长沙综合枢纽三期施工导流及通航模型试验研究

蒋明锋，李 帆，刘方舟，乾东岳

（1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，长沙410000；2.长沙理工大学，长沙410076）

长沙综合枢纽位于湘江长沙段蔡家洲，具有改善环境、通航、发电、给水、灌溉、旅游等综合效益。坝址处河道顺直开阔，地形特点有利于分期施工及施工导流［1］。枢纽建设施工导流期间，围堰等导流建筑物将束窄河段，减小过水断面面积，改变原始水流特性，从而影响河段的行洪能力和通航水流条件。行洪能力是否满足要求，关系到坝址以上河段沿岸生命财产安全以及施工进度的顺利进行，是枢纽建设中至关重要的问题。而为了确保工程施工安全及地区经济的发展，则必须保证施工期间河段的水流条件能够满足船舶的安全通航［2］。

根据枢纽河段地形、水流条件等特点，同时综合考虑工程进度安排，长沙综合枢纽分三期进行施工导流：一期围右汊20 孔泄水闸，由左汊河床过流和通航；二期围左汊左岸船闸及部分泄水闸，由左汊束窄河床及右汊已建20 孔泄水闸泄流，左汊临时航道通航；三期围左汊右岸电站厂房及剩余的泄水闸，由已建左汊和右汊的泄水闸泄流，已建船闸通航。本文主要针对长沙综合枢纽三期工程，通过水工模型试验，重点分析河段的行洪能力和通航水流条件，研究确定合理的导流方案。

1 模型设计及试验控制条件

1.1 模型设计

模型设计范围上起坝轴线上游约4.3 km，下至坝轴线下游约7.4 km，全长约11.7 km。宽度超过河流两岸防洪堤范围，并考虑沩水汇入的影响，其值为10～25 km 不等。根据几何相似、水流运动相似、动力相似及阻力相似准则，模型试验所用的水工模型采用1：100 正态定床模型［3-4］。表面流场测量采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）系统对表面粒子实时图像采集与处理。

1.2 试验控制条件

通过分析比较施工导流前后沿程水位，从而得到上游水位雍高值以反映施工导流期间河段的行洪能力。设计要求施工导流后的雍高值控制在45 cm 以内。

三期施工导流期左汊左岸永久船闸已建设完工，属于Ⅱ级船闸。根据《船闸总体设计规范》［5］，对船闸口门区通航水流的要求如表1 所示。

2 三期施工导流行洪能力研究

2.1 导流设计方案行洪能力研究

2.1.1 设计导流方案

表1 口门区水面最大极限流速Tab.1 The maximum limit value of entrance area surface velocity m/s

设计方案按全年2 a 一遇标准设计围堰，围左汊剩余的16.5 孔泄水闸和厂房（图1）。挡水工况时，由左汊已建10 孔泄水闸和右汊20 孔高堰闸坝联合过流，已建船闸通航；过水工况时，由已建左汊10 孔闸坝、右汊20 孔闸坝与左汊三期过水围堰联合泄流。

图1 三期围堰平面布置图Fig.1 Sketch of plane arrangement for third-stage cofferdam

2.1.2 试验结果分析

三期围堰在设计标准（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）时，围堰上游最大壅高为62 cm，不满足小于45 cm 的设计要求，说明三期施工导流的设计方案壅高值较大，泄流能力不足。

通过观察三期上游围堰处流场发现，受上游围堰的影响，左汊泄水闸前存在回流区（图2），较大程度地影响了靠近围堰的两孔泄水闸泄流能力。通过观测左汊10 孔泄水闸闸前流速发现，从第一孔至第八孔泄水闸闸前行进流速一般在2.8～4.0 m/s；第九孔泄水闸受回流区的影响，闸前行进流速较小，只有0.7 m/s；第十孔泄水闸受到回流区的影响严重，不仅没有泄流，甚至产生了倒流，流速为-0.6 m/s，使得泄水闸实际过流能力减小。

图2 三期设计方案围堰附近流场图Fig.2 Flow field around cofferdam for the third design proposal

2.2 优化设计方案行洪能力研究

由于三期施工导流设计方案存在水位壅高较高的情况，需按设计标准（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）对围堰的平面布置形式进行优化。

通过分析长沙综合枢纽三期施工导流的具体情况，发现其有以下特点。首先，三期施工导流的布置与二期施工导流的布置关系紧密，两者之间的过流宽度需分配合理。增加其中一方的溢流宽度，则会减小另一方的溢流宽度。所以，若为了使三期导流满足行洪要求而不断增加其溢流宽度，那么将减小二期导流的溢流宽度从而影响二期的行洪能力。其次，从三期导流设计方案的上游围堰流场图可以看出，回流影响了靠近围堰的两孔泄水闸泄流能力，使得现有的溢流宽度未充分发挥溢流作用。

当施工导流的行洪能力不足时，通常考虑的是增加溢流宽度以及河道疏浚［6-7］，从而使上游雍高值满足设计要求。但是，根据长沙综合枢纽三期施工导流的特点，不能一味地增加其溢流宽度，而需要同时考虑通过调整围堰平面布置形式，调顺水流方向，改善水流条件，从而提高河段的行洪能力。

