沙溪口水电站下游通航明渠布置原则研究

张 明,王义安,郑 伟

(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.福建省港航勘察设计研究院，福州 350002)

枢纽下游水位下降或是枢纽回水不衔接已成为制约航道等级提升的重要因素[1-2]。受船闸下游设计最低通航水位及航道水深等条件的约束，一般需控制水位下降甚至雍高近坝段水位，采用丁坝、潜坝等工程措施来壅高水位是目前较常见的整治方式[3-6]，明渠多用于围堰施工导流期通航[7-10]，作为雍水建筑物的研究相对较少。

作为一类特殊的限制性航道，明渠布置型式对航道流速、水位、水深等通航水流条件具有重要影响，为满足明渠安全通航的要求，通过优化明渠布置型式来获得较好的通航水流条件就显得十分必要。本文以沙溪口水电站坝下航道整治工程为例，采用平面二维水流数学模型对多个方案进行计算分析后[11]，提出了明渠作为雍水措施的实用条件及布置原则，成果可为方案优化提供依据、为工程设计提供参考。

1 河段概况

沙溪口水电站于1983年开工建设，1987年首台机组投产发电，电站在右岸安装4台机组，单机最大过流量525 m3/s，左岸布置了单线一级300 t级船闸，尺度为130 m×12 m×2.5 m(长×宽×水深)，船闸门槛底高程61.3 m，船闸下游设计最低通航水位63.8 m。电站建成运行后，由于坝下河床冲刷等原因，近年来，90%保证率的水位约为63.3 m，下降约0.5 m，原设计最低通航水位63.8 m对应的保证率仅约50%。

沙溪口水电站属径流式水电站，日均入库流量与出库流量基本持平，2012～2014年90%保证率的流量约为265 m3/s。中枯水期，当电站关闸蓄水时，下游河底出露，无水可航。

该河段河床以石质为主，石滩、岩礁分布广泛、部分河段礁石林立、石梁横亘，影响船舶航行。在宽浅河段则有河漫滩及江心洲分布，河床以砂卵(砾)石为主。

2 滩险碍航特性分析

沙溪口水电站为闽江下游第二级枢纽，距离闽江水口水电站约108 km。沙溪口水电站至下游南平延福门河段长约13.5 km，位于水口水库的变动回水区，下段西芹镇至延福门10 km河段河床较低，水深条件较好，上段西芹镇至沙溪口船闸3.5 km河段枯水河槽弯窄(图1)、水浅流急、流态紊乱，通航条件较差。在船闸口门区，受鲤鱼洲洲头及鲤鱼洲左侧边滩影响，电站泄流以大角度入汇左侧航道，斜流较大。沙溪口电站施工桥位于船闸下游600 m处，距离鲤鱼洲边滩尾部约100 m，该桥通航孔宽49 m。受鲤鱼洲边滩挤压，桥区坡陡流急，沙溪口电站泄流Q=1 800 m3/s、延福门水位低于61.7m时，局部最大比降超过5‰，最大流速超过3 m/s。

沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位低于61 m时，近坝段基本不受水口水库回水影响(图2)，当延福门水位上升至63 m时，可回水至沙溪口坝下。在沙溪口电站下泄流量为设计流量Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，坝下3 km河段比降普遍超过1‰，沙溪口船闸下闸首水位仅63.07 m，比设计水位低0.73 m，近坝段航道水深一般仅0.3～0.8 m，达不到设计标准，严重影响了该航段的畅通。

图1 沙溪口水电站下游近坝段河势图Fig.1 Sketch of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction图2 沙溪口枢纽下游近坝段水面线变化图Fig.2 Water surface profile of near dam reach downstream the Shaxikou hydro-junction

3 整治方案概况

3.1 整治标准

沙溪航道从南平延福门至三明台江作业区全长97 km，为内河V级航道，通航300 t级闽江干流标准运输船舶，兼顾500 t级闽江干流标准运输船舶通航要求。设计船型为闽江干货-Ⅰ、闽江干货-Ⅱ、闽江集-Ⅰ，船型最大长度约55 m，最大宽度约10.3 m，满载吃水1.6～1.9 m。

沙溪口船闸下游设计最大通航流量Q=3 000 m3/s，设计最小通航流量Q=265 m3/s，延福门水文站设计最低通航水位57 m，沙溪航道设计水深2.1 m。

3.2 整治方案

沙溪口坝下航道主要采取修建雍水坝与通航明渠，抛筑丁、顺坝相结合的方式来提高坝下水位和改善流态，先后进行了多个方案的计算比选，代表性方案有4个(图3)，其共同点为：均在鲤鱼洲右汊修建锁坝一条，锁坝高程63.8 m；明渠两侧渠壁高2 m，明渠顶宽100 m，其中航道宽55 m，左侧边坡1:20，右侧边坡1:2.5；沙溪口施工桥附近，受通航孔宽度限制，航道宽40 m。各方案不同点为：方案一、方案二、方案三、方案四的明渠长分别为697 m、847 m、1 660 m、1 972 m，方案一在明渠出口右侧布置了船舶停泊区，面积约3.3万m2，疏挖深度一般2～3 m，其他方案均取消了停泊区；方案一、方案二在明渠中部修建丁坝一条，方案三在明渠中部修建丁坝两条、在沙溪口施工桥附近修建丁坝一条，方案四在明渠两侧没有布置丁坝；方案一、方案二对明渠出口下游的弯道段进行了加宽，加宽段航道宽75 m，下游其他航道宽50 m，方案三、方案四明渠下游航道宽均为50 m。

