山区复杂条件下已建船闸通航条件改善措施研究

路莅枫,王 能,普晓刚

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司,长沙 410011；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司,长沙 410008；3.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)

山区河流上建设水利枢纽往往受河道狭窄、弯曲、洪水峰高量大等复杂条件限制，船闸引航道口门区在中、洪水期较难满足安全通航要求，为改善船闸口门区通航水流条件，透空式导流结构是常采用措施之一。透空式导流结构通过分解突扩水流，可以较好的改善口门区通航水流条件。国内外学者研究了多种透空式结构改善措施，如导流墩、浮式导流堤、透空式导流墙等方法[1-4]。

国外导航墙(堤)墙头与墙身开孔是改善口门区水流条件的主要措施,墙头开孔,长度为20～70 m。如德国摩赛尔河上的列门、方凯尔枢纽以及萨尔河上雷灵根壅水坝枢纽的船闸上游导航堤均采用了堤头开孔,能减弱回流强度和范围,从而获得满意的航行条件[5]。

表1 国内透空式导墙工程实践案例Tab.1 Domestic permeable guidewall engineering projects

国内透空导墙(堤)的工程实践案例较多[6-7](表1)。如渠江风洞子、风仪枢纽、新滩枢纽、小龙门枢纽、嘉陵江红岩子、新政等船闸，都采取了在导航墙上开孔达到改善山区河流船闸引航道口门区通航水流条件的目的。此外，在葛洲坝水利枢纽的试验研究中, 也表明只要导流堤头开孔布置合适, 能降低堤头附近的横流作用, 但存在孔口泥沙淤积问题。国内有关的工程案例其透空导墙孔口多为等间距、等高度布置，与国外工程不同的是部分枢纽采用孔口轴线与船闸轴线成30°～60°夹角的设计。

已建的五强溪枢纽位于沅水干流下游湖南省沅陵县杨五庙，建筑物主要有左岸500 t级船闸、混凝土重力坝、9孔溢流坝、中泄洪孔、右岸坝后式主副厂房等组成，总布置按一列式(图1)。枢纽所在河段为典型的山区河流， 1995年2月船闸正式通航，但受河道边界条件、枢纽运行及既有工程的影响，船闸下游口门区通航流态较差[8]，流量超1 940 m3/s时已不满足通航要求，远低于设计最大通航流量7 800 m3/s。

图1 五强溪水电站主要建筑物布置图Fig.1 Layout of main buildings of Wuqiangxi hydropower station

结合五强溪电站下游船闸引航道口门区水流条件及其改善措施的研究，对比研究了多种透空式导流结构的整治措施对水流条件的改善效果。五强溪船闸下游导流堤较短，无法阻隔主流斜穿口门区，同时受下游河宽逐渐收缩的河势和左侧河道为深槽、右侧为边滩的复杂河床形态的综合影响，中、洪水流量下流急、偏角大，致使口门区横向流速及回流流速过大。透空式导流结构主要是通过上部挡流、下部导流的形式来减弱斜向水流，而底部水流会绕过导流堤形成一股向上涌起的水流，该股水流对船舶航向不利。在导流堤下游口门区外侧布置若干连续的导流墩，可以把口门区大范围的回流分解成若干不连续的小回流区，由于主流动力作用长度减小，口门区内的回流强度相应得到减弱；同时导流墩的阻挡作用，使进入口门区的水流动量减小，相应削弱了口门区内的斜流。结合透空导流堤(墙)与导流墩各自优势，提出了适用于山区复杂条件下改善船闸口门区通航水流条件的桩基透空导流屏的新型结构,可为同类项目提供借鉴参考。

1 模型概况

根据五强溪枢纽船闸所处河道特征、河床形态、地形特点等，确定试验模型为定床正态，几何比尺为1:100，模拟原型河道长度约为5.2 km，其中坝址上游长约1.2 km，坝址下游长约4 km，宽度为400～900 m不等。因此，模型全长约52 m，模型宽4～9 m，见图2。

图2 模型平面布置Fig.2 Model layout

通过1 080 m3/s(枯水)、2 770 m3/s(中水)、6 250 m3/s(洪水)三级流量下水面线、流速分布和断面流量验证，模型左、右岸水面线与天然水面线基本吻合，水位误差均在±0.1 m内，模型与原型达到了阻力相似；断面流速分布趋势与原型基本一致，模型的水流运动与原型相似。验证结果均满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》(JTJ/T232-98)和《通航建筑物水力学模拟技术规程》(JTJ/T235-2003)的要求。因此，在此基础上进行模型试验，其成果是可靠的。

2 现状条件下船闸口门区碍航原因

五强溪枢纽船闸最小通航流量(Q=390 m3/s)时，下游引航道口门区约50 m，而45 m等高线贯穿下游导流堤堤头以下航道，最小通航流量下航深在5 m以上，说明下游航道航深富裕，碍航主要由水流流态所导致。

从五强溪枢纽坝下河床形态来看，导航墙右侧附近河床存在长条形冲刷沟，冲沟宽度约60 m，底标高在37～41.8 m，堤头附近形成椭圆形冲刷坑，冲刷坑最低底标高为30 m。此外，从枢纽下游为河宽逐渐收缩的河势，即右岸河床自电站尾水渠以下逐渐向左侧收缩，电站出口断面河道宽度约460 m，至坝下500 m附近河宽缩窄至350 m。上述坝下地形特征致使在中、洪水流量下，泄水闸下泄水流沿导航墙外侧冲沟而下，行至导航墙堤头后绕过堤头斜冲引航道口门区。因此，船闸下游引航道口门下方深槽吸流，且导航墙仅有275 m，无法阻隔主流斜穿口门区，加之下游逐渐向左收缩的河势，致使口门区航道与主流流向交角较大，相应横流及回流流速过大。