在三期施工导流设计方案的基础上，从增加溢流宽度和调整纵向围堰与水流方向两方面对其进行优化，共提出了3 种优化方案。

2.2.1 平面布置优化

（1）优化方案1：增加溢流宽度20 m（增加一孔泄水闸，由原设计方案的10 孔改成11 孔，下同），纵向围堰型式不变，如图3 所示；该方案从增加溢流宽度角度出发，增大过流面积以降低上游的水位壅高。

图3 三期施工导流优化方案1 示意图Fig.3 Sketch of the first optimum proposal for third-stage construction diversion

图4 三期施工导流优化方案2 示意图Fig.4 Sketch of the second optimum proposal for third-stage construction diversion

（2）优化方案2：增加溢流宽度20 m，且上游纵向围堰端部向右岸上游横向围堰方向移动30 m，如图4所示。

（3）优化方案3：增加溢流宽度40 m（增加两孔泄水闸，由原设计方案的10 孔变成12 孔，下同），纵向围堰型式不变，如图5 所示。

图5 三期施工导流优化方案3 示意图Fig5 Sketch of the third optimum proposal for third-stage construction diversion

2.2.2 试验结果分析

各优化方案在2 a 一遇洪水流量（Q=13 500 m3/s）工况下，在采取各种措施后围堰上游的最大壅高值原方案为62 cm，优化方案1 为57 cm，优化方案2 为43 cm，优化方案3 为52 cm。

分析试验结果可知：

（1）各优化方案的壅高值较原方案均有所减小，其中优化方案1 和优化方案3 的壅高值降低较小，最大壅高值分别为57 cm 和52 cm，不满足小于45 cm 的设计要求。优化方案2 的壅高值降低较多，最大水位壅高值为43 cm，满足小于45 cm 的设计要求。

（2）优化方案1 和优化方案3 在设计方案的基础上仅“增加溢流宽度”，未优化纵向围堰的结构型式，使得上游纵向围堰处的回流并未得到改善，靠近纵向围堰的2～3 孔泄水闸泄流能力未提高。从表2 的数据可以看出，每增加20 m 的溢流宽度，水位雍高值减小5 cm，说明仅靠“增加溢流宽度”的方法对提高导流期的行洪能力所起到的效果是有限的。

（3）优化方案2 是在优化方案1 的基础上将纵向围堰改为折线，“调整纵向围堰与水流方向”，使水流更加平顺，从而大大降低了回流区影响范围（图6），使得靠近纵向围堰两孔泄水闸闸前行进流速比原方案有较大的提高，从而提高了泄水闸的泄流能力。从表2 的数据可以看出：优化方案2 较优化方案1 的纵向围堰端部右移30 m，水位壅高值减小了14 cm，说明“调整纵向围堰与水流方向平顺”方法更有利于提高施工导流期的河段行洪能力。

综上所述，仅优化方案2 满足行洪要求。分析各优化方案可知，优化方案2 是在设计方案的基础上，同时结合了增加溢流宽度和调顺纵向围堰与水流方向的方法，其不仅增大了水流的实际过流宽度，而且调顺了水流，降低了回流区的影响范围，从而较大地提高了河段的行洪能力。因此，在优化方案2 的基础上校核船闸引航道及口门区的通航水流条件。

图6 优化方案2 左汊泄水闸前流场示意图Fig.6 Flow field in front of left branch floodgate for the second optimum proposal

3 三期施工导流通航水流条件研究

施工导流方案在保证河段具有较好行洪能力的同时，也须确保河段水流条件满足船舶安全通航要求［8］。针对优化方案2，选取2 a 一遇（Q=13 500 m3/s）、5 a一遇（Q=17 500 m3/s）和10 a 一遇（Q=19 700 m3/s）洪水流量，研究船闸引航道及口门区的通航水流条件。

通过观测流场，发现船闸引航道内基本为静水，重点研究船闸上、下游口门区的通航水流条件，试验结果如表2 所示。

表2 推荐方案口门区通航水流条件Tab.2 Navigation flow conditions of entrance area for recommended proposal m/s

优化方案2 在各级典型流量下，船闸上、下游口门区水流条件均满足规范要求，能够保证船舶的安全通行，可以作为三期施工导流的推荐方案。

4 结论

（1）三期施工导流设计方案，由于左汊上游围堰造成的回流区和溢流宽度不足影响了泄水闸的过流能力，导致三期施工导流期围堰上游河段水位壅高较高，不满足设计要求；

（2）在设计方案的基础上，共提出3 种优化方案。其中优化方案2 能满足河段的行洪能力要求，也能保证较好的通航水流条件，故选取优化方案2 作为三期施工导流的推荐方案；

（3）当施工导流的行洪能力不足时，通常考虑的是增加溢流宽度。但是，通过分析比较三期施工导流各种方案的行洪能力可知，采用调整围堰局部平面布置、调顺水流方向、增大溢流孔的有效过流能力对降低水位雍高所起的作用更为明显。本文研究推荐方案不仅可以作为设计的依据，也为类似工程通过了优化思路；

（4）通过物理模型试验研究河段施工导流期的行洪能力和通航水流条件，其成果可为设计、施工部门相关方案的制定提供科学依据，其研究方法可为类似工程提供参考。

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