3-a 方案一 3-b 方案二 3-c 方案三 3-d 方案四图3 沙溪口水电站下游近坝段代表性整治方案Fig.3 Representative regulation schemes of waterway downstream the Shaxikou hydro-junction

4 明渠型式对水流特性影响分析

4.1 边坡处理方式影响

在明渠顶宽100 m、渠高2 m时，左侧边坡宽度40 m，占明渠宽度的40%，当水面与渠顶齐平时，左侧边坡的过流面积占明渠规则断面的25.8%，左侧边坡的处理方式对航道分流量有较大影响，从而影响明渠内水流特性。方案一、方案二、方案三考虑了三种边坡处理方式，分别为高点保留同时低点填平(图4-a)、平坡为规则边坡(图4-b)、清除高点同时保留低点(图4-c)，从计算结果看，第一种方式，在左边坡有较明显凸起时，水流将向航道挤压，局部流速和比降都将增大，航道内会出现流速过大的现象，如方案一条件下，沙溪口电站泄流Q=1 000 m3/s、延福门水位61.76 m时，最大流速超过3.5 m/s；第三种方式，在左边坡明显低洼处，边坡分流量增多，局部流速和比降都将减小，明渠雍水能力得不到充分发挥，如方案三条件下，沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，渠首水位雍高0.46 m，比方案一、方案二低0.49 m、0.29 m；第二种方式，一般除进出口外，航道内流速和比降较为均匀。

图4 明渠左侧边坡处理方式示意图Fig.4 The schematic diagrams for left slope treatment of open channel

边坡处理方式影响明渠雍水能力和渠首水位，对明渠进口流速也有一定影响。沙溪口电站下泄流量Q=1 000 m3/s、延福门为中线水位61.76 m时，方案一、方案二、方案三明渠进口最大流速分别为2.41 m/s、2.48 m/s、2.58 m/s，明渠进口最大流速与雍水能力呈反相关变化趋势。

4.2 出口型式影响

明渠出口因水流扩散，一般会出现跌水现象，渠尾下游航道疏挖引起的水位下降通常也会加剧出口水位下跌，从而引起航道水深不足。方案一、方案二明渠出口下游转弯段加宽后的航道宽75 m，且方案一在明渠出口右侧设置了停泊区，停泊区疏挖一般2～3 m，方案三不仅取消了停泊区，明渠下游航道宽均为50 m。沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，方案一、方案二、方案三水位最大下降0.69 m、0.31 m、0.15 m，航道最小水深0.82 m、1.25 m、1.67 m。

因明渠出口两侧挡墙不对称及出口水位下跌，方案一水流出明渠后迅速扩散，出口流速较大，沙溪口电站泄流Q=1 000 m3/s、延福门水位61.76 m时，方案一明渠出口最大流速超过3 m/s(图5-a)；方案三明渠出口采用对称型式，渠尾下延至深槽，转弯段航道宽度由75 m缩窄至50 m，明渠出口跌水明显减弱，沙溪口电站泄流Q=1 000 m3/s、延福门水位61.76 m时，明渠出口流速也下降至约2 m/s(图5-b)。

4.3 外接丁坝影响

一般认为在明渠渠顶淹没后，受向明渠内的翻坝水流影响而容易产生滑梁水。为防止滑梁水影响，方案一、方案二、方案三均在明渠右侧中部布置了丁坝，但实际上，因丁坝雍水影响，不仅导致上下游较大的水位差，丁坝上游雍高的水流还会形成向明渠内的翻坝水流，形成或增强滑梁水。以方案三计算结果看，沙溪口电站泄流Q=1 000 m3/s、延福门水位61.76 m时，受明渠右侧两条外接丁坝影响，丁坝附近明渠内纵向与横向流速均明显大于上下游河段，在去掉丁坝后，明渠内纵向与横向流速减小，从采用规则边坡、无外接丁坝的方案四来看，各级流量下，鲤鱼洲洲尾下游明渠内的滑梁水现象并不明显。

4.4 明渠尺度影响

明渠长度与宽度对雍水能力有一定影响，一般情况下，明渠渠首上延后，明渠雍水能力相应增强，但若上延长度不大时，其影响有时并不明显。如方案二、方案三渠首比方案一分别上延150 m、190 m，沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，方案三渠首位置，方案一、方案二、方案三的水位壅高分别为0.95 m、0.75 m、0.46 m，渠首上延并没有导致渠首水位的明显上升，这主要是因明渠边坡处理方式影响所致；方案四渠首比方案二上延560 m后，从鲤鱼洲洲头水位来看，方案一、方案二、方案三、方案四分别为63.74 m、63.68 m、63.66 m、63.91 m，方案四明渠上延所引起的水位壅高较为明显。

