狭窄连续弯道河段航电枢纽平面布置原则探讨

普晓刚，李 民，郝媛媛，冯小香

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456;2.湖南湘江航运建设开发有限公司，长沙 410011)

在建设现代化的内河航道网中，河流渠化是增加航道水深，改善航行条件最有效的工程措施之一。渠化工程的主要特点在于拦河筑坝，使坝上游水位变高，增加航道水深，减小流速，从根本上改善了水流状态和航行条件。我国西部地区地域辽阔，内河众多，水量充沛，有着发展水运的优越自然条件。但是，由于西部通航河流属于典型的山区弯曲型河道，河床断面狭窄，平面形态弯曲，通航条件复杂，在梯级渠化枢纽建设中，因受河势、地形及梯级水位衔接等因素影响，难以选择到理想的河道顺直、河面宽阔的坝址河段，不得已建在平面弯曲、河面狭窄河段，湘江土谷塘航电枢纽便是典型工程实例。通过对依托工程不同平面布置方案的研究，结合其它已建或拟建的相关枢纽工程，对狭窄连续弯道河段枢纽平面布置应遵循的一些原则进行了探讨［1－4］。

1 依托工程概况

土谷塘航电枢纽位于湘江中游，是湘江梯级渠化中自下而上的第4个梯级枢纽，位于已建的近尾洲和大源渡航电枢纽之间。由于受下游大源渡航电枢纽回水、河道左岸特殊建筑的限制，坝轴线位于狭窄连续弯道河段(图1)。坝区河段平面形态呈不对称“S”形，上游段为接近90°的急弯，下游段为稍缓的反向弯道。坝线上游1～3 km为急弯卡口河段，卡口段最窄处河宽仅约270 m，且右岸为坡度较陡的山地;坝线及坝线下游位于下游反向弯道河段，左侧为凹岸，右侧为凸岸，坝轴线位于弯道弯顶附近，坝线处河道宽约480 m，左侧河床为主河道［5－6］。

图1 土谷塘航电枢纽坝区河势图Fig.1 River regime of the dam area of Tugutang navigation-power junction

土谷塘航电枢纽以通航为主，兼有发电、灌溉、改善滨水景观等综合效益。主要建筑物包括3台机组、1孔排污闸、17孔泄水闸及1 000 t级船闸。土谷塘枢纽工程为低水头径流式电站、泄水闸式闸坝、槽蓄型水库。永久性主要水工建筑物设计洪水为50年一遇、校核洪水为500年一遇。

泄水闸共设17孔，单孔宽20 m，总净宽为340 m。船闸轴线与坝轴线垂直，船闸等级为Ⅲ级，设计最大通航流量为13 500 m3/s(10年一遇)，闸室有效尺度180 m×23 m×3.5 m(长×宽×门槛水深)，设计标准船队为一顶2艘1 000 t级船队。电站厂房为河床式，电站总装机容量80 MW，共3台单机26.67 MW的灯泡贯流式机组，年均发电量3.3×108kW·h，额定水头5.8 m，最小运行水头3 m，单机引流量446 m3/s。

2 依托枢纽工程平面布置方案优化

鉴于土谷塘枢纽坝址所处的特殊河势，设计单位提出了2种平面布置方案，即船闸位于弯道凹岸(上游为凸岸)侧的左岸船闸方案和船闸位于弯道凸岸(上游为凹岸)侧的右岸船闸方案。

2.1 模型概况

模型为定床正态模型，比尺为100，按重力相似准则设计，流速比尺 λv=10，糙率比尺 λn=2.15，流量比尺λQ=105。模拟原型河道长度约为8 km，其中坝址上游长约4.6 km，坝址下游长约3.4 km，宽度为400～800 m不等。因此模型全长约为80 m，模型宽4.0 ～5.0 m不等。

2.2 左岸船闸方案

左岸船闸设计方案各建筑物布置从左至右依次为船闸、17孔泄水闸、1孔排污闸、电站(3台机组)。由于船闸位于连续弯道中下游反向弯道河段的凹(左)岸侧，为保证船闸引航道直线段的长度，船闸只能布置在靠近左岸侧的河道内，并占据原有一部分河宽。引航道平面布置形式为不对称型，船舶采用曲进直出方式进出船闸，上、下游引航道导流堤均为直立堤，长度均为450 m;上、下游引航道底宽均为45 m。

