汉江雅口航运枢纽泄流能力试验研究

李君涛，闫涛，王艳华

（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）

汉江雅口航运枢纽泄流能力试验研究

李君涛，闫涛，王艳华

（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）

为了论证和优化拟建汉江雅口航运枢纽总体布置，在初步设计阶段采用比尺为1∶100的整体定床正态物理模型，对枢纽泄流能力进行试验研究。文中阐述了设计方案工程布置条件下的枢纽泄流能力、分析了枢纽泄流方面存在的问题及其影响因素，针对设计方案在泄流能力方面存在的不足，通过调整枢纽上游隔流建筑物布置形式、缩窄船闸导航墙宽度及河床局部疏浚等多种优化工程措施，提出了满足枢纽泄流能力的总体布置方案，研究成果可供类似工程参考和借鉴。

雅口航运枢纽；泄流能力；模型试验

拟建雅口航运枢纽工程位于汉江中游丹江口—钟祥河段、湖北省宜城市下游13.7 km处，上距丹江口水利枢纽201 km，下距河口448 km，是汉江干流湖北省内梯级开发中的第6级，其上下游分别与崔家营梯级和碾盘山梯级衔接，距上游崔家营梯级约为49.97 km，距下游碾盘山梯级约为62.24 km。

雅口航运枢纽工程开发任务以航运为主，兼顾发电、灌溉、旅游等综合利用效益。枢纽主要建筑物包括船闸、泄水闸、发电厂房、开关站、土石坝、鱼道等。枢纽正常蓄水位55.22 m，相应库容3.37亿m3，装机容量75 MW，航道等级为Ⅲ（2）级。枢纽主要建筑物设计洪水标准为50 a一遇，相应洪水流量20 200 m3/s；校核洪水标准为300 a一遇，相应洪水流量为27 300 m3/s。为了解决枢纽总体布置、泄流能力及船闸通航条件等技术问题，进行了整体水工模型试验。本文结合1∶100正态整体水工模型试验成果，就枢纽泄流能力问题进行分析和讨论。

1 枢纽工程布置设计方案及泄流能力试验

1.1 坝址河段河势

雅口航运枢纽工程所在河段总体流向为东南向，河道弯曲，河谷不对称，心滩、洲滩发育，河段呈宽窄相间的莲藕状，主河槽呈“S”走向，坝址上游主槽贴左岸，坝址处主槽由左岸向右岸过渡，坝址以下主槽贴右岸。坝址区河谷开阔，主河槽宽约600～800 m，河底高程44.0～47.2 m。主河道右侧低漫滩平坦宽阔，滩面宽560～1 000 m，滩面高程49.3～52.8 m。右岸为平坦开阔的Ⅰ级阶地，宽度1 500～2 000 m，高程在52.0～54.0 m之间。

1.2 设计方案工程布置

雅口航运枢纽推荐坝线处于反“S”形主河槽由左向右的过渡段，右侧为宽大的边滩，坝轴线走向与工程所在河段的整体河势斜交，与坝址处中、枯水河槽基本垂直。枢纽平面布置从右至左分别为右岸土石坝1 810.1 m、船闸44.0 m、连接段124.4 m、泄水闸坝814.0 m、电站厂房（含安装场42.0 m）205.1 m、鱼道、左岸土石坝182.3 m。船闸布置于右岸滩地的滩唇位置（右侧预留二线船闸位置），闸室有效尺度为180 m×23.0 m×3.5 m（闸室长度×宽度×槛上水深），为了防止洪水期右侧滩地水流横越口门区而产生不利的通航水流条件，设计方案在船闸上游口门区右侧顺水流方向设置一顺直隔流堤；泄水闸布置于主河槽及右侧低漫滩位置，共设有44个闸孔，泄洪闸采用平底宽顶堰，堰顶高程44.00 m，闸孔净宽14 m；电站厂房布置在左岸主河槽内，主厂房（包括安装场）平面尺寸为177.1 m×24.0 m（长×宽），厂房内安装6台灯泡贯流式水轮发电机组。设计方案工程布置见图1。

