案实施前改善明显，能够满足船模安全航行要求。

5 结论

国内外学者研究了船闸口门区多种透空式结构改善水流条件的措施，如导流墩、开孔导航墙、浮式导流堤、透空式导流墙等方法。工程实践中，为解决已建枢纽船闸口门区通航条件困难问题，需结合现场地形等边界条件和现有研究成果，采取多种工程措施相结合的方法，不能生搬硬套。导流结构设计的主要参数、结构形式需要通过物理模型试验进行综合对比、优化分析和试验验证，才能达到有效改善口门区通航水流条件的目的。

五强溪枢纽船闸下游引航道桩基透空式导流屏方案通过模型试验选定，按照试验成果实施了引航道改造工程施工。2016年3月底改造工程顺利完工，从完工以来通航条件效果观测情况来看,新建导流结构很好地改善了引航道口门区水流条件，改造前口门区碍航问题得到很好地解决。

[1] 交通运输部天津水运工程科学研究所. 五强溪枢纽船闸下游引航道口门区通航条件物理模型试验研究报告[R]. 2015.

[2] 湖南省航务勘察设计研究院. 沅水浦市至常德航道建设工程初步设计文件[R]. 2014.

[3] 李伟. 透空隔流堤对船闸引航道口门区水流条件影响研究[D]. 长沙: 长沙理工大学，2007.

[4] 王玮，卢文蕾. 嘉陵江船闸透空式导航墙的研究及应用[J]. 水道港口，2013(4).

[5] 周家俞，尹崇清，段金曦，等. 渠江风洞子船闸导航墙透空型式效果研究[J]. 中国水运(下半月刊), 2010(10).

[6] 徐小梅，王峰.游埠枢纽下游引航道及口门区隔墙优化数学模拟研究[J]. 人民珠江，2011(1).

2017-05-05

路莅枫(1973-)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事水运重点建设项目工程管理。

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

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