左岸船闸设计方案研究结果表明:枢纽泄流能力能够满足要求;船闸上、下游引航道口门区通航水流条件虽能够满足规范限值要求，但由于口门区航线为弯曲航道，且口门宽度仅为45 m。船模航行试验结果表明:船舶(队)进出引航道时易碰撞堤头，存在一定的安全隐患。针对上游引航道口门区存在的通航安全问题，优化方案是保持船闸上游引航道450 m长度不变，将靠船段引航道底宽由45 m加宽至60 m(图2)。上游引航道口门区及连接段宽度为60 m，受弯道河势及左岸地貌影响，出口门100 m即接弧长524 m、半径为1 000 m圆弧段，而后通过直线段与上游弯道相连。为改善船闸下游引航道口门区及连接段的通航水流条件，将电站下游右侧凸岸进行归顺，并将下游引航道长度由450 m延长至950 m，由450 m的直线段与半径为1 000 m的圆弧段组成，引航道底宽由设计方案的45 m加宽至60 m。船闸下游引航道口门区及连接段均为直线段。

2.3 右岸船闸方案

右岸船闸设计方案各建筑物布置从左至右依次为电站(3台机组)、1孔排污闸、17孔泄水闸及船闸。船闸布置在右岸台地上，船闸中心线与坝轴线垂直。船闸引航道布置型式为不对称型，船舶采用曲进直出方式进出船闸，上、下游引航道导流堤均为斜坡实体式，长度均为650 m;上、下游引航道底宽均为45 m，口门底宽分别为70 m，80 m。

右岸船闸设计方案试验研究结果表明:枢纽泄流能力能够满足要求;船闸上、下游引航道口门区通航水流条件、船舶航行条件存在一定问题。在洪水流量条件下，因上游右岸突嘴挑流及引航道内静水顶托，使口门区内左向斜流与航线夹角偏大，进而使口门区航道内左向横流较大，通航水流条件不能满足规范要求;过下游导流堤束窄河段后过流断面变宽，水流向右扩散，下游口门区内右向横流偏大，通航水流条件不能满足要求。

为消除上游右岸突嘴挑流对上游引航道口门区通航水流条件造成的不利影响，将右岸山体突嘴部分进行切除，为顺应切除后的右岸河势及水流，将口门区航道向右岸进行了相应调整(图3);为改善船闸下游引航道口门区的通航水流条件，在堤头下游口门区航道的左侧布置4个导流墩，导流墩为楔形，斜角 45°，每个导墩长 22 m、厚 3 m、顶高程为63.0 m，第1个导流墩与堤头的间距为15 m，导墩与导墩的间距为22 m。

图2 左岸船闸优化方案布置图Fig.2 Optimized layout of the shiplock on the left bank

3 不同方案综合对比分析

主要从枢纽泄流能力、船闸通航水流及船舶航行条件等多方面，对右岸船闸方案与左岸船闸方案进行综合对比，进而确定依托工程土谷塘航电枢纽平面布置的推荐方案。

3.1 枢纽泄流能力的比较

图3 右岸船闸优化方案布置图Fig.3 Optimized layout of the shiplock on the right bank

两方案枢纽上游壅水高度均满足不大于0.3 m的要求。由于左岸船闸及上下游引航道均位于原左岸侧河道内，占据一定河宽，尤其是下游引航道导流堤较长，对枢纽的泄流产生的一定的影响，使得左岸船闸方案枢纽上游壅水值稍高于右岸船闸方案，泄流能力稍弱，500年一遇洪水流量下左、右岸船闸方案最大壅水值分别为0.25 m，0.22 m。

3.2 船闸通航水流及船舶航行条件比较

两方案船闸上游引航道口门区、下游引航道口门区及连接段通航水流条件均能基本满足要求;洪水流量下船闸上游引航道口门外连接段及急弯河段存在纵向流速、横向流速稍大段。弯道段通航条件的优劣应主要依据船模航行试验结果进行分析。

