信江八字嘴枢纽工程整体水工模型试验研究

涂晓霞，刘博文

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州，510610）

0 引 言

近年来，中国大型水利工程建设发展迅速。在通航河流上兴建水利水电航运枢纽后，由于枢纽泄洪，在船闸上下游口门区产生斜向水流等不利条件，使航行船舶产生横漂和扭转，严重时会出现失控，以至发生事故，影响通航。为此，国内外学者为保证船舶（队）进出口门区的安全，都十分重视口门区水流条件机理的研究[1，2]。

物理模型试验是分析、验证、优化水利工程设计方案的重要手段，尤其面对复杂的运行工况，借助理论计算并结合物理模型试验非常必要[3，4]。八字嘴水利枢纽工程涉及面广、各主要建筑物工况复杂，泄洪、水流条件等安全性和合理性均需通过建立枢纽的整体水工模型予以验证[5]。

1 工程概况

八字嘴航电枢纽工程地处信江下游河段，位于江西省上饶市余干县境内，本枢纽分别在信江东大河、西大河建设虎山嘴、貊皮岭两座枢纽，两个枢纽坝址位于同一条轴线上。八字嘴枢纽为界牌枢纽的下一梯级（距离约51km），是一座以航运为主，兼有发电等的综合利用工程，枢纽建设对发展信江水运、促进信江流域经济增长具有重要意义。

虎山嘴枢纽与貊皮岭枢纽的工程建设标准分别为Ⅲ级航道标准和Ⅳ级航道标准，八字嘴航电枢纽工程过坝建筑物采用船闸，船闸级别均为Ⅲ级。年单向通过能力为1 508 万t，详细情况见表1。

表1 信江八字嘴航道枢纽情况表

八字嘴航电枢纽位置见图1。枢纽分别由西、东大河上的通航、挡水、泄水、发电及过鱼设施等建筑物组成。船闸布置在东、西大河左岸，上、下游引航道与主河道顺直相接；泄水闸布置在主河槽，行洪顺畅；厂房及鱼道布置在右岸；管理区布置在两河中间岛上坝轴线的上游侧。

图1 八字嘴航电枢纽平面布置图

为了解决枢纽泄流能力及通航建筑物在枢纽中的平面布置，确保船舶（队）在引航道口门区连接段的航运安全，论证工程建设对下游的影响，确保工程设计的经济、结构的安全合理，该工程通过模型试验验证枢纽建筑物整体布置方案的合理性，确定枢纽整体布置形式，创造安全的通航水流条件，提供优化的枢纽建筑物布置方案。

2 模型设计与制作

考虑模型Re 要求，综合考虑模型设计为正态，确定几何比尺为100。流速比尺λv为10，糙率比尺λn为2.15，时间比尺λt为10，流量比尺λQ为100 000，水力比尺λf为100 000[6，7]。

最终确定的模型上游进口断面在坝轴线上游2.6km 处，下游出口断面在坝轴线下游2.5km 处，高程上考虑下游冲坑深度，模拟高程-9m 至坝顶高程25m范围。整体模型根据实测枢纽坝址地形图（1：1 000）进行模型地形制作，平面放样采用三角网导线系统，闭合误差不超过±1′；地形制作采用断面法，局部复杂地形采用断面加密并结合等高线法制作；模型高程用水准仪测控。枢纽建筑物（泄水闸精确模拟、电站厂房模拟进出口体型，船闸模拟外形和引航道等）采用有机塑料板制作，河道表面采用水泥沙浆制作。通过提取河道地形数据，制作模型实物。

整体模型试验设计、模型制作安装、测试仪器和测试方法等按照《水工（常规） 模型试验规程》（SL155-2013）要求执行。

3 试验结果分析

3.1 泄流能力

八字嘴枢纽（貊皮岭、虎山嘴）泄流曲线见表2～表3。从表中可以看出，在各级洪水流量下，貊皮岭水库上游水位基本与天然状态持平，甚至有所降低，主要是由于原虎山嘴上游一大片高地被整治到9.0m 高程，改变了枢纽所在分叉河段的左右分流比，水流能够更顺畅的进入东大河，这也导致东大河虎山嘴枢纽水位壅高值均略高于相应计算值。说明八字嘴枢纽虎山嘴设计泄流能力略显不足。

表2 貊皮岭坝址泄流曲线表

表3 虎山嘴坝址泄流曲线表

3.2 上下游流态及流速分布

在各种工况下，泄水闸敞泄时（来水流量≥1 100m3/s，电站不发电），由于枢纽所在河段较为顺直，枢纽上、下游水流分布较为均匀，总体呈现中间大两边小的流速分布。泄水闸出流均匀，水流扩散条件较好。如300 年一遇洪水工况下（流量20 310m3/s，P=0.33%），貊皮岭河道中央泄水闸出流流速最大，河道两侧泄水闸流速略小。闸下堰坎末端高程6.4m 以下水流流速较小，主流被堰坎导向下游河道表层，可有效保护闸后河床。其中河道中央泄水闸后消力池出口处个别点河道底部流速超过2.5m/s，需要给予关注。虎山嘴护坦上方流速较小，存在水流漩滚区，将泄水闸主流与河床隔开，可较好的保护闸后河床。虎山嘴5#泄水闸后消力池出口处河道底部流速超过2.0m/s。

