新型桩基透空式导流屏结构对改善下游口门区航道水流条件的作用

◎沈科 湖南省水运建设投资集团有限公司

1.工程概况

五强溪水电站位于沅水下游的湖南省沅陵县境内，水电站承担防洪、航运等多种功能，整个水电站枢纽建筑物主要有河床溢流坝、坝后式厂房和三级船闸组成，坝顶长度719.7m，坝顶高程117.5m，正常蓄水位108.0m。紧挨原实体导航墙布置的透空式导流屏是从上游至下游分别平行错位布置连系墩和插板，各联系墩与原导航墙稍朝内侧偏转19.1°，总长218.523m。

2.船闸通航现状分析

分析沅水五强溪水电站船闸下游引航道口门区通航现状，设计现状分析模型并分级模拟，收集不同流量等级下的下游引航通航水流流速、流态以及是否存在不良流态。根据模拟试验分析结果，受到地形与河床形态的影响，枯水流量下水电站尾水水流方向会发生偏移，向左偏转到河道礁石地带，并且在水流形态的影响下存在部分的水流绕过礁石带后继续向导航墙外侧冲刷，产生旋涡、泡漩水等不良流态，最终进入船闸下游引航道口门区；而在流量为中洪水时，水流同样发生偏转，最后绕过堤头进入船闸下游引航道口门区。

以模拟试验与实际测量为参考，可发现当上游来流量Q＜1500m3/s时，船闸下游引航道口门区通航水流条件良好，流态稳定；当上游来流量Q为2500m3/s时，堤头下100～200m航中线右侧横向流速较大，超出了船舶航行安全标准范围，通航条件不稳定；当上游来流量Q≥3500m3/s时，五强溪水电站船闸下游引航道口门区横向流速较大、水流流态稳定性较差，船舶在进出口门区难度系数较大；当上游来流量Q＞6500m3/s时，船舶无法进出下游口门区，无法实现航行。

综合分析试验结果后发现，沅水五强溪水电站船闸下游引航道口门区存在影响通航的主要原因包括：其一，该下游口门区下方深槽会使水流在此集中，同时受到下游导流堤长度（275m）的影响，主流斜穿阻力较大；其二，下游河道宽度呈现逐渐收缩的状态，同时受到河床形态的限制，即下游河道左侧为深槽，右侧为边滩，这就使得下游口门区航道与主流流向交角角度较大，进一步增加了下游口门区横向流速与回流流速。

3.船闸实际通航试验分析

3.1 透空式方案试验

开展船闸实际通航试验分析，根据计划场区的各岩土层的物理性质、力学性质编制透空式方案，确定工程基础持力层所在的岩层与位置。具体分析如下：（1）冲填土，厚度难以满足持力层设计需要，松散性强，分布情况较复杂，故不考虑作为持力层并清除；（2）强风化岩板，根据现场重型动力触探试验，结合岩体实测击数＞50击的实际情况确定岩体等级，具体为V级，可作为工程基础持力层，且经反复研究与确定，持力层承载力设计数值fd=350kPa。

3.2 导流屏方案试验

导流屏是一种安装在河床上的导流建筑设施，可以根据整治工程的实际需要调整安装角度，使其与水流形成一定角度，其中导流屏与水流相交面为导流屏内侧，与水流不迎面的一侧称之为导流屏外侧。根据沅水五强溪水电站船闸下游引航道口门区实际情况，并结合经验布置导流屏，控制导流屏角度，具体将其控制在15～25°，同时设计导流屏高度与长度。

在不同位置设计导流屏的作用有所不同，选择在河道弯道段布置导流屏的主要目的是激发次生环流，使其与做曲线运动的水流相抵触，控制横向环流，调整剪应力分布；选择在河道顺直段设置导流屏的主要目的是激发次生环流，带动近地含沙量较大的水流，改变河道淤积情况。同时，设置导流屏还能够增加局部水流阻力，降低通航区的横向流速，便于开展河道泥沙清淤。

