航电枢纽工程引航道布置试验研究

石旭芳，张建民，胡小禹，余 飞，栗 帅

(1.青海大学 水利电力学院，青海 西宁 810016；2.水力学及山区河流开发与保护国家重点试验室，四川 成都 610065；3.华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014；4.青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810000)

在天然河道上兴建航电枢纽，需要设置通航建筑物保证航运要求，而其中引航道连接船闸和河流主航道，其口门区及邻近水域的水流流速分布是船队(舶)顺畅过闸的关键影响因素，值得重点研究。譬如针对三峡船闸引航道，杨文俊[1]，戴会超[2]，陈永奎[3]，等进行了系统而卓有成效的研究，提出了上游隔堤全包、双线船闸错开充水方案改善航运条件；周华兴[4]，卢文蕾[5]，等则对口门区的通航水流条件进行了深入探讨，对现有规范限值提出了商榷意见；针对嘉陵江上以及梯级开发乌江流域的银盘、构皮滩，澜沧江的景洪等枢纽工程，四川省交通厅内河勘测设计院、交通部西南及天津水运科学研究所等机构进行了大量试验研究，对上下引航道提出了半开敞直线布置、半开敞曲线布置、限制性曲线布置等平面布置原则及具体尺寸建议值，同时采用透空结构等工程措施改善航运水流条件避免悬沙淤积，指出了透空范围和透空高程的具体值，均取得了显著的效果。但是引航道的布置受河道特性影响较大，笔者针对某大型航电工程在“S”形河道中的上下游引航道布置进行了模型试验，研究上、下游引航道口门区的流态、流速分布，包括纵向流速、横向流速、回流流速等，并提出优化下游引航道口门位置和导墙型式的方案。

1 工程概况

某航电枢纽工程位于湄公河上游河段，装机容量为9 120 MW，正常蓄水位340 m，采用“右岸船闸+右岸泄洪冲沙闸+左岸厂房”为基本枢纽布置格局方案，枢纽建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、电站建筑物、通航建筑物及过鱼建筑物组成，具体布置形式如图1。

图1 枢纽平面总体布置Fig.1 General plane of the project

挡水建筑物包括左岸非溢流坝段、厂房坝段、泄洪冲沙闸坝段、船闸坝段及右岸非溢流坝段。坝顶高程346.00 m，最大坝高69.00 m。坝顶长度899.50 m。厂房坝段位于左侧主河槽部位，泄洪冲沙闸坝段位于右岸滩地，船闸坝段布置在右岸，在船闸坝段右侧及厂房坝段左侧布置非溢流坝段与岸坡衔接。

船闸级别为IV级，按通航500 t级船舶标准设计，初步设计为单线单级船闸，靠右岸布置，闸室有效尺度为120 m × 12 m × 4 m(长×宽×门槛水深)，上闸首结合拦河坝布置。设计最大通航流量为13 200 m3/s，最小通航流量为865 m3/s，试验工况均保持电站满发流量6 440 m3/s，泄洪流量通过靠近电站方向的6孔泄洪闸均匀泄流。根据规范标准，引航道口门区表面流速：纵向流速≯2.00 m/s，横向流速≯0.30 m/s，回流流速≯0.40 m/s。引航道停泊段表面流速：纵向流速≯0.50 m/s，横向流速≯0.15 m/s。

2 模型布置及测量方式

模型比尺为1∶70，采用正态设计，河道范围充分反映工程段河流的S状情势，上下游预留足够的流态调整过渡段以保证上下游口门区水流的流速分布相似性。由于上、下游引航道口门区流速较低，且侧向流速及回流流速需要更加精确的测量，故选择声学多普勒点式流速仪用来测量水流的三维流速。其测量技术的基础是相干多普勒处理，它的特点是测量精度高，没有零点漂移。该仪器的流速测量范围为 ± 0.01～4 m/s，精度为 ± 0.1 mm/s，采样输出频率为1～200 Hz，达到了本水工模型试验测量的要求。

3 上游引航道试验

船闸及上游引航道中心线与坝轴线垂线形成7°的夹角，偏向河道左侧，上游引航道具体布置形式如图2，导墙呈外扩型，左侧长隔流墙长225 m，右侧短隔流墙长89 m平行于船闸中心线，两者均采用板桩式结构，上下分层透空式设计[6]，上部连续墙高于最高通航水位2 m，低于最低通航水位4 m，其下部直接与水流连通。