在左岸船闸方案中，船队受扫弯水的影响只能紧靠凸岸下行才能顺利进入口门，上行船队为避开下行船队只能沿主流或主流右侧航行，即上行船走大弯，下行船走小弯。在右岸船闸方案中，上游引航道口门区及连接段布置在弯道的凹岸下游，基本在上游河段的主流区，通过对右侧岸线归顺，船队略靠右岸一侧下行进入口门比较顺利，上行船队出口门区后选择走缓流一侧，同时可以避让下行船舶(队)，即上行船走小弯，下行船走大弯。综合对比分析，右船方案航行过程中舵角和漂角比左船方案要小，且右船方案的航行方式更符合内河避碰规则的要求，船舶航行会更安全。

3.3 其它方面对比

《渠化工程枢纽总体设计规范》［7］要求:“根据航运远期发展预留具备建设条件的二线或多线通航建筑物位置”。就左岸船闸方案而言，预留二线船闸需布置于一线船闸的左侧，受左侧凹岸河势影响，船闸引航道直线段长度较难满足要求，上、下游引航道口门区及连接段弯曲半径将进一步减小，不利于船舶顺利进出船闸;就右岸船闸方案而言，预留二线船闸可以布置于一线船闸右侧，由于右岸为河道的凸岸，船闸引航道直线段长度较易满足，且上、下游引航道口门区及连接段弯曲半径可适当增加，有利于船舶顺利进出船闸。

就船闸上游航道稳定性而言，左岸船闸方案上游引航道口门区、连接段及弯道段航道位于上游急弯河段凸岸侧及凸岸下游缓流区内，较易产生泥沙淤积，不利于航道的稳定;右岸船闸方案上游航道位于急弯段中部及靠近凹岸侧下游附近的主流区内，航道相对较稳定。就船闸下游航道稳定性而言，左岸船闸方案与右岸船闸方案下游引航道口门区及连接段分别位于下游反向弯道出口段的凹岸侧与凸岸侧，左岸船闸方案航道稳定性要优于右岸船闸方案［8］。

3.4 推荐枢纽布置方案

通过以上各方面的综合对比分析，可以看出:右岸船闸方案的枢纽泄流能力、上游弯道段船舶航行条件、船闸上游航道稳定性、预留二线船闸布置条件等均优于左岸船闸方案。综合对比各方面因素后，推荐右岸船闸方案为土谷塘航电枢纽平面布置方案。

4 狭窄连续弯道河段枢纽平面布置原则探讨

天然河流几乎都是弯曲的，弯道可以看成是组成河流的最基本单元，多弯相连的河道一般称之为连续弯道，两弯之间的连接部分称之为过渡段。在山区或半山区河流连续弯道是常见的平面形态，由于河流的迂回曲折，两弯道之间的顺直过渡段相对甚短，一般将枢纽布置在单个弯道上或连续弯道之间相对顺直的过渡段上;这类枢纽较多，如三峡水利枢纽、葛洲坝水利枢纽等，而将枢纽布置在过渡段较短或无过渡段的连续弯道上枢纽还不多见。结合国内其它将坝线布置在弯道段的已建或拟建的枢纽布置情况，总结狭窄连续弯道河段枢纽平面布置应遵循的一些原则，供其它相关枢纽工程参考。

4.1 弯道河段已建或拟建枢纽平面布置情况分析

《渠化工程枢纽总体设计规范》关于枢纽总体布置有如下规定:“根据具体条件枢纽总体布置可采用集中布置或分散布置方式。集中布置时，通航建筑物与水电站宜异岸布置，通航建筑物宜布置在主航道一侧”。建在弯道河段上的航电枢纽，河流主航道一般在凹岸，但受河势影响或与电站分开设置，实际工程中通航建筑物布设在弯道的凸岸或凹岸的情况均有。如葛洲坝枢纽工程所在河道呈S形弯曲，坝址处在南津关急弯和镇川微弯河段之间的过渡段，大江船闸布置在南津关90°急弯后凸岸，三江2号和3号船闸处在南津关90°急弯后的凹岸。根据国内坝线位于弯道河段的已建或拟建的20个枢纽布置情况统计(见表1)可知，通航建筑物布置在凸岸与凹岸的情况基本各占一半［9］。

