福建闽江水口坝下枢纽通航技术模型试验研究

姚 实，扈晓雯

(中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水口水电站位于福建闽江干流中游，上游距南平市94 km，下游距闽清县14 km，距福建省省会福州市84 km。水口水电站是以发电为主，兼有航运、过木等综合利用的大型水利枢纽工程，主要建筑包括左岸电站、泄洪建筑物、以及右岸的通航建筑物三级船闸+垂直升船机，于1996年建成。发电正常蓄水位65 m，电站装机容量1 400 MW，多年平均发电量49.5亿kW·h，通航建筑物年过坝量400万t，年竹木过坝量250万m3[1]水口水电站建成后，蓄水拦砂，清水下泄，以及下游河道大规模无序采砂活动导致河床下切水位下降，基荷流量308 m3/s时、下游最低通航水位由原设计水位7.64 m降至3.5 m，而这种现象仍在继续恶化，通航建筑物门槛水深不足船舶过坝不畅，每年实际过闸货运量仅110万t左右，约为设计通过能力400万t的25%，急需采取工程措施，壅高下游河床航道水位；以恢复水口船闸的通过能力，提高闽江通海航道的通航等级，促进闽江运输业发展[2-5]。

雍高船闸下游通航水位的方法有潜坝整治方案、明渠及溢流坝方案、船闸改造方案、船闸加中间渠道方案、枢纽工程方案等，根据JTJ312—2003《航道整治工程技术规范》有关规定：当枢纽建成后，因坝下河床下切造成较大的水面降落，使下游引航道水深不足时，除应浚深引航道外，有条件时应在枢纽下游近坝河段适当部位采取综合工程措施，壅高引航道水位或遏制水位的继续降低。经方案研究及效果分析评价，设计选定了在水口水电站下游约9.0 km处建造水口坝下枢纽综合治理方案[6-7]。

水口坝下枢纽工程坝址上游河段为弯道形90°大转弯，河床型态和水流条件复杂，枢纽平面布置、导航墙结构选型、引航道口门区水流条件及防淤措施等均为设计关键技术。有必要对拟建船闸通航条件及影响因素，通过水工模型试验分析研究对设计方案优化比选，为工程建设及安全运行创造条件[8-10]。

1 工程设计方案

闽江干流按Ⅳ级航道标准建设，坝下水位治理工程船闸通航等级为Ⅳ级，代表船队(2×500)t级顶推船队，主尺度为：111.0 m×10.8 m×1.6 m(长×宽×吃水)。上游最高通航水位16.84 m、上游最低通航水位7.63 m，下游最高通航水位15.67 m、下游最低通航水位-1.00 m。

新建枢纽主要由溢流坝建筑物、泄洪消能建筑物、通航建筑物等组成，见图1。溢流坝顶高程6.96 m，堰体上游面采用直立面，下游堰面曲线直接与反弧段连接，消能防冲采用混凝土护坦形式，通航建筑物采用先建一线预留一线两线单级船闸方案，位于整个枢纽右岸。

船闸总体由上下游引航道、上下闸首及闸室组成，船闸有效尺度为192 m×23 m×4.0 m(有效长度×有效宽度×槛上水深)，通航口门宽23.0 m，上游引航道长601.0 m、上闸首长50.0 m、闸室长180.0 m、下闸首长40.0 m，下游引航道长680.0 m，总体长度1 551 m。

上、下游引航道平面布置为不对称型式，船舶(队)采用曲进直出方式过闸；上游引航道内设有实体导航墙、调顺段(隔流墩)和停泊段(停靠墩)，航道宽度90.0 m、底高程-3.00 m；下游引航道内设有实体导航墙、调顺段(隔流墩)和停泊段(停靠墩)，航道宽度90.0 m、底高程-5.00 m。

图1 枢纽平面布置Fig. 1 Hub layout

2 模型设计

模型制造采用断面板法。平面上用三角网及主、副导线进行控制，断面间距40～70 cm(模型值)，对局部地形变化较大的河段加密，以能准确控制河床地形为准。制模地形采用实测1∶1 000河道地形图。对水口电站下游共塑造了201个断面控制河道地形。对局部特殊的复杂地形采用断面板法与等高线法相结合另行特制，以达到能准确控制河床地形的目的。