3 改善五强溪船闸口门区水流条件导流结构方案及选型论证

由于五强溪水电站下游口门区受泄流影响，中、洪水期来流动力较强，单一的工程措施无法达到较好改善船闸口门区水流条件的目的。为解决碍航问题，结合其他山区河流相关的透空导墙(堤)的工程实例及研究成果，采用多类型工程措施相结合的方法，开展多方案的模型试验，进行方案论证比选。先期进行了12组以上方案试验研究，由于篇幅限制，不再赘述。

在此仅简要对底部透空式桩基隔流堤方案成果进行简要分析，方案平面布置见图3。

图3 桩基隔流堤方案布置图Fig.3 Layout plan of pile foundation separation levee

底部透空式桩基隔流堤方案是在已建导流堤堤头下游布置长307 m的桩基隔流堤，由16个桩基连系墩和15段插板组成。最上游的桩基连系墩1#墩与原堤头衔接，下游每20 m布置一桩基连系墩，分别为2#～16#墩。各连系墩上设有插槽，插槽在标高48.50～58.50 m通长布置，在插槽范围内布置插板，插板布置范围为在水位48.5(最低通航水位以下1.5 m)～58.5 m，通过插板与桩基连系墩相连。同时将原导流堤附近深槽回填至45 m。

试验成果表明，受隔流堤调流及深槽回填后吸流作用减弱，当Q≤3 500 m3/s时，与工程前相比，堤头附近回流范围及回流强度明显减小，回流区主要存在于堤头附近至2#桩基连系墩之间；口门区内斜流流速有所减小，横向流速一般在0.3 m/s以内，纵向流速沿程递增，最大纵向流速Vymax=1.41 m/s，通航水流条件满足要求。当Q>3 500 m3/s时，堤头以下100～300 m范围内桩基连系墩附近存在漩涡、泡漩水等不良流态，并逐步扩散至引航道口门区内，导致堤头以下150～300 m左侧口门区内水流向右侧主河道偏转，流速偏角在13°～32°，最大横流Vxmax=0.81 m/s，通航水流条件较差，对船舶航行不利。因此，底部透空式桩基隔流堤方案对引航道口门区水流条件改善效果并不理想。

通过多方案尝试后，按照“导流为主、兼顾挡流”的思路，结合桩基隔流堤与导流墩各自优势，提出了一种新型口门区导流建筑物——导流屏。其导流原理是其下部采用透空式结构，基本不改变原有的水流由外向内的运动形式，但下部水流流速一般而言要小；上部的插板部分阻挡表层水流进入口门区并调顺流向，但承台上的两插板衔接段留有一定宽度的竖向流道，该竖向流道流速强劲但流向基本沿插板方向，一定程度上压制或平衡下部的透空式结构进入水流的扩散，包括上升流。

图4 导流屏结构形式Fig.4 Diversion vanes structural type图5 导流屏平面布置Fig.5 Layout plan of diversion vanes

导流屏结构形式见图4，平面布置见图5。导流屏主要由灌注桩、承台及插板组成，总长204.5 m，承台上的两插板衔接段留有2.25 m的竖向流道。导流屏中心轴线与航线平行，承台间距20 m，最上游的承台紧紧接原有导航墙。承台底底标高45 m，底部设2～4根直径2.5 m灌注桩。承台与航中线夹角为16°，承台上部为2根3 m×3.5 m并设有插槽的混凝土柱体，插槽内布置插板10块等高的插板，每块插板高1 m、宽0.8 m、长20 m，最下1块插板底高程为48 m。

桩基透空式导流屏设计方案工程前后引航道口门区横流及回流强度汇总于表2。

由表中数据可知，各流量级下，船闸下游口门区回流范围及强度均较工程减小，回流区主要位于堤头附近至3#承台间，最大回流流速0.37 m/s；口门区内横向流速亦明显减小，Q≤6 000 m3/s时，口门区最大横向流速在0.3 m/s以内，Q=7 800 m3/s时，口门外100～150 m范围内航中线右侧个别测点横向流速略超出规范规定的不大于0.3 m/s的要求，最大为0.32 m/s。因此，导流屏推荐方案工况下，船闸下游口门区水流条件较工程前明显改善，能够满足规范要求，本工程最终采用了导流屏方案作为五强溪船闸下游引航道改造的实施方案。

表2 工程前后口门区内回流及横流对比Tab.2 Comparison of backflow and crossflow in the entrance area before and after the project

4 结论

(1)五强溪船闸下游引航道口门区受山区复杂条件影响，中、洪水流量下流急、偏角大，通航水流条件较差，实践中，借鉴了国内外多种导流结构特性和优点，通过对不同类型的多方案试验论证，并在此基础上进行大胆的创新、试验验证和比选，最终的改造方案选取了桩基导流屏型式。

(2)桩基导流屏改善口门区通航水流条件的作用机制主要是通过上部插板限制表层斜向水流，通过插板间竖向流道向航道内引入部分水流，压制或平衡下部的透空式结构进入水流的扩散，包括上升流，以此达到相互限制，相互抵消，削弱口门区内斜流强度及泡漩水的效果。

(3)桩基导流屏方案已顺利实施，结果表明船闸口门区水流条件较工程前有着明显改善，成功通过了工程实践的检验，较好的解决沅水高等级航道碍航瓶颈问题。本文结合国内外工程实例和五强溪船闸下游引航道口改造方案比选进行实例介绍，希望对相关的建设工程能起到一定借鉴参考作用。