湘江土谷塘航電樞紐平面布置優化研究

彭 偉，郝品正

（1.長沙理工大學水利學院，長沙 410076；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

狹窄連續彎道是山區和半山區河流限制性河谷常見的河型，而梯級渠化又是提高航道等級、河流綜合開發利用的主要模式。在西部山區和半山區航電樞紐建設中，往往由于地理條件的限制，不得不將樞紐建在平面彎曲、河道狹窄河段，湘江土谷塘航電樞紐便是典型工程實例。樞紐的平面布置即船閘、泄洪閘、電站的相對位置，關系到各自功能的發揮和樞紐建設的成敗。利用整體模型對樞紐總體布置進行多方案的對比試驗，論證樞紐中船閘、泄洪閘、電站的相對平面布置的合理性［1-6］。本文根據樞紐平面布置模型試驗成果，對樞紐不同的平面布置型式進行了分析和總結。

1 壩區河段自然條件

土谷塘航電樞紐位于湘江中游，是湘江梯級渠化中自下而上的第4個梯級樞紐，位于已建近尾洲和大源渡航電樞紐之間。土谷塘航電樞紐壩址受下游大源渡航電樞紐回水、河道左岸建筑的限制，壩軸線位于狹窄連續彎道河段。壩區河段平面形態呈不對稱“S”型，上游段為接近90°的急彎，下游段為稍緩的反向彎道。壩線上游1～3 km為急彎卡口河段，卡口段最窄處河寬僅約270 m，且右岸為坡度較陡的山地；壩線及壩線下游位于下游反向彎道河段，左側為凹岸，右側為凸岸，壩軸線位于彎道彎頂上游，壩線處河道寬約480 m，左側河床為主河道（圖1）。由于樞紐壩線上距急彎彎頂距離較短，且下游為反向彎道，船舶通航安全隱患較多。

圖1 土谷塘河段示意圖Fig.1 Sketch of Tugutang reach

2 樞紐工程平面布置設計方案及水流條件

土谷塘航電樞紐工程是一座以通航為主兼有發電功能的低水頭綜合航電樞紐工程，主要建筑物有電站、1孔排污閘、17孔泄水閘及船閘。本樞紐工程等級為II級，工程規模為大型。船閘規模為III級單線單級船閘，船閘有效尺度為180 m×23 m×3.5 m，主要設計船型為一頂四艘千噸級船隊。泄水閘設有17孔，每閘孔凈寬20 m，泄水閘底板采用WES實用堰。電站裝機容量80 MW。

樞紐總體布置分別對船閘位于彎道下游左側凹岸和彎道下游右側凸岸（電站均異岸布置）2種平面布置方案及其修改方案工況下的船閘上下航道的通航條件進行了研究。

土谷塘樞紐下壩址處水位-流量關系非單一曲線，當流量Q＜3 600 m3/s時，分為天然、大源渡47.9 m頂托、大源渡50.1 m頂托3種情況，相應有3條水位-流量關系曲線；當Q≥3 600 m3/s后，水位-流量關系為單一曲線，說明樞紐河段不受大源渡樞紐壅水影響。同時根據初步擬定的下壩址處樞紐運行方式，當Q≤1 340 m3/s時，電站發電，泄水閘關閉；當1 340 m3/s＜Q≤5 400 m3/s時，電站與泄水閘聯合調度；當Q＞5 400 m3/s時，電站停機，泄水閘敞泄。

2.1 樞紐平面布置方案

（1）方案一。平面布置從左至右依次為Ⅲ級船閘、17孔泄水閘，1孔排污閘、電站（3臺機組）。

受左岸河道彎曲半徑較小的影響，船閘只能布置在靠近左岸側河道內，且上、下游口門區段航道均為圓弧彎曲段。船閘中心線與壩軸線垂直，上、下游引航道寬均為45 m；上游引航道口門至堤頭上400 m為口門區，連接段為堤頭上游400～800 m；其中堤頭上游100 m航道為直線段，后接航道左邊線半徑為1 000 m的圓弧段，與上游主河道銜接。上游引航道口門區及連接段開挖底高程為52.2 m，寬度由45 m漸變至60 m。下游引航道口門至堤頭下400 m為口門區，連接段為堤頭下游400～800 m；出口即接左邊線為半徑為1 000 m圓弧段，弧長518 m，而后通過直線段與下游主河道銜接。下游引航道口門區及連接段開挖底高程為44.9 m，寬度由45 m漸變至60 m。

（2）方案二。平面布置從左至右依次為電站（3臺機組）、1孔排污閘、17孔泄水閘、船閘。

上、下游引航道口門底寬分別為70 m、80 m；上、下游引航道導流堤均為斜坡實體式，長度均為650 m。

圖2 方案一平面布置圖Fig.2 Layout plan 1 of the hydro-junction

圖3 方案二平面布置圖Fig.3 Layout plan 2 of the hydro-junction

2.2 設計方案水流條件

2.2.1 通航水流條件基本要求

按照《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001），船閘口門區及引航道水流限制條件如下。（1）引航道口門區水面流速。在口門區的有效水域范圍內，縱向流速Vy≤2.0 m/s，橫向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s。另外在引航道口門區宜避免出現如泡漩、亂流等不良流態。（2）引航道內流速。引航道導航段和調順段內宜為靜水區，制動段和停泊段的水面最大流速縱向應小于等于0.5 m/s，橫向應小于等于0.15 m/s。（3）口門區與主航道之間的連接段水流條件。參照口門區通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優劣。