国内外的研究和工程实践表明，引航道的透空式隔流墙可以改善上游口门区水流条件[7-8]，但这种改善作用受工程所在的河道情势、透空方式等条件影响，同时之前的研究大多关注的是隔流墙纵向开口的形式，对垂向分层形式的研究可供参照的案例较少，垂向分层的形式要求避免下部水流牵引由此导致引航道停泊段的水流波动。因此对口门区和停泊段的水流流速特性都进行了试验研究，试验流量选取涵括最小和最大设计通航流量，内插多年平均流量和洪水流量等特征流量，能够比较完全的反映引航道在各种工况特别是不利工况下的流速情况，见表1。

图2 上游引航道布置及结构形式Fig.2 Layout and structure of the upstream approach channel

工况流量/(m3·s-1)纵向流速横向流速回流流速范围/(m·s-1)超限比例/%范围/(m·s-1)超限比例/%范围/(m·s-1)超限比例/%最小通航流量8650．02～0．200．000．01～0．130．000．01～0．090．00多年平均流量31600．01～0．300．000．01～0．200．000．01～0．170．00汛期平均流量54400．01～0．290．000．01～0．170．000．01～0．220．00常遇洪水100000．02～0．320．000．01～0．326．170．03～0．100．00洪峰流量均值122000．01～1．210．000．01～0．4714．580．07～0．270．00最大通航流量132000．04～2．052．080．01～0．5422．920．07～0．542．08

由表1可见，对于常遇洪水以下流量的工况，由于电站满发，大部分流量通过河道左侧电站方向下泄，库区右侧基本为静水，坝前水位较高，整个库区的水流平缓，上游引航道各项流速指标都在规范限值之下。

随着流量逐步增加，泄洪闸区域加大的下泄流量对引航道附近水体的牵引作用明显，纵向流速急剧增大，最大通航流量下的最大值达到2.05 m/s，隔流墙顶端附近的口门区的斜向流作用显著，停泊段隔流墙底部的透水作用增强，都出现了较明显的侧向流速，口门区和停泊段总的侧向流速超限比例最大达到了22.93%左右，口门区最大侧向流速达到0.52 m/s，停泊段靠近左侧隔流墙附近出现最大侧向流速为0.40 m/s，船队(舶)航行可能产生较大的漂移，最大通航流量下靠近河道右岸的水域存在一定的回流流速，但是回流区距离航道中心线较远，同时超限比例较小，对船队(舶)的影响不大。

总体来说，上游引航道采用的垂直分层透空式隔流墙布置形式是合理的，上下分层型式能够经济有效的减小水面流速，下部水体的引入对减小回流流速大有裨益，同时上游引航道与坝轴线的非垂直布置，使得隔流墙开口方向自然与主流方向形成小锐角，调整了口门区流速分布，也使得航道中心线偏离回流区域，除了较大洪峰流量外，在其他各种通航工况下都基本能够保证口门区内流速满足规范要求。

4 下游引航道试验

下游河道存在接近直角的转弯段，引航道的合理设置对船队(舶)的顺利归槽有着至关重要的影响。下游引航道的设计不能过短，否则河道转弯段的水流会顺势冲击出口，严重时会致使船舶无法顺利归槽，也不能过长，过长的引航道会在其下游范围出现了较大的缓流区，容易造成泥沙淤积，影响锚地的正常使用，同时损失经济效益。

4.1 原设计方案试验结果

原设计方案下游引航道整体沿河道右岸布置，具体形式如图3，顺河势形成较大的弯曲，宽45 m，船闸出口接193.628 m的直线段，再接366.738 m的转弯段，半径为330 m，转弯角63°40′27″，最后接179.359 m的直线段，该段引航道宽度拓宽至65 m。该体型下游引航道均采用重力式实体隔流墙，出口方向基本与河道主流方向一致。

图3 原设计下游引航道体型Fig.3 Original design of downstream approach channel

对原体型下游引航道口门区的流速测量结果如表2，在常遇洪水以下工况，各项流速指标能满足规范要求，但是在10 000 m3/s以上流量下，口门区会出现较大范围的侧向流速和回流流速，究其原因，是主流流速和航道出口口门区存在显著的流速差，流速较高的主流绕过引航道隔流墙端口向低流速的口门区扩散，形成三角状的侧向流速区和靠近右岸的回流流速区。随着流量的增加，侧向流速超限的范围有所扩大，由于引航道较长，侧向流速整体上不大，但是超限区域较广，在最大通航流量时达到了20%左右。

