长江小南海枢纽施工二期导流明渠通航条件研究

李 霞，张绪进，杜宗伟，李 平

（重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400016）

长江小南海枢纽施工二期导流明渠通航条件研究

李 霞，张绪进，杜宗伟，李 平

（重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400016）

根据小南海枢纽河段河势及水流条件特点，通过水工模型试验和船模试验相结合的方法，分析了小南海枢纽施工二期导流明渠通航条件及存在问题，提出了明渠进口段炸除碍航礁石、出口段开挖新航槽的优化方案。研究表明:导流明渠原设计方案明渠进、出口段礁石碍航严重，通航水流条件差;优化方案通过整治措施显著改善了导流明渠的通航条件，保障了小南海枢纽施工二期长江上游航运的安全畅通。

小南海枢纽;施工二期;导流明渠;通航水流条件

拟建的小南海水利枢纽位于长江上游重庆河段，是三峡水利枢纽的上游衔接梯级，其坝址上距江津区约28.5 m、下距重庆主城40 km，是云、贵、川、渝四省市通江达海的必经之地，运输繁忙，物流量大。电站保证出力为761 MW，装机容量为2 000 MW，年平均发电量为102.06亿kW·h，是重庆统调电网中投资规模最大的水电工程［1］。因此，保障该枢纽施工二期航运安全通畅是工程建设中须妥善解决的重大难题之一。为了分析研究小南海枢纽施工二期导流明渠的通航问题及改善措施，进行了水工模型试验和船模试验。

1 小南海河段及枢纽工程概况

长江出大猫峡后河面逐渐放宽，进入小南海—中堆宽浅分汊河段。拟建小南海枢纽，坝轴线横穿大中坝江心洲中部，其上游约2.5 m为白沙沱铁路大桥，该桥主跨仅80 m，汛期通航水流条件较差，时有海损事故发生［2］。铁路大桥至江心洲洲头河道微弯，右有石盘伸入江心，横卧于明渠进口段，枯水期水面宽度

navigation flow condition不足500 m。明渠渠身沿大中坝右汊布置，其下游出口段与天然河道衔接，该河段左岸边滩发育，河心有中堆江心洲，右岸突咀挑流明显，水流湍急，扫弯水强劲，为川江著名枯水险滩［3］，其工程河段河势见图1。

小南海枢纽位于三峡水库库尾，目前为Ⅲ级航道，航道尺度为2.7 m×50 m×560 m（航深×航宽×弯曲半径，下同）［4］，远期规划航道等级为Ⅰ级，航道尺度为3.5 m×100 m×1 000 m。

小南海枢纽总工期为8年2个月，拟采用三期施工导流通航方式:一期为导流明渠、左岸电站厂房施工期，主河床过流与通航，工期2年1个月;二期为仿自然通道左支、左岸溢流坝段、左岸电站厂房、船闸施工期，明渠过流与通航，工期4年;三期为右岸溢流坝段、右岸电站厂房、仿自然通道右支施工期，由左岸溢流坝段过流，船闸通航，工期17个月。从通航角度分析可知，施工二期导流明渠通航问题更为复杂，且时间长达4年，须做详细深入地研究。

图1 工程河段河势Fig.1 Regime map of engineering reach

导流明渠布置在大中坝右汊，利用原河道的副槽（右汊），将其挖宽挖深，平面上呈微弯状态。明渠中心线全长4 907 m，梯形断面，渠底宽350 m，底部高程 168.0 m，出口段设 0.2‰斜坡降至高程166.0 m，再接1︰10 反坡升至 168.0 m，明渠进口段左侧（大中坝头部）高程开挖至176.0 m，出口左侧（大中坝尾部）高程开挖至170.0 m。明渠上、下游与天然河道衔接，进口处石梁横卧，出口处紧接川江著名枯水碍航滩险，通航条件较差。

