湘江土谷塘航电枢纽船闸通航水流条件优化试验研究

普晓刚，李 俊，郝媛媛，李富萍

（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）

土谷塘航电枢纽工程坝址位于湘江中游下段、衡阳市上游39 km处，为湘江九级梯级开发中的第6个梯级，坝址上距近尾洲枢纽50 km，下距大源渡枢纽101 km。枢纽坝区河段属丘陵区，地形、地貌比较简单，主要为河谷阶地地貌和河岸残丘、低丘地貌。坝址河段相对顺直，坝线处河道水面宽480～520 m，枯水期水深1.0～1.8 m。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，主要建筑物从左至右依次为鱼道、4台机组、1孔排污闸、17孔泄水闸及1 000 t级船闸。建设土谷塘枢纽可使水库回水到近尾洲枢纽坝下，库区50 km河段将达到通航千吨级船舶的Ⅲ级航道标准［1］。

在通航河流上修建航电枢纽后，船闸上下游引航道与河流（或运河）相连接的口门区及连接段，是过闸船舶（队）进出引航道的咽喉。由于船闸口门区及连接段水流条件的好坏，直接关系到船舶（队）畅通过坝、安全运行，是枢纽平面布置的关键问题之一［2-3］。因此，在各种通航枢纽设计时，需要对其进行模拟试验，认识影响口门区水流条件的机理，分析斜向水流形成原因，进而提出改善口门区水流条件的措施，是有现实意义的。文中根据土谷塘航电枢纽通航水流条件试验成果，分析了船闸上、下游引航道口门区及连接段的水流条件及影响因素，采取多种改善措施，提出了满足船舶或船队航行条件的布置方案［4-7］。

1 模型概况及试验条件

1.1 模型概况

模型为定床正态模型，比尺为1：100，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5 km，其中坝址上游长约2.4 km，坝址下游长约2.6 km，宽度为550～750 m。因此模型全长约50 m，模型宽5.5～7.5 m（图1）。

1.2 试验条件

土谷塘枢纽坝址位于大源渡枢纽库尾回水变动段，受大源渡枢纽不同运行水位（大源渡枢纽正常蓄水位为50.1 m，水库死水位为47.9 m）的影响，坝址处水位与流量关系非单一关系：在流量Q＜2 560 m3/s时，分为大源渡50.1 m顶托线、大源渡47.9 m顶托线2条曲线；当流量Q≥2 650 m3/s时，坝区河段不受大源渡回水顶托，2条曲线重合。

根据初步拟定的枢纽运用方式：当Q≤1 600 m3/s时，电站发电，泄水闸关闭；当1 600 m3/s＜Q≤4 700 m3/s时，电站与泄水闸联合调度；当Q＞4 700 m3/s时，电站停机，泄水闸敞泄。综合选择了7级典型流量和多种组合水位对船闸通航条件进行试验研究，结果见表1。

表1 典型水位流量组合Tab.1 Typical water discharge combination

1.3 船闸通航水流条件限值

船闸Ⅰ～Ⅳ级口门区水面最大流速限值：纵向流速Vy≤2.0 m/s，横向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s；在引航道口门区宜避免出现如泡漩、乱流等不良流态；连接段水流条件，参照口门区通航水流条件的基本要求。

2 枢纽布置设计方案船闸通航水流条件分析

2.1 设计方案工程布置

土谷塘航电枢纽设计方案各建筑物布置见图2。船闸位于右岸侧，为单线单级船闸，突出于下游，船闸中心线与坝轴线垂直，设计最大通航流量为13 500 m3/s（10 a一遇）。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。引航道底宽为55 m，引航道长度为530 m，其中制动段150 m，靠船段180 m，导航段200 m；上、下游引航道底高程分别为53.0 m、44.9 m。上、下游引航道导流堤均为直立式导流堤，堤顶高程为64.3 m。

2.2 上、下游引航道口门区及连接段布置

上游引航道口门至堤头上游400 m为口门区，连接段为堤头上游400～800 m范围并与主航道相接。口门区航道宽度由55 m逐渐过渡至60 m，连接段航道宽60 m。

下游引航道口门至堤头下游400 m为口门区，连接段为堤头下游400～1 000 m范围并与主航道相接。口门区及连接段平面布置型式为：堤头下游108.5 m为直线段，而后通过半径为1 000 m、长60 m的圆弧段与下游直线段相连。口门区航道宽度由55 m逐渐过渡至60 m，连接段航道宽60 m。

2.3 设计方案船闸通航水流条件

对于上游口门区及连接段航道，由于船闸位于河道右岸侧，并占据一定的河床宽度，同时天然条件下口门区及连接段所处河段主流区位于河道中部偏右侧，航道内水流流速偏大。水流至船闸上游导流堤堤头附近，河道过流断面束窄，使水流弯曲变形，产生流速梯度，形成斜向水流，并产生回流和分离型小漩涡。随河道内水流流速的增加，斜向水流和回流强度会逐渐增加，不利于船舶（队）航行。当流量Q＜8 700 m3/s时，通航水流条件能够满足规范要求，当8 700 m3/s≤Q≤13 500 m3/s时，因堤头上游0～150 m口门区内左向横流较大，最大横流为0.7 m/s，通航水流条件不能满足要求，船舶沿航道中心线左侧上行较困难，船尾易扫向堤头。