考虑研究目的、模型范围、试验场地及相似性要求的紊流状态、表面张力等基本条件，本试验采用1:100的正态模型。通过相似准则，验证了模型的相似率的自相似性，模型满足自相似准则。经验证，模型和原型的水面线走势吻合良好，水面比降一致性程度较高，实测水位点的水位差值都在±0.10 m范围内，说明模型设计合理，模型制作控制精度较高，达到了模型水面线与原型水面线相似的要求。

工程河段形势图及坝址位置，见图2。

图2 工程河段形势Fig. 2 Engineering river situation

3 设计方案模型试验

枢纽通航水力学模型试验，重点研究枢纽下泄水流以及泥沙淤积对船闸通航条件的影响问题。在枢纽总体布置中船闸引航道、口门区与连接段部位的流速、流态应满足船舶、船队安全停泊、进出闸与正常航行的要求。因此，对船闸上下游引航道布置型式、通航水深及流速流态等，进行了工程设计方案水力学模型试验研究。

3.1 引航道通航水深

根据GB50139—2004《内河通航标准》有关规定，Ⅳ级航道通航水深≥2.5 m的要求，检测设计方案在上游来流量Q=308～16 900 m3/s各级通航流量下，上游引航道水位为7.62～16.38 m，上游引航道底高程-3.00 m，航深为10.62～19.38 m；下游引航道水位为2.16～15.57 m，下游引航道底高程-5.00 m，航深为7.16～20.57 m；如图3，各级通航流量下引航道水深满足最小航深2.5 m的要求。

图3 电站下泄流量与引航道水位关系Fig. 3 Relationship of drainage discharge and approach water level of the power station

3.2 引航道水流条件

3.2.1 调顺段流速流态

按规范引航道水面最大流速限值规定，流速指标应满足纵向流速Vymax≤0.5 m/s，横向流速Vxmax≤0.15 m/s的要求。由于在设计方案总体布置中，上下游引航道调顺段未设隔流墙与河道主流隔开，试验表明：进入引航道内的水流较多，大流量时调顺段流速较大，同时引航道水流受导航墙导航段隔流影响，在堤头附近向左绕过，调顺段左侧区域形成较强斜流，水流条件相对较差，其流速指标见表1。

表1，上游引航道调顺段，仅Q=1 530 m3/s时水流条件满足规范要求；当Q=2 550 m3/s和3 570 m3/s时超标区主要集中在左侧，右侧(岸侧)区域仍可满足要求；当Q≥7 000 m3/s时调顺段不能满足规范要求。

表1 引航道调顺段流速流态指标Table 1 Index table of flow velocity and flow pattern at the adjustment area of approach m/s

注：上引航道/下引航道

下游引航道水流斜入调顺段形成了较强的横流和回流，除Q≤1 020 m3/s外各级流量下，调顺段水流条件均不能满足船舶进出闸的要求。

3.2.2 停泊段流速流态

根据设计船队长度和上游引航道停泊段布置，可将停泊段分为5个泊位，左侧为L1#、L2#泊位，右侧为R1#、R2#和R3#泊位，见图4，船闸上游引航道停泊段流速指标，见表2。

图4 上游引航道平面布置Fig. 4 Upstream approach layout

下游引航道停泊段同样分为5个泊位，左侧为L3#、L4#泊位，右侧为R4#、R5#和R6#泊位，见图5，船闸下游引航道停泊段流速指标，见表2。

图5 下游引航道平面布置Fig. 5 Downstream approach layout

表2，上游引航道停泊段，当Q=1 530 m3/s时，右岸岸边3个泊位满足规范规定的船舶停泊要求，而左侧L1#和L2#泊位纵向流速略微超标；当Q=2 550 m3/s时，仅右侧R2#和R3#泊位停泊条件满足规范要求；当Q=3 570 m3/s时，仅右侧R3#泊位停泊条件满足规范要求；当Q≥7 000 m3/s时，5个泊位停泊条件均不能满足规范要求。