设计明渠最高通航流量为20 000 m3/s，最低通航流量为2 300 m3/s（通航保证率为98%）。

2 水工模型试验及船模试验概况

枢纽所在河段为微弯分汊型河道，根据河势特点和研究内容，为确保研究河段的水流结构相似，模型选用几何比尺为1︰150的正态模型，实际模拟从坝轴线上游6.2 km至坝轴线下游6.7 km共计12.9 km的原型河道（图2）。按照重力相似和阻力相似的准则设计。模型建成后对河道水面线、断面流速分布、水流流向等进行了验证。验证结果表明，模型与原型是相似的，且模型水流处于阻力平方区，属紊流状态，与天然水流相似，模型最小水深＞3 cm，满足模型水流不受表面张力影响的要求。

图2 模型试验布置Fig.2 Layout of the hydraulic model

船模试验根据《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》，代表船舶选用3 000 t级机动货船（船舶尺度 92.0 m ×16.2 m ×3.5 m，船长×船宽×吃水），船模静水航速上行为0.45 m/s，下行为 0.33 m/s。船模试验时首先按比尺要求制作船模后在试验水池中进行率定，后用遥控设备操纵船模在水工模型相应航段航行。船模的航迹、航速、船位、漂角等航行要素有激光快速扫描遥测，船模的用车、用舵等操纵因素由CMJ-3无线电接口遥测，数据自动输入计算机进行处理、计算和绘图。

由于小南海河段位于三峡水库库尾回水变动区，施工期明渠通航条件受三峡水库运行方式的影响较大。根据该河段的实际情况，结合三峡水库调度运行方式，拟定6级流量作为施工期明渠通航条件的试验工况，见表1。

表1 明渠通航条件试验工况Table 1 Test conditions of the open channel navigation

3 原设计方案通航水流条件试验

3.1 水流条件分析

明渠水流兼具弯、急双重特点（汛期尤为明显）。中、小流量时明渠水流平稳，渠身段通航条件较好，但上、下游连接段航道弯曲;大流量时受明渠过水断面限制，流速、比降增大，通航条件恶化，不同流量下明渠通航条件差异较大［5-6］，见表2。

表2 原设计方案上水航线流速、水面比降Table 2 Velocity＆slope in up-navigation route of original design scheme

试验结果表明，当流量为Q=2 300，5 000 m3/s时，明渠内水流平缓，流态良好，通航条件优越。但明渠上游连接段右岸岸线凸出，巨大石梁横卧于进口，航道曲率半径仅为350 m，船舶进、出明渠十分困难;明渠出口与川江枯水碍航滩险（渣角滩）相连，使得枯水航道更加弯曲，航行条件恶劣。

当流量Q=10 000 m3/s时，明渠内除大中坝坝头斜流出现外，其余部位水流仍较平稳，水流条件满足船舶通航要求。但明渠上游连接段石梁顶部水深仍不够，船舶进、出须绕行;明渠下游连接段因河面增宽、航线选择余地较大，船舶进、出明渠下口难度减小。

当流量Q=15 000 m3/s时，受明渠过水断面的限制，渠内流速、比降显著增大，进口左侧大中坝坝头斜流最大达4.30 m/s，其他部位无明显不良流态。此时船舶自航上行过渠已较困难，另外明渠上游连接段礁石附近泡漩较强，影响航行安全;下游连接段水深、河宽进一步增大，航线选择余地大，船舶进、出明渠下口的通航水流条件根本改善。

当流量为设计最大通航流量Q=20 000 m3/s时，明渠上水航线上的流速为3.07 ～4.38 m/s，渠内水面波动较明显，船舶需减载上行。上游连接段石梁顶部水深虽够，但仍存在泡漩等不良流态;下游连接段通航条件满足要求。

长江流量为大洪水Q=25 000 m3/s时，明渠内水陡流急，渠内水面波动进一步增强，通航条件进一步恶化，通航条件已不能满足船舶自航上行过明渠的要求。

3.2 存在的通航问题

通过试验分析可知，明渠渠身段受断面型式限制，流态随流量的增大而逐渐变差;而明渠进、出口段受地形条件影响显著，枯水期航道曲率半径不能满足相应规范要求，且水流湍急，航行条件恶劣。因此，明渠上、下游进出口段，尤其是连接段的通航水流条件为重点改善对象［7-8］。