对于下游口门区及连接段航道，由于过下游导流堤堤头后，河道断面放宽，水流同样会弯曲变形，形成斜向水流和回流；另外，由于下游航线与下游河势不一致，即航线与河道主流有一定的夹角，使得航道内的横流稍大，不利于船舶（队）航行。当Q≥4 700 m3/s时，堤头下150～650 m口门区及连接段航中线左侧航道内右向横流偏大，通航水流条件不能满足要求，船舶下行易漂移至航中线右侧。

3 枢纽布置修改方案通航水流条件试验与分析

针对船闸上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件存在的问题，对设计方案共进行了3个修改方案试验（图 3）。

3.1 修改方案一通航水流条件

（1）修改方案一工程布置。将船闸上游引航道长度由530 m增加到600 m，其中引航道导流堤直线段长500 m，挑流堤段长100 m，与直线段的夹角为8.6°，口门宽度为70 m，堤头上游布置2个楔形导流墩，导流墩长25 m，宽3 m，顶高程为64.3 m，第一个导墩与堤头的间距为15 m，两导墩间距为20 m。下游引航道长度由530 m增加到650 m，其中引航道导流堤直线段长500 m，挑流堤段长150 m，与直线段的夹角为7.6°，口门宽度为75 m。为减小水流与航线的夹角，将下游航线向右岸进行了适当调整。

（2）修改方案一通航水流条件。虽然将导流堤外扩适当减小了上下游航道内的水流流速，通过下游航线的调整也减小了水流与航线的夹角，船闸通航水流条件得到一定改善；但由于导流堤延长和外扩范围较大，对坝区河道断面流速分布改变较大，对枢纽建成后的河床稳定不利；另外，受挑流堤的影响，枢纽泄流能力与设计方案相比明显减弱，对枢纽泄洪不利。

3.2 修改方案二通航水流条件

（1）修改方案二工程布置。船闸上、下游引航道长度保持530 m不变，将150 m的制动段引航道底宽由55 m渐变为60 m；引航道导流堤直线段长380 m，挑流堤段长150 m，与直线段的夹角为1.9°，口门区宽度为60 m；上游导流堤上游顺挑流堤方向布置3个不等间距的楔形导流墩，导流墩长25 m，宽3 m，第一个导墩与堤头的间距为10 m，第一与第二、第二与第三个导墩间距分别为15 m、20 m；下游导流堤下游顺挑流堤方向布置3个楔形导流墩，导墩间距均为20 m。为减小水流与航线夹角，将下游航线向右岸进行了适当调整。

（2）修改方案二通航水流条件。对于上游引航道口门区及连接段航道，通过将导流堤适当外扩后，使口门区水域宽度有所增加，而在导流堤堤头上游布置的导流墩，消除了堤头附近集中的斜向水流，有效降低了导流墩所在段口门区内的水流流速，在流量Q＜11 700 m3/s（5 a一遇洪水）时，上游引航道口门区及连接段通航水流条件能够满足规范要求；而当11 700 m3/s≤Q≤13 500 m3/s（10 a一遇洪水）时，堤头上游100～250 m左侧航道内左向横流稍大，船舶沿航道中心线左侧出口门需谨慎操舵，若沿中心线上行比较安全。对于下游引航道口门区及连接段航道，导流堤的外扩和导流墩的布置消弱了堤头下游附近航道内的扩散水流，降低了导流墩所在段口门区内的水流流速。同时，由于下游航线向右岸调整后，顺应了下游河道河势和水流方向，有效降低了航道内横向流速，在通航流量范围内，下游引航道口门区及连接段通航水流条件均能够满足船舶航行要求。

3.3 修改方案三通航水流条件

（1）修改方案三工程布置。修改方案三是将船闸上游引航道导流堤长度由设计方案的530 m调整为600 m，其中堤头段100 m为透空堤，孔口为等间距、等高度布置，每隔5 m布置一个孔，每孔宽5 m，孔顶高程低于正常蓄水位4 m，顶高程为54.0 m；上游引航道口门宽度为55 m。

（2）修改方案三通航水流条件。由于部分流量经透空堤下部孔口流出，减小了堤头附近的过流量和水流偏角，相应降低了横向流速，使上游口门区及连接段航道通航水流条件在流量Q≤11 700 m3/s时均能满足船舶（队）航行要求，而当Q=13 500 m3/s时，堤头上游0～100 m口门区左侧航道内，左向横流偏大，通航水流条件不能满足要求。另外，由于透空堤向引航道内引流，加大了引航道内的水流流速，使引航道内纵、横向流速大于规范限值。

3.4 修改方案通航水流条件对比及推荐方案

3个修改方案的通航水流条件相比，就船闸上游口门区航道而言，修改方案三相对较优，修改方案二优于修改方案一；就船闸上游引航道内水流条件而言，由于透空堤向上游引航道内引流，使航道内纵、横向流速大于规范限值，不能满足要求，因此修改方案一和修改方案二优于修改方案三；就船闸下游口门区航道而言，修改方案二和修改方案三相同，要优于修改方案一。

综合对比后，修改方案二可以作为工可阶段枢纽平面布置推荐方案。

4 结语

（1）原设计方案口门区的纵横向流速不满足水流限值要求，不利于船舶（队）航行安全，需寻求改善措施。

（2）针对船闸上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件存在的问题，对设计方案共进行了3个修改方案试验，分别为增加上下游导流堤长度与导流堤外扩的修改方案一、上下游导流堤外扩与导流墩相结合的修改方案二及上游导流堤前端为透空堤的修改方案三。

（3）通过对船闸引航道及上下游口门区和连接段的通航水流条件综合对比后，推荐修改方案二为工可阶段枢纽总体平面布置方案，供设计参考。

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