随着明渠宽度缩窄，明渠雍水能力也进一步增强。从方案四来看，明渠顶宽100 m时，沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，船闸下闸首水位63.95 m，航道最小水深1.91 m，在移动左侧挡墙以缩窄明渠时，顶宽每缩窄10 m时，船闸下闸首水位上升约0.04 m，航道最小水深增加约0.04 m，至明渠顶宽70 m时，船闸下闸首水位64.07 m，航道最小水深2.05 m。不同明渠宽度条件下，航道流速差别不大。小流量时，随着宽度增大，明渠过水面积增加，流速有所下降，但在大流量时，由于水流溢出，以及各宽度系列下明渠断面变化影响较小，明渠内流速相差不大。

5 明渠布置原则探讨

(1)明渠距离雍水目标区域不宜太远，且一般适用于枯水河宽可缩窄河段。在作为雍水整治建筑物时，明渠雍水能力及实用条件是必须要考虑的因素。因明渠雍水主要是通过束窄枯水河床过流断面来抬高水位，因此，整治条件下河宽能否束窄以及束窄的过流断面面积直接关系到雍水效果。鲤鱼洲右汊建设锁坝后，实际上相当于压缩了右汊过流断面面积，左汊航道内过流量增加，左汊水位得以抬升。明渠本身对枯水过流面积也具有一定束窄作用，其雍水效果与明渠长度、宽度、边坡处理方式等有关，总体来看，航道分流量越多，雍水效果越好，但在向上游传递时，随着距离增加明渠雍水效果逐渐减弱。沙溪口电站泄流Q=265 m3/s、延福门水位57 m时，方案一、方案二、方案三的船闸下闸首水位分别为63.79 m、63.75 m、63.71 m，而在仅建锁坝而无其它工程时，船闸下闸首水位63.77 m，与上述方案相差不大，可见，各方案船闸下闸首水位壅高主要是由右汊锁坝建设后、左汊分流量增加引起的，明渠仅抑制了由于航道开挖所引起的水位下降，对于船闸下闸首水位的雍高影响有限。方案四将渠首进一步上延后，渠首距离下引航道隔流堤堤头约280 m，船闸下闸首水位可雍高至63.95 m，可见，明渠作为雍水整治建筑物时，为保证雍水效果，距离雍水目标区域不易太远。

(2)明渠应沿主流方向布置，明渠内外地形应有利于水流的平顺。在明渠作为一类特殊的限制性航道时，应注意明渠内外侧水流对航道的影响。当明渠边坡较宽时，要注意边坡型式可能的影响，尤其注意因边坡凸凹引起水流的突扩和突缩，从而造成流速增大或是水位下跌，为保持较好的航道水流条件，明渠内侧地形应有利于水流的平顺。

为减轻明渠外侧翻坝水流对明渠内航道的影响，应尽可能保持明渠外水流平顺，主要应注意三个方面的问题，一是明渠轴线应沿主流方向布置；二是在明渠外侧应慎用丁坝，因丁坝的雍水作用，丁坝上游水位升高后，将增强甚至产生滑梁水；三是应注意明渠外侧束窄段对明渠内侧水流的影响，为保持明渠外侧水流平顺，必要时应对束窄段进行拓宽。

(3)明渠出口应采用对称型式，出口两侧地形应避免大的起伏。因水流扩散，明渠出口极易产生跌水，从而造成航道水位陡降、流速增大、水深不足等问题，为减小跌水影响，明渠出口挡墙应对称布置，出口两侧地形应避免大的起伏，若一侧地形过低，将会增强出口水流的扩散，跌水将会增强，因此，明渠出口处不宜布置停泊区；当两侧地形过高时，中洪水流量下，明渠两侧水流在明渠出口处与明渠内水流交汇，极易形成剪刀水。

6 结论

本文从技术角度研究了明渠布置型式对水流特性的影响，并探讨了雍水整治条件下的明渠平面布置原则，主要结论如下：

(1)明渠尺度、边坡处理方式，出口型式、外接丁坝等布置型式对明渠内航道的水流特性均有一定影响，在作为雍水整治建筑物时，明渠布置主要原则有：距离雍水目标区域不宜太远，且一般适用于枯水河宽可缩窄河段；应沿主流方向布置，明渠内外地形应有利于水流的平顺；出口应采用对称型式，出口两侧地形应避免大的起伏。

(2)通过合理布置明渠和对明渠附近河槽形态进行整治，可以避免和消除明渠内跌水、滑梁水、剪刀水等不良水流流态，获得满足船舶安全航行所需要的水流条件，以较小经济代价实现对内河船闸下游近坝段水位下降的治理。但仍需要关注航道疏挖及跌水等引起的航道水深不足问题。

(3)长距离明渠是一类特殊的限制性航道，其通航问题不仅涉及到水流条件，还涉及到驾驶习惯，需要注意船舶的通航安全问题。此外，沙溪口船闸下游口门区通航水流条件问题也仍需要进一步研究论证。