嘉陵江利泽航运枢纽船闸总体布置研究

刘 大 川

(重庆航运建设发展(集团)有限公司，重庆 401121)

1 概 述

利泽航运枢纽工程系嘉陵江重庆境内梯级开发的第一级，位于距重庆市合川区大石街道3.5 km的嘉陵江上游利泽码头，距离合川城区大约32 km。枢纽区河段跨越川渝两地，坝址处于天然河道较舒缓的河弯下游处，河道顺直，两岸均有山体接头，河谷断面呈宽缓不对称的“U”型谷，左岸陡、右岸缓，左岸为基岩岸坡，坡度一般为30°～50°，右岸有阶地分布，呈台阶状地形，地势相对平缓，总体坡度在15°～20°之间。

利泽航运枢纽工程是一个以渠化航道、发展航运为主，同时兼顾发电、防洪、生态等综合效益的河床式开发工程[1]。主要建筑物由泄洪冲沙闸、电站厂房、非溢流坝、船闸和鱼道等组成，水库正常蓄水位高程210.725 m，总库容6.19亿m3[2]。其上游与桐子壕枢纽船闸水位衔接，下游与草街电站回水衔接。利泽枢纽建成后，可渠化坝址至桐子壕梯级间长约26.5 km的河道，使原来仅为V级的航运通道提高到高等级的Ⅳ级航道标准。枢纽船闸工程按IV级航道设计，可通航2×500 t级的船队，船闸有效尺寸采用180 m×23 m×3.5 m(长×宽×槛上水深)；船闸最高通航流量为16 400 m3/s，运行采用5 a一遇洪水位为设计最高通航水位，即上游设计最高通航水位高程217.82 m，下游设计最高通航水位高程217.17 m；最低通航水位按运行时的最低水位确定，即上游为高程210.3 m，下游为高程202 m；电站额定水头5.4 m，额定单机引用流量393 m3/s，装机容量74 MW(4×18.5 MW)，利泽航运枢纽已于2019年3月完成了一期工程土建工程、金属结构和机电设备安装工程的招标工作，2019年4月30日开始了一期工程施工，预计于2021年6月30日一期工程完工，计划工期为26个月。

2 船闸布置情况

利泽航运枢纽船闸在工程初设阶段对左船闸右厂房和左厂房右船闸进行了位置比选。若船闸布置在左岸，上、下游引航道均位于主河道上，与主河道直接顺直相接，有利于船舶安全快速进出船闸且厂房开挖量较小。若布置在右岸，下游引航道将偏离主河道，需设“S”形转弯才能与原主航道相接，并且需要开挖其下游的沙洲且下游溪沟的出水会恶化下游引航道内的水流条件，影响船舶的安全。从枢纽布置看，船闸布置在左岸较为有利。

利泽航运枢纽船闸全长937.3 m，由上下闸首、闸室、上下游引航道的主辅导航墙、靠船墩、分水墙组成。上闸首采用整体式结构，由两侧边墩和底板组成，长45.5 m，宽43.4 m，顶高程为238.5 m，闸首门槛高程为206.3 m。闸室采用分离式，长180 m，陆侧闸墙顶宽2.5 m，外侧闸墙顶宽3.5 m。下闸首采用整体式结构，长32 m，宽43.4 m，闸首顶高程为219.4 m，门槛高程198.5 m。船闸上行采用直线进闸、曲线出闸的过闸方式，下行采用曲线进闸、直线出闸的过闸方式。上游引航道通过转弯半径为800 m的连接段航道向河侧转弯31.5°与河道主河槽连接；下游引航道通过转弯半径为600 m的连接段航道向河侧转弯10°与河道主河槽连接。

3 船闸总体布置研究

3.1 原设计方案船闸上引航道口门区的通航条件

水流条件为船闸除地形、地质条件外的最关键因素之一[3]。例如，引航道与电站的相对位置、长宽以及弯曲半径等都是为满足通航水流条件而要求的。笔者针对利泽航运枢纽设计方案进行了水工模型试验，水工模型按重力相似准则设计，采用几何比尺为λL=λh=100正态实体模型，对流量Q=4 300 m3/s、6 750 m3/s、7 000 m3/s、16 400 m3/s四级流量、6种工况上、下游引航道口门区通航水流条件进行了流速测定[4]。设计方案的试验工况见表1，主要上引航道口门区流速分布情况见表2。

试验结果表明：当Q≤4 300 m3/s(电站满发)时，坝前水位保持在正常蓄水位高程210.725 m运行，船闸上游引航道口门区纵、横向流速值均满足通航要求，这是由于水库壅水致使坝前水位较高、库区水流相对较缓的缘故；但随着上游来水流量的加大，船闸上游引航道口门区附近流速变大且因船闸布置在枢纽弯道河段的左岸、弯道的凹岸和河段的深槽，因此，在流量Q>6 750 m3/s以上流量时，船闸上引航道口门区的纵横向流速均大于标准规定值，不满足口门区通航水流条件标准要求，特别是当Q>16 400 m3/s时，无论水库是保持正常蓄水位还是冲沙水位，纵横向流速均超过通航标准。