表1 坝线位于弯道河段已建或拟建枢纽总体布置情况Table 1 Layout of built or planned-to-be-built hydro-junctions with dam axis located at river bend

由于枢纽工程所处的河道平面形态千差万别，规范还不能涵盖各类具体工程的技术特点。因此，目前国内的普遍做法，是针对某一具体工程的特点，通过物理模型试验进行优化，最终确定枢纽平面布置。

4.2 狭窄连续弯道河段航电枢纽平面布置原则

通过对依托工程船闸分别位于左岸及右岸2种平面布置方案的试验研究，结合其它已建或拟建的相关枢纽工程平面布置情况，认为狭窄连续弯道河段航电枢纽平面布置应遵循以下一些原则:

(1)无通航要求的枢纽坝址选择着重于坝线的选择和布置，即河流的横断面选择及沿断面上的布置，而以改善航运和发电为主的渠化枢纽工程则在同样选择河流横断面的前提下，还要考虑平行于河流的通航建筑物及其引航道的轴线布置，其难度就在于这条轴线是由几条直线和几条曲线连接起来的长达数百米至一两千米的轴线，同时还要考虑枢纽运行时上下游水流对船舶航行的影响，因而这个特点在很大程度上影响了渠化工程枢纽坝址选择和枢纽的平面布置。

(2)当船闸布置于狭窄连续弯道河段下游反向弯道的凹岸侧时，在满足枢纽泄流能力的条件下，为确保船闸引航道直线段长度满足要求，船闸可考虑布置于靠近凹岸侧的河道内。对于出船闸引航道口门即为圆弧段或以较短的直线段与圆弧段相连的口门区布置形式，为确保船舶安全进出船闸，应尽可能增大曲率半径及航宽。此外，可考虑顺应弯曲河段河势，通过延长船闸引航道导流堤长度，使弯曲段处于引航道内，口门区为直线段，确保口门区的水流条件满足要求。

(3)当船闸布置于狭窄连续弯道河段下游反向弯道的凸岸侧时，为确保船闸引航道直线段长度满足要求，可利用凸岸侧台地新开挖渠道进行船闸布置，并归顺上、下游岸线，使引航道进、出口段与河岸走势平顺衔接，尽量减小口门区航道轴线与上下游主河道的夹角。此外，通过在导流堤下游布置楔形导流墩，能够有效地消减弯曲河道段口门区内因水流扩散形成的斜流及回流，是较理想的导流建筑。

(4)对于上游为急弯、下游为反向弯道的狭窄连续弯道河段，当枢纽坝线位于下游弯道段时，宜采取将船闸布置于凸岸侧的分散布置方式，这也符合《渠化工程枢纽总体设计规范》的要求。

(5)在条件允许的情况下，应尽量将坝轴线向弯道段的下游平移，以增加船闸上游引航道口门与上游急弯河段出口的距离，确保船舶下行时有足够的时间调整船位进入引航道。

5 结语

(1)对于以改善航运和发电为主的渠化枢纽工程，在总体布置时，主要做好2条线的布置，即坝轴线与船闸轴线的布置，在坝轴线确定后进行船闸轴线布置时要处理好上下游引航道、口门区、连接段及弯道段航道的衔接等问题。

(2)狭窄连续弯道河段的枢纽平面布置应结合具体的坝址自然条件和枢纽工程的作用进行合理布置。对于上游为急弯、下游为反向弯道的狭窄连续弯道河段，枢纽布置应遵循以下原则:①弯道段航线与船闸同岸布置最为有利，即当船闸位于右岸侧时，上游弯道段宜选取右线航道;当船闸位于左岸侧时，上游弯道段宜选取左线航道。②当枢纽坝线位于下游弯道段时，宜采取将船闸布置于凸岸侧的分散布置方式。

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