4 优化方案通航水流条件试验

4.1 优化措施

针对原设计方案明渠进、出口段存在的问题，在保持明渠渠身段总体布置不变的基础上，对原设计方案进行了优化。上游连接段炸除右岸石梁突出部分，炸礁基线与明渠轴线基本平行，炸至168 m高程，边坡为1︰1;下游连接段开挖新航槽，将中左汊挖宽挖深，挖槽轴线长约1 600 m，梯断面，航槽底宽100 m，水深3.5 m;调顺明渠下段右边线，为使明渠水流与新挖航槽平顺衔接，将明渠下段的右边线向左移动0～100 m，见图3。

图3 导流明渠优化方案措施示意Fig.3 Optimization scheme measures of diversion channel

4.2 优化方案水流条件分析

各级流量的试验成果见表3。

表3 优化方案上水航线流速、水面比降Table 3 Velocity and slope in up-navigation route of optimization scheme

试验表明，当流量Q=2 300 m3/s时，上游连接段水流平缓，流态良好，船舶进、出明渠的通航条件得到根本改善;明渠段水流平缓、流态良好，航行条件优越;下游连接段与新挖航槽衔接平顺，航槽流速为 0.99 ～ 2.5 m/s，水面比降i≤ 0.90‰，满足通航水流条件要求。

当流量为Q=5 000～10 000 m3/s时，整治后明渠段上、下游连接段航线平顺，航槽水深富裕、流速较缓、比降较小，无碍航流态，通航条件良好;当流量Q=15 000～20 000 m3/s时，随着长江流量的增大，明渠及其上、下游连接段的水流流速加大，不良流态显现，通航条件逐渐变差;当流量Q=25 000 m3/s时，受明渠过水断面的限制，大洪水时明渠及其上、下游连接段流速、比降显著增大，明渠进口斜流较强，渠内扫弯水势较明显，水面波动较大，通航条件进一步恶化。

综上所述，优化方案对明渠上、下游连接段航道进行整治后，航道弯曲半径由480 m增加到800 m，航线顺畅，船舶进、出明渠不需绕行，安全、快捷。中、低水期，明渠及其上、下游连接段水流平稳、流态良好，通航条件优越;洪水期流速、比降增大，斜流显现，通航难度逐渐增大，在长江流量小于20 000 m3/s时，船舶可采取助推、减载等措施上行过渠。

5 结语

针对长江小南海枢纽施工二期导流明渠原设计方案枯水期上游进口段和下游出口段通航条件差、洪水期明渠流急坡陡的问题，优化方案在保持明渠布置、规模、尺度不变的基础上，炸除进口段碍航礁石、调整渠身段右岸边线及出口段利用浅滩汊道开挖新航槽的方案解决了施工期明渠通航关键技术难题。结合长江三峡导流明渠中存在的问题及解决方案，再一次证明导流明渠设计中关键技术，往往不在明渠本身而在明渠的上、下游进口段与航道的连接段。该试验研究成果为通航河流上修建大型水电站枢纽设计积累了宝贵的经验。

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Diversion Channel Navigation Condition in Construction PhaseⅡ of Xiaonanhai Water Control Project on Yangtze River

Li Xia，Zhang Xujin，Du Zongwei，Li Ping
（Southwest Hydraulic Engineering Institute for Water Transport，Chongqiong 400016，China）

According to river regime and flow condition characteristics of Xiaonanhai Water Control Project reach，diversion channel navigation condition and existing problems in construction phaseⅡare studied by hydraulic model and ship-model test.Generally，navigation flow condition is bad because of the rocks at the import and export section of diversion channel in original diversion channel design，and has been significantly improved in optimization scheme by regulation the import and export section of diversion channel and excavation new channel.

Xiaonanhai Water Control Project;construction phaseⅡ;diversion channel;

U617.3

A

1674-0696（2013）02-0306-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.28

2012-09-16;

2012-12-20

交通运输部西部交通建设科技项目（2008 328 000 20）

李 霞（1984—），女，四川彭州人，硕士，主要从事水利水运工程研究。E-mail:lxhhu@163.com。