1.3 设计方案枢纽泄流能力

1）泄流能力控制标准

依据行业相关规范同时结合坝址河段河势条件以及枢纽工程布置特点，确定的枢纽整体泄流能力控制标准为：枢纽建成后在宣泄设计洪水及以下流量时（Q≤20 200 m3/s）坝上最大水位壅高值不大于0.3 m，在宣泄校核洪水时（27 300 m3/s）不大于0.5 m。

2）泄流能力试验成果

选取Q=13 500 m3/s（10 a一遇）、Q=20 200 m3/s（设计洪水、50 a一遇）和27 300 m3/s（校核洪水、300 a一遇）三级特征洪水流量进行枢纽泄流能力试验。工程前、后沿程水面线对比见图2。

图1 设计方案工程布置图Fig.1 Layout sketch of the design scheme

图2 设计方案工程前后沿程水面线Fig.2 Water-surface curve before and after the project in design scheme

试验结果表明，与工程前相比，枢纽建成后坝上水位壅高，且随着流量的增加，水位壅高值逐渐增大，在设计洪水（20 200 m3/s）与校核洪水（27 300 m3/s）时坝上最大水位壅高值分别为0.63 m、0.99 m，均已超出枢纽泄流能力控制标准，由此可见在设计方案工程布置条件下枢纽泄流能力达不到要求。

由工程后枢纽上游水位壅高值沿程变化可以看出，坝上最大壅水位置出现在枢纽上游约3 km处，不同于一般枢纽最大壅水值位于坝前附近的壅水规律。产生上述现象的原因是船闸上游右侧顺直长隔流堤的存在，在其堤头位置形成了除泄水闸之外的又一水位控制断面，在其限制作用下，由泄水闸造成的水位壅高值向上传递此处后又产生了累积叠加而致。

从各个闸孔过流能力分布曲线来看（图3），布置于河道主槽内的3号～29号闸孔（注：左起为1号）过流能力明显高于其他闸孔，布置于最右侧的10个闸孔（34号～44号）以及最左侧2个闸孔的泄流能力相对较弱。

图3 设计方案流场图Fig.3 Flow field in design scheme

3）泄流能力影响分析

根据模型观测和试验数据分析设计方案枢纽泄流能力较弱的原因[1-2]：一是各泄水闸孔过流能力分布不均，左右两侧部分闸孔泄流能力明显较弱。其中右侧10个闸孔因布置于低漫滩位置，以及受船闸上游口门区右侧长导堤挑流影响和导航墙掩护作用，闸前水动力较弱（图3），造成闸孔过流能力低下。此外，受厂坝间隔水墙挑流影响，最左侧2个闸孔前为回流，其泄流能力亦未得到有效发挥；二是枢纽上游因船闸右侧隔流堤而形成的水位控制断面，使得坝上水位进一步壅高。

2 优化方案布置及试验

2.1 优化工程措施

通过设计方案枢纽泄流能力试验成果综合分析认为，影响因素主要包括船闸上游隔流堤、导航墙、厂坝间隔水墙以及河床地形等多种。因此，优化方案工程布置综合考虑了以上因素，对设计方案提出了以下优化改进措施[3-7]（图4①～⑥）。

1）船闸上游隔流堤向上游延伸1 080 m，布置形式由原设计方案的单一直线型调整为直线（下段）与曲线（上段）相结合的复合型；

图4 优化方案工程布置图Fig.4 Project layout in optimized scheme

2）右侧10孔泄水闸闸前滩地疏挖至47.6 m高程；

3）船闸上游口门区及连接段右侧隔流堤右移160 m至预留二线船闸引航道右侧；

4）船闸上、下游导航堤的宽度由86 m缩窄为10 m；

5）厂坝间上游隔水墙长度由84 m缩短为35 m，且采用墙身开孔的布置形式；

6）枢纽下游高滩的右侧滩唇部位疏浚至46.5 m高程。

2.2 试验成果分析与讨论

通过对枢纽优化布置方案进行试验，枢纽整体泄流能力大大改善，取得以下主要成果。

1）结合坝区河势及枢纽布置特点，船闸上游隔流堤适当延长同时将上段调整为圆弧形可适应洪水期右侧滩地侧向收缩水流的流线方向，消除因堤头挑流而导致的右侧泄水闸孔闸前水流动力较弱的不利因素，提高了闸孔过流能力，上述优化措施实施后，设计洪水与校核洪水流量坝上最大水位壅高值降低为0.45 m、0.78 m。