表2 原设计下游引航道口门区流速试验结果Table 2 Flow rates of entrance area of original design downstream approach

4.2 修改体型Ⅰ试验结果

修改体型Ⅰ如图4，将下游引航道宽度加宽至50 m，船闸出口接261.607 m直线段，再接326.421 m转弯段,转弯半径保持330 m，转弯角56°40′28″，再接40.538 m的直线段，最后为84.4 m的透空延长段。该方案整体上缩短了引航道长度，出口与弯段后的河道主流小夹角相汇，同时希望通过透空延长段的设置减少回流和侧向流速，以期达到与主流平顺相接的目的。

图4 下游引航道修改体型ⅠFig.4 Modified typeⅠof downstream approach channel

对修改体型Ⅰ下游引航道口门区的流速测量见表3，虽然引航道总长度事实上较原体型缩短，出口与河道主流方向形成了小夹角，然而总体流速条件反而相对更良好。各个工况下都没有出现过大的侧向流速，由于口门区和主流之间存在流速差，不可避免的在口门区靠近河道右岸处形成回流区，引航道缩短导致出口处的主流流速偏大，相应的回流流速和回流区域也更大，在最大通航流量下达到了0.69 m/s，回流区域达13%，但是与之对应的，出口处引航道由50 m拓宽至65 m，回流区域集中在加宽的15 m范围内，船队(舶)归槽恰好能够避开回流区域。

表3 下游引航道修改体型Ⅰ、Ⅱ流速试验结果Table 3 Flow rates of entrance area of modified typeⅠ&Ⅱdownstream approach

4.3 修改体型Ⅱ试验结果

修改体型Ⅱ如图5，在体型Ⅰ的基础上，将下游引航道再次截短，初步试验中取消体型Ⅰ尾部的直线段和透空段，弯曲段缩短为151.212 m，转弯角为26°21′03″，其余部分保持不变。该体型下，引航道出口切线方向与转弯后河道主流方向形成约为33.18°的夹角。

图5 下游引航道修改体型ⅡFig.5 Modified typeⅡof downstream approach channel

对该体型的流速测量结果如表3，由于电站满发状态下的尾水从河道左岸沿河道转弯，同时顶托泄洪闸方向的泄流向左侧偏转过渡，而该体型引航道出口方向与这种斜向主流方向存在角度差，因此口门区外侧必然会出现指向右岸的侧向流速，在泄洪工况中，泄洪闸的泄流更加大了这一效应，各个工况下都存在10%～20%的侧向流速超标，同时引航道的缩短导致纵向流速的增大，洪峰流量时有小幅度的超标，在最大通航流量下由于下游水位较高，纵向流速和侧向流速有所减小，靠近河道右岸区域却出现大范围的回流流速。

5 结 论

1)航电工程中引航道的合理体型和恰当布置是通航水流条件的重要影响因素。上游引航道采用上下分层透水方案能够改善回流流速，在常遇洪水及以下流量下，都不会出现回流流速超标，纵向流速也仅在最大通航流量下超标2.08%，但需要控制透水流量，防止过大的透水流量导致停泊段出现不利的侧向流速，最大流量下泄导致的侧向流速超标范围达23%。同时船闸轴线和坝轴线呈7°夹角的非垂直布置能够有效的规避回流区。

2)对于急转弯式的下游河道，单纯加长引航道能降低侧向流速的大小，最大侧向流速从0.71 m/s降至0.48 m/s，并不能减少侧向流速范围，超限范围仍然在15%～20%左右，根据河势可以恰当的缩短引航道长度，透空段的设置对改善侧向流速有帮助，恰当长度引航道设置透空段后侧向流速超限基本消除，仅有少量工况为8%左右，引航道出口设在弯曲段会导致较大的侧向流速，建议增设导流墩、分层透水导流堤等改善流态。

3)“S”形河道中上下游引航道的布置受制于地形条件与河流流场弯曲，笔者对其进行了相应的模型试验，验证了上游引航道采用上下分层透水方案的基本可靠性，认为下游引航道不宜过长，应当设置合理的透空段，对类似工程具有借鉴指导意义。

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