3.3 模型布置及通航标准

立足五强溪枢纽船闸具体情况，综合考量船闸下游的地形地质情况、河床变化方向、河床糙率以及河道特征等实际，确定模拟试验的模型，按照1∶100的比例设计定床正态模型。根据工程概况调查可确定模拟河道原长度为5.2km，坝址上下游分别为1.2km与4km，河道宽度变化范围为400～900m。根据1∶100比例可确定模型河道长度应为52m，并设计梅花加糙，确保模型与原河道的一致性。完成模型制作后进行质量验收，并且模型左右河岸水面线与原河道天然水面线相似，水流运动与原河道水流情况基本一致，阻力、断面流速分布与原河道相似度较高。

采用浸入边界法作为模型建立方法，在沅水五强溪水电站船闸下游引航道口门区设计建造三维水流模型，最大横向流速为0.3m/s，并基于桩基透空式导流结构设计要求与参数设置，判别船闸下游引航口通航水流条件。

为了满足船舶进入口门区的通航与安全需要，应将下游引航道口门区表面横向流速控制在0.3m/s范围内，并且满足纵向流速≤2m/s的通航安全标准，回流流速≤0.4m/s的通航安全要求，还要保证船舶的操舵角≤20°，船舶的航行漂角≤10°。

3.4 导流墩试验设计

确定导流屏设计方案后先布置导流敦，选择在堤头下游位置布置菱形导流敦，数量共为9个，导流墩的规格为20×3m，1～6号导流墩的布置间距为10m，6～9号导流敦的布置间距为20m，同时开展堤头附近深槽回填作业，保证回填后高程达到45m。经过模型试验发现，不同导流墩布置方案与导流屏导流效果密切相关，对改善下游口门区的航道水流条件也存在差异。本工程根据导流屏设计方案确定导流敦的位置并实施回填，若上游来流量Q≤3500m3/s，下游口门区的通航条件得到了显著改善，符合船舶通航安全标准，而当上游来流量Q＞3500m3/s，下游口门区的水流条件无法满足通航需要，最大横向超出0.3m/s的设计值。

4.通航水流条件作用分析

4.1 试验成果

在五强溪水电站船闸下游引航道口门区应用桩基式透空导流屏后，下引航道口门区回流范围与回流速度得到了控制，堤头附近与下引航道口门区的横向流速也有所降低，具体体现为：当上游来流量Q在6500m3/s时，下引航道口门区最大横向流速符合设计规范值，当上游来流量Q为7800m3/s时，下引航道口门区只有航中线右侧个别测点横向流速超出0.3m/s的安全通航范围，但由原0.6m/s降低至0.52m/s。

4.2 改善口门区通航水流条件的作用机制

山区河流地形起伏大，水利水电枢纽上下游水头差值较大，受到上下游水头差的影响船闸下引航道口门区流速速度较快，仅设计垂向二维底部透空式隔流堤对改善漩涡、泡漩水等不良流态的能力有限，船舶通航安全无法保证。桩基透空式导流屏结构作为一种新型结构，兼顾挡流与导流两种功能，设计横向插板，布置垂向底部透空导流通道，阻碍分散斜向水流，控制水流动力强度，进而达到控制水流的目的，降低流速对船舶航行的影响。同时在纵向上设计竖向导流道，能够改变斜向水流方向，使其顺着纵向插板方向流动，同时激发次生环流，使得其与曲线运动的上升水流相抵触，控制横向环流，消除不良流态。

5.结束语

在船闸口门区设计桩基式导流屏结构能够改善下游引航道口门区的水流条件，降低横向流速，增强流态稳定性。经过对工程实例进行分析可以发现，在五强溪水电站船闸下游引航道口门区中设计桩基式导流屏，并优化导流屏参数设计，显著改善了下游口门区的水流条件，确保口门区最大横向流速不超出0.3m/s的船舶通行安全规范，极大提升了水运能力，推动综合交通体系的发展。