表1 设计方案试验工况表

表2 原方案上引航道口门区水流条件表

注：H为水位高程，m。

改善措施：在坝轴线上游上引航道口门区外0+850(上1#丁坝)、0+1 020(上2#丁坝)增设两根潜丁坝，上1#丁坝坝顶长35 m，丁坝顶宽2 m，坝顶高程206.5 m，迎水面坡度为1∶1，背水面坡度为1∶2；上2#丁坝坝顶长45 m，丁坝顶宽2 m，坝顶高程为206.5 m，迎水面坡度为1∶1，背水面坡度为1∶2。改善后的流速分布情况见表3。

(1)当流量Q=4 300 m3/s时，水库按正常蓄水位高程210.725 m运行。口门区范围内最大纵向流速为0.79 m/s，最大横向流速为0.06 m/s，无回流。

表3 优化后方案上引航道口门区水流条件表

(2)当流量Q=6 750 m3/s时，水库按正常蓄水位高程210.725 m运行，泄洪冲沙闸1～12#孔全开，13#孔控开泄水。最大纵向流速为1.1 m/s，横向流速为0.1 m/s，无回流。

(3)当流量Q=16 400 m3/s时，水库敞泄。最大纵向流速为1.91 m/s，最大横向流速为0.13 m/s，无回流。

这是由于在上引航道设潜丁坝的缘故，调整了引航道口门区单宽流量分布，很好地保障了引航道口门区内的水流条件，使引航道口门区的水流条件能够满足标准规定的水力指标，能给船只提供良好的通行条件。

3.2 原设计方案船闸下引航道口门区的通航条件

原设计方案船闸下引航道口门区流速分布情况见表4。

试验结果表明：船闸下引航道布置在弯道左岸深槽内且位于弯道末端，当上游来流量Q=4 300 m3/s时，上游右侧电站尾水渠以及冲沙闸下泄的水流向下引航道口门区尾端以下的枯水主河槽冲去，形成较大的回流区，其各项指标均不满足通航要求；当上游来流量Q=6 750 m3/s时，其流态和Q=4 300 m3/s时大致相同，右岸电厂的出流和右岸7～14#孔泄洪冲沙闸运行，电厂尾水和出闸水流与船闸口门轴线的交角约为40°～45°，导致船闸下引航道口门区及连接段出现高强度、大面积的回流区，最大回流流速达0.8 m/s以上；当上游来流量Q=16 400 m3/s时，其纵横向流速大大超过《船闸设计规范》允许值[5]。

表4 原方案船闸下引航道口门区水流条件表

改善措施：

(1)为减小下引航道口门区的回流，在坝轴线下游下引航道口门区左侧0+1 380(下1#丁坝)、0+1 620(下2#丁坝)处增设了两根丁坝，下1#丁坝坝顶长35 m，丁坝顶宽2 m，坝顶高程209 m；下2#丁坝坝顶长45 m，坝顶高程为209 m，迎水面坡度为1∶1，背水面坡度为1∶2。

(2)将下游引航道内导墙直线段末喇叭口段延长至100 m，末端桩号为0+744.88，喇叭口段轴线与直线段轴线夹角由15°调整为9°。

(3)在喇叭口段开孔，孔宽3 m，孔高10 m，孔间距5 m，孔轴向与堤轴线呈40°交角。

改善后的流速分布情况见表5。

由表5可以看出：

(1)当流量Q=4 300 m3/s时，水库按正常蓄水位高程210.725 m运行，电站发电，最大纵向流速为1.83 m/s，最大横向流速为0.1 m/s，无回流，口门区范围内纵向流速、横向流速以及回流速度均满足规范要求。

⑵当流量Q=6 750 m3/s时，水库按正常蓄水位高程210.725 m运行，泄洪冲沙闸1～12#孔全开，13#孔控开泄水。口门区内纵向流速达1.81 m/s，横向流速为0，回流速度为0.32 m/s。纵横向流速及回流速度均满足规范要求。

(3)当流量Q=16 400 m3/s时，水库敞泄。最大纵向流速为1.4 m/s，最大横向流速为0.19 m/s，个别点最大回流速度为0.46 m/s。口门区范围内纵向流速、横向流速以及回流速度基本满足规范要求。

表5 优化后方案下引航道口门区水流条件表

综上所述，通过修建下引航道口门左侧处两根丁坝、延长导墙直线段末的喇叭口、调整喇叭口段轴线与直线段轴线夹角等措施，使下泄水流直冲下引航道口门区尾段的现象基本消失，该区域存在的回流基本消除，流速分布变得均匀。

4 结 语

通过试验研究与工程自身特点，在确定左船闸、右厂房设计方案整体布局下，笔者与设计人员提出了将下游引航道内导墙直线段末喇叭口段延长、上下游引航道丁坝的设置以及下游喇叭口段轴线与直线段轴线夹角调整的工程优化措施合理可行，且工程量较原来相比有所减小，航道标准较原来有所提高，所取得的经验可为类似航运枢纽工程提供借鉴。