2）枢纽右侧10个泄水闸孔布置于低漫滩，闸前滩地高程一般在49.0～52.0 m，高出泄水闸堰顶5.0～8.0 m，极大影响了闸孔的引流条件。优化方案通过疏挖闸前滩地，改善了相应闸孔的引流条件。试验结果显示，在调整隔流堤布置基础上继续实施低漫滩疏挖措施实施后，设计洪水与校核洪水流量坝上最大水位壅高值降低为0.33 m、0.65 m。由此可见，优化措施工程效果较为明显，枢纽整体泄流能力增强（图5）。

图5 闸孔过流能力分布图Fig.5 Discharge capacity distribution through each sluice hole

3）由设计方案枢纽泄流能力影响分析可知，上游隔流堤堤头处形成的水位控制断面也是造成工程后坝上水位壅高较大的另一影响因素。为此，提出了将隔流堤右移以增大堤头附近河道过水面积，减弱其对泄水闸上游水位控制的优化措施。试验表明，隔流堤右移后，设计洪水与校核洪水流量坝上最大水位壅高值分别降低为0.27 m、0.56 m，枢纽泄流能力进一步增强。

4）缩窄船闸导航堤，使其尽量远离泄水闸，可减弱其对泄水闸右侧边孔的掩护影响，有利于边孔过流能力的改善。

5）缩短厂坝间上游隔水墙且采用墙身开孔的布置形式，可减小最左侧2孔泄水闸闸前回流区的范围，有利于闸孔有效过流宽度的增加。

6）枢纽下游高滩的右侧滩唇部位疏浚主要为改善中洪水流量船闸下游通航条件而提出，该措施的实施在改善船闸通航条件的同时，也有利于泄水闸出流更为顺畅，对于提高洪水期泄水闸的泄流能力起到了积极作用。

7）优化方案在上述各优化措施的综合作用下枢纽整体泄流能力提高，设计洪水与校核洪水流量坝上最大水位壅高值分别为0.23 m、0.48 m，枢纽泄流能力达到了控制标准。

8）优化方案下枢纽整体泄流能力增强，但是左右两端部分闸孔受隔导流建筑物掩护影响过流能力仍然相对较弱，这也是集中布置的水利枢纽普遍存在的问题。

3 结语

1）雅口航运枢纽工程坝址所处河段存在宽大的边滩，为防止洪水期边滩水流横越船闸上游口门区，在其外侧设置隔流堤改善船闸通航条件是必要的，但隔流堤的挑流作用以及形成新的水位控制断面是造成枢纽整体泄流能力较弱的原因之一。

2）内河枢纽各建筑物集中布置时，泄水闸左右两端部分闸孔受隔、导流建筑物掩护影响过流能力相对较弱是普遍存在的问题，在枢纽布置时可考虑采用局部开孔的隔水建筑物形式或将导流建筑物适当远离泄水闸，尽量提高边孔过流能力。

3）内河枢纽泄水闸泄流能力除受枢纽建筑物总体布置、泄流闸堰类型、堰顶高程以及隔导流建筑物等影响以外，其上下游附近河床地形也是重要的影响因素，不容忽视。

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Experimental study on shiplock discharge capacity of Yakou hydro-junction in Hanjiang River

LI Jun-tao,YAN Tao，WANG Yan-hua
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

Based on the integrated physical model test with the scale of 1:100 in preliminary design phase,we studied the discharge capacity of Yakou hydro-junction in Hanjiang River in order to demonstrate and optimize the general planning project.In this paper,we described the discharge capacity of hydro-junction under the engineering arrangement in design scheme,and analyzed the existing problems and its influence factors.Aiming at the disadvantages of discharge capacity which exist in the design scheme,we proposed the optimized measures such as adjustment of layout pattern of separation levee at the upstream of the hydro-junction,narrowing the width of ship lock guide wall and the local dredging in the channel bed.The research results may serve as reference for the other similar projects.

Yakou hydro-junction;discharge capacity;model test

U641.32；TV61

A

2095-7874（2017）01-0038-04

10.7640/zggwjs201701008

2016-08-11

2016-11-01

李君涛（1983— ），男，河北衡水人，高级工程师，主要从事通航及航道工程研究。E-mail：lijuntao2005@163.com