下游引航道停泊段，仅Q≤1 020 m3/s时，全部泊位满足船舶安全靠泊要求；当Q=1 530 m3/s和2 550 m3/s时，仅左侧L3#泊位、L4#泊位和岸侧R4#泊位满足船舶安全靠泊要求；当Q≥3 570 m3/s时，5个泊位均不满足船舶安全靠泊要求。

3.3 引航道口门区水流条件

根据JIJ305—2001《船闸总体设计规范》,引航道口门区水面最大流速限值规定，纵向流速Vymax≤2.0 m/s，横向流速Vxmax≤0.3 m/s，回流流速Vrmax≤0.4 m/s。

试验测得引航道口门区最大纵横向流速指标，见表3。

表2 引航道停泊段最大纵横向流速指标Table 2 Approach anchor area maximum longitudinal & lateral velocity indicators m/s

注：上引航道/下引航道

表3 引航道口门区最大纵横向流速指标Table 3 Approach entrance area maximum longitudinal & lateral velocity indicators m/s

注：上引航道/下引航道

表3显示，上游口门区通航水流条件仅Q≤7 000 m3/s时满足规范要求；当Q≥10 000 m3/s时，口门区内流速超标，不能满足船舶安全通航的要求。

下游口门区通航水流条件在Q=1 530～2 550 m3/s时相对差，各级通航流量下尽管口门区纵横向流速存在不同程度的超标，但其超标范围主要集中在口门区左侧开挖航槽边缘，考虑到上行船舶舵效应较好，只要过往船舶靠右行驶适当避开上述区域，船舶便可安全进出闸。

试验研究表明：上下游引航道内水位满足通航要求；引航道调顺段左侧区域有较强横流、仅Q=1 530 m3/s时满足规范要求,引航道停泊段在小流量少量泊位满足船舶靠泊要求；当Q≤7 000 m3/s时口门区航深、流速指标满足要求，但调顺段和停泊段水流条件不满足规范要求；当Q≥10 000 m3/s时，引航道内及口门区流速均超标，船舶不能安全通航。

通过上述分析可知，按设计方案新建枢纽船闸后，引航道水流条件存在不同程度的超标现象，不利于船舶的安全通行，有必要对上下游引航道型式进行优化。

4 优化方案模型试验

4.1 工程措施

4.1.1 优化方案Ⅰ

针对设计方案引航道内纵横向流速不满足规范要求，靠船墩附近流态差等问题，进行修正及调整，特提出优化方案Ⅰ，见图6(阴影部分为优化措施)，具体如下：

1)上、下游导航墙至靠船墩处、调顺段部分各增加长60 m的实体墙，即上游隔流(导航)墙长度为170 m、下游隔流(导航)墙长度为180 m。

2)上游左侧10个靠船墩之间增加隔流板共9段、每段长15 m，隔流板顶高程与靠船墩顶高程相同、但底高程不同，上4段隔流墙底高程为1.0 m，即设置约15 m×4 m(宽×高)底孔过流，下5段隔流墙底高程为-1.0 m，即设置约15 m×2 m(宽×高)底孔过流。

3)上游右侧R1#泊位段，受上游河势影响停泊条件不好，将右侧停泊段向下游移动69.0 m，即3个靠船墩位。

图6 上下游引航道优化方案ⅠFig. 6 Optimization scheme I for upstream and downstream approach channel

4.1.2 优化方案Ⅱ

通过优化方案Ⅰ的工程措施后，上游引航道通航条件仍不满足规范要求，为此对上游引航道提出优化方案Ⅱ，见图7。即在优化方案Ⅰ的基础上(阴影部分不变)，将透空式隔流墙(坝上0+385 m～坝上0+565 m)分段及孔口尺寸进行优化调整。

优化方案Ⅱ将9个透水孔划分为3段，即上段3个透水孔，隔流墙底高程为1.00 m，孔口尺寸为15 m×4 m(长×高)；中段3个透水孔，隔流墙底高程为0.00 m，孔口尺寸为15 m×3 m(长×高)；下段3个透水孔，隔流墙底高程为-1.00 m，孔口尺寸为15 m×2 m(长×高)。试验结果表明：优化措施有效，水流条件改善明显。