3.3 电站上下游水流条件

由于本工程电站发电工况上游水位为水库正常蓄水位18m，电站发电流量较小（貊皮岭单机满发额定流量为178.1m3/s，虎山嘴单机满发额定流量为142.5m3/s），电站进水口水深较深，电站上引渠挡沙坎顶高程为9m，埋深较深，对电站进水口水流条件影响不大，电站进水口水流条件较好，无吸气漩涡等现象出现。典型工况（貊皮岭、虎山嘴均满发，发电流量641.2m3/s；貊皮岭、虎山嘴各单机满发，额定流量为178.1m3/s+142.5m3/s）电站进水口、出水口流速分布见图2 和图3。由图可见，貊皮岭、虎山嘴两个电站上游进口流速较低，不超过0.3m/s，流态较平稳。电站下游也在短距离内流速降低至1.0m/s 以内。电站出水口水位与坝体后水位测点水位高程对比发现，电站出水口下游未形成雍水现象，说明电站隔水墙布置合理，设计方案可行。

图2 典型工况电站纵轴线流速分布（4 台机组满发，641.2m3/s 流量）

图3 典型工况电站纵轴线流速分布（2 台机组满发，320.6m3/s 流量）

3.4 船闸引航道口门区及连接段通航水流条件

3.4.1 貊皮岭上下游引航道口门区及连接段

本次模型试验对上游来流13 100m3/s（20 年一遇）、上游来流11 200m3/s（10 年一遇）、上游来流6 280m3/s（2 年一遇） 三种工况下貊皮岭通航水流条件进行了试验分析。结果表明，由于貊皮岭上游引航道口门区左岸为死水区，右岸下游侧有泄水闸下泄水流，下游引航道由于河道主流与船闸引航道基本平行，且船闸位于河道左岸地形较高处，貊皮岭船闸下游引航道水流条件非常好，通航水流条件满足规范要求。

3.4.2 虎山嘴上下游引航道口门区及连接段

分析工况与3.4.1 相同，结果表明，虎山嘴船闸下游引航道水流条件非常好，通航水流条件满足规范要求。

4 方案优化

4.1 方案优化内容

根据泄流能力试验成果，虎山嘴泄流能力稍显不足，需增加闸孔提高其泄水能力。优化前方案待平整高地整体枢纽整治到9.0m 高程，改变了枢纽所在分叉河段的左右分流比，水流能够更顺畅的进入东大河，导致东大河虎山嘴枢纽水位壅高值略高于相应计算值，为了减小河道疏浚对河段的分流比的影响，此处需平整高地整治高程抬高。由于整平高地弃渣量减少，取消坝坡上游24.0m 高程弃渣回填平台。下游新增两处弃渣场，高程分别为24m 与24.5m。为了改善貊皮岭、虎山嘴电站的水流条件，拦沙坎高程均由9m 改为12m，并调整了进出水口前坡的坡度。

4.2 模型调整内容

在虎山嘴增加两个泄水孔；把虎山嘴上游高地整平到13.68m 高程；坝坡上游24.0m 平台恢复到原地形；下游在模型范围内增加两个弃渣场；为改善引航道口门区的水流条件，避免横向流速过大，船闸轴线保持不变，原引航道口门区设置了与原分水墙成5°夹角的导航墙，其中上部均采用透空式，下部采用不透空（斜导流墙，虎山嘴13.08m 高程以下透空，貊皮岭12.74m高程以下透空），长度均为100m；并针对修改地形进行了相应的模型修改。

4.3 优化后试验成果分析

方案优化后八字嘴枢纽（貊皮岭、虎山嘴）泄流曲线见表4～表5。从表中可以看出，在各级洪水流量下，貊皮岭水库上游水位基本与天然状态持平，甚至有所降低，主要是由于原虎山嘴上游一大片高地被整治到13.68m 高程，改变了枢纽所在分叉河段的左右分流比，水流能够更顺畅的进入东大河，这也导致东大河虎山嘴枢纽水位壅高值略高于西大河。优化后八字嘴枢纽设计泄流能力足够且有一定富余。

表4 貊皮岭坝址优化后泄流曲线表

表5 虎山嘴坝址优化后泄流曲线表

根据试验结果进行水工模型优化后，重复进行以上的试验。结果表明：八字嘴整体水力特性、电厂上下游水流条件以及船闸引航道口门区及连接段通航水流条件等均满足规范要求且设计合理。

5 结论

通过比尺为1：100 的枢纽整体水工模型试验，对枢纽整体水力特性、泄水闸、电站运行水流条件、通航水流条件等进行了详细研究，对八字嘴枢纽的泄水闸孔数、护坦型式、上下游洲滩开挖高程等进行了优化，得到以下主要结论：

（1）八字嘴枢纽位于信江较顺直的河段，坝址选择较好。将虎山嘴上游高地疏浚到13.68m 高程可有效改善虎山嘴通航水流条件，疏浚整治效果较好；

（2）枢纽上下游流速分布均较为理想，下泄水流基本均匀，水流归槽良好；在电站发电工况下，电站进、出水口水流平稳，未见吸气漩涡及下游明显雍水现象，电站隔流墙布置合理；

（3）在各通航工况下，貊皮岭、虎山嘴两个船闸总体水流条件较好，流量越小，水流条件越好。最大通航流量下，口门区局部流速测点横向流速超标，建议将两个船闸的上下游引航道斜向导流墙均延长至176m。由于电站下泄水量较小，且距离船闸较远，对船闸通航水流条件几乎无影响，能够满足通航水流条件要求。