图7 上游引航道优化方案ⅡFig. 7 Optimization scheme Ⅱ for upstream approach channel

4.2 优化方案试验研究成果分析

4.2.1 引航道通航水深

设计方案在各级通航流量下，上游引航道水位7.62～16.38 m，航深10.62～19.38 m；下游引航道水位2.16～15.57 m，航深7.16～20.57 m；因此上下游引航道航深满足最小航深2.5 m的要求。

优化方案在引航道增加了长170(180)m的调顺段隔流墙，各级通航流量下引航道内外水位差最大值仅10 cm，对水位影响很小，因此优化方案Ⅰ、优化方案Ⅱ引航道口门区及附近航槽航深均大于最小航深2.5 m；说明壅水坝建成后，通航水深得到有效改善，可满足船舶安全通航的要求，且有较大富余。

4.2.2 引航道通航水流条件

1)调顺段流速流态

上游引航道调顺段，设计方案在7 000 m3/s及以上流量时流速超标；经优化方案I，在引航道调顺段采用隔流墙与河道主流之间隔开的工程措施，模型试验显示小流量时调顺段基本为静水，大流量时调顺段流速也很小，可满足规范要求；优化方案II，在引航道调顺段将隔流墙进一步延长的工程措施，调顺段流速也很小或基本为静水，可满足规范要求。

下游引航道调顺段，表2仅列出了设计方案流速指标值，在10 000 m3/s和16 900 m3/s时流速流态指标略有超标；优化方案I，在引航道调顺段采用隔流墙与河道主流之间隔开，试验显示各级通航流量下引航道调顺段均为静水，通航条件好。

2)停泊段流速流态

研究表明：小流量时上下游引航道停泊段条件较好，重点对≥7 000 m3/s以上流量进行分析。在电站下泄7 000、10 000、16 900 m3/s时，上下游引航道停泊段纵横向流速指标对比值，见表4。

表4 停泊段流速流态指标对比Table 4 Comparison table of anchor area velocity and flow pattern indicators m/s

注：设计方案/优化方案Ⅰ/优化方案Ⅱ

上游引航道停泊段：表4数据显示，通过工程措施优化后，纵横向流速指标降低，停靠泊位利用率提高，通航条件得到改善。试验观测优化方案Ⅱ，当Q=7 000 m3/s和10 000 m3/s时，上游引航道停泊段5个泊位均可满足船舶安全靠泊的要求，而当Q=16 900 m3/s时除左侧的L1#和L2#泊位水流指标略微超标外，右侧一线3个泊位均能满足船舶安全靠泊的要求。

下游引航道停泊段：表4数据显示，无论是设计方案还是优化方案Ⅰ、Ⅱ在各级通航流量下， 在Q=7 000～16 900 m3/s，流量下仅L4#泊位略有超标，且超标幅度和范围不大，上行船舶仍能安全靠泊，其余泊位各项流速指标均未超标，靠泊条件良好。

从表4对比优化方案Ⅰ和设计方案可知，优化方案Ⅰ通过增加停泊段隔流墙的工程措施，有效改善了下游引航道停泊段的停泊条件，使得Q≥1 530 m3/s时可供船舶安全停靠的泊位数大大增加，将原设计方案安全上行的最高通航流量Q=1 020 m3/s提高至Q=16 900 m3/s，船舶下行最高通航流量仍保持为设计方案的Q=16 900 m3/s。

4.2.3 口门区通航水流条件

在电站下泄7 000、10 000、16 900 m3/s时，上下游引航道口门区纵横向流速指标对比值，见表5。

表5 引航道口门区最大纵横向流速指标对比Table 5 Approach entrance area maximum longitudinal & lateral velocity index comparison m/s

上游引航道口门区通航条件：当Q=16 900 m3/s时，优化方案Ⅱ上引航道口门区最大纵、横向流速分别为2.90 m/s和0.80 m/s，两项指标均超出了规范要求，但试验结果表明，靠岸一带流速较小，横向流速也基本在规范规定的0.30m/s范围以内，船舶在此流量下航行时若靠岸行驶，并选择靠右侧停泊区靠泊等候过闸，仍可安全进出闸。

对比优化方案Ⅱ和优化方案Ⅰ可知，优化方案Ⅱ通过适当延长外导航墙并结合透空隔流墙的工程措施，有效改善了Q=10 000～16 900 m3/s时船闸上引航道停泊区和口门区通航条件，将上游引航道满足船舶安全进出闸的最高通航流量由优化方案Ⅰ的Q=10 000 m3/s提高至Q=16 900 m3/s。

下游引航道口门区通航条件:各级通航流量下优化方案 Ⅰ 引航道调顺段基本为静水区，停泊段靠泊条件好，尽管口门区存在纵向流速和横向流速超标的问题，但只要进出闸船舶注意避开口门区左侧开挖边缘附近即可安全通过口门区，即当Q≤16 900 m3/s时，船舶均可安全通过下游引航道口门区。

通过对比优化方案Ⅰ和设计方案下引航道通航条件可知，优化方案Ⅰ通过增加停泊段隔流墙的工程措施，有效改善了下游引航道停泊段的停泊条件，使得Q≥1 530 m3/s时可供船舶安全停靠的泊位数大大增加，将原设计方案安全上行的最高通航流量Q=1 020 m3/s提高至Q=16 900 m3/s，船舶下行最高通航流量仍保持为设计方案的Q=16 900 m3/s。

4.3 推荐方案

无论设计方案还是优化方案，从试验结果可以看出，对解决或改善枢纽上游通航水流条件，采用导航墙加长方案效果不明显，但通过改变导航墙型式和布置，效果显著。鉴于优化方案Ⅱ泄流能力满足设计要求，通航水流条件满足船舶安全通航的要求，且其投资较省，布置基本合理，故作为水口坝下水位治理工程的推荐方案，见图6、图7。

5 下游泥沙冲淤对通航的影响

设计还研究了泥沙淤积对通航的影响问题。试验显示：当工程河段遭遇20年一遇及以上洪水时，坝下游河床部分泥沙将淤积在坝下水位治理工程枢纽下游引航道口门区及开挖航槽内，这将对通航产生不利影响，因此，需在工程河段遭遇20年一遇及其以上洪水时，对航槽采取清淤措施或在相应部位设置拦淤坎等工程措施，以保障船舶通航安全。

6 下游水位进一步下降对通航的影响

在枢纽通航条件研究中，还对下游水位进一步下降是否影响通航问题作了初步分析。试验结果表明：下游水位进一步降低后，对坝下水位治理工程船闸上游引航道通航水流条件影响较小，但恶化了船闸下游引航道口门区的通航水流条件，满足船舶安全通航的最高通航流量降至3 570 m3/s，说明必须采取有效可行的措施避免下游水位的进一步下降。

7 结 论

1)船闸总体布置，必须保证船舶、船队在通航期内安全畅通过闸。模型试验研究证明，船闸上下游引航道口门区船舶安全航行条件要求较高，其位置选择及结构形式是船闸总体布置的关键技术之一，直接影响到船舶(队)安全停泊、进出闸及正常航行的各项流速流态指标。

2)试验研究表明，航运枢纽选址应充分考虑布置在相对顺直的河段上，如果引航道口门区处在大转弯河段，通航水流条件和船舶航行条件很难通过工程措施解决。因此，设计推荐的坝址布置在距上游水口水电站9.0 km的顺直河道上是合理的。

3)针对设计方案存在的问题，结合河床形态和枢纽总体布置，提出了优化方案Ⅰ和优化方案Ⅱ，通过分析比较各方案试验结果，增加上下引航道调顺段隔流墙长度，调整靠船墩位置以及在左侧靠船墩间增加隔流板等工程措施，有效改善了上下引航道通航条件。

4)枢纽整体水工模型试验表明：推荐方案上、下引航道通航水深≥2.5 m，最高通航流量为Q=10 000 m3/s。当Q=16 900 m3/s时，上、下引航道流速指标均出现了一定程度的超标，该流量下船舶航行时需谨慎驾驶，避开边壁回流区以及急流区，船舶可安全通过引航道口门区。

5)枢纽整体水工模型试验表明：工程河段遭遇20年一遇及其以上洪水时，枢纽船闸下游引航道口门区及开挖航槽内有泥沙淤积，需对航槽采取清淤措施或设置拦淤坎等工程措施，以保障船舶通航安全。