2.2.2 設計方案一水流條件

方案一船閘上游所選取的引航道口門區及連接段內，基本處于近90°彎曲河道左側凸岸下游緩流區內，通航水流條件均能滿足要求。但船模航行試驗表明，由于引航道口門寬度僅為45 m，口門區又為半徑1 000 m圓弧段彎曲航道，長167 m、寬21.6 m的一頂四艘千噸級船隊進出口門難度較大，尤其是隨流量增加，上游彎道內流速增大，下行船舶（隊）先要橫穿狹窄急流彎道段，向左側航道內靠近，而后需迅速調順船位，順應連接段彎曲航道，通過口門區進入引航道內，船舶（隊）航行難度較大，且易順右側主流而下沖向泄水閘或碰撞堤頭，造成事故。

下游航道就水流條件而言，當流量為Q=1 340 m3/s（大源渡47.9 m頂托）時，右側電站下泄水流在泄水閘下游至下游連接段航道末端的左側河道內形成大范圍回流區，使下游口門區及連接段航道內回流反向流速較大，最大可達1.05 m/s，堤頭下游650 m連接段航道附近為水流分離區，部分水流向上進入回流區，部分水流斜穿連接段末端航道后順河勢向下，連接段末端航道內橫流較大，橫流一般在0.3～0.6 m/s。

隨泄水閘開啟，泄水閘下游大范圍回流逐漸消失。隨流量增加，泄水閘敞泄流量下，下游口門區及連接段航道橫流較大段位于堤頭下450～700 m。

2.2.3 設計方案二水流條件

方案二當流量Q≤5 400 m3/s時，上、下游引航道口門區及連接段水流條件能夠滿足規范要求，其中在Q=1 340 m3/s時，大源渡47.9 m頂托條件下，下游口門區及連接段航道大部分處于回流區，最大反向流速可達1.17 m/s，堤頭下50 m范圍內橫流較大，不能滿足規范要求；而同流量在大源渡50.1 m頂托條件下，下游航道橫流及反向流速有所減小，對船舶（隊）航行有利。當5 400 m3/s＜Q≤13 500 m3/s時，下游引航道口門區及連接段通航水流條件能夠滿足要求，而上游引航道口門區內橫流及縱向流速偏大，水流條件不能滿足要求。

3 樞紐平面布置方案優化

2種設計方案的水流條件試驗研究表明，方案一影響口門區及連接段水流條件的主要因素是上游引航道寬度較窄，同時直線段長度較短，上游船舶通過彎道后難于歸順在引航道內，下游引航道內回流較強。方案二是由于上游右岸山體束窄水流，改變水流方向，使得上游引航道內斜流較大，當流量較大時船舶難以進入口門。基于以上分析，根據2種方案不同的影響因素分別采取相應的工程措施優化。

3.1 優化方案一

增加上、下游引航道寬度，使引航道口門處寬度增至60 m；延長下游導流堤長度，使下游引航道長度由原設計的450 m延長至1 000 m，使口門及連接段航道均為直線段；同時相應調整上游口門區及連接段的航線。

圖4 優化方案一平面布置圖Fig.4 Optimized plan of layout plan 1

圖5 優化方案二平面布置圖Fig.5 Optimized plan of layout plan 2

3.2 優化方案二

在設計方案二的基礎上切除部分上游右岸山地，右岸邊緣向右側最大平移51 m，同時對上游引航道口門區及連接段航線重新布置。

上游引航道口門至堤頭400 m為口門區，連接段為堤頭上游400～800 m的范圍；其中堤頭上游200 m航道為直線段，后接半徑為1 000 m的圓弧段，弧長209.4 m，而后通過390.6 m的直線段與上游主河道銜接。上游引航道口門區及連接段開挖底高程為53.0 m，寬度為70 m。下游堤頭下加設4個導流墩。

4 平面布置優化方案的比較

4.1 泄流能力比較

樞紐泄流能力與河勢及地形地貌關系密切，雖然各布置方案的閘孔數以及堰型和堰頂高程相同，其泄流能力不盡相同。試驗結果表明，2種布置方案的泄流能力均滿足設計要求。500 a一遇洪水時（Q=22 100 m3/s）時，水位壅高值為0.245 m，小于規范規定的0.3 m，符合設計要求。優化方案二由于對右岸岸線的開挖，歸順了水流，改善了上游水流條件，提高了樞紐的泄流能力。另外在電站機組關閉、泄水閘敞泄的條件下，左側靠近電站的1孔泄水閘由于受到泄水閘與電站間導墻的影響，上游附近存在小范圍回流，其泄流能力小于其他閘孔。

4.2 通航水流條件分析比較

（1）Q≤5 400 m3/s時，兩方案樞紐上游均保持正常蓄水位58.0 m，上游引航道口門區及連接段通航水流條件均能滿足規范要求。當流量Q＞5 400 m3/s時，電站關閉，泄水閘敞瀉，兩方案的連接段均存在某一區域水流流速超過規范限制。周華興等人研究比較了西江郁江河段的貴港、渠江四九灘、西江上游右江河段的那吉、湘江的大源渡和株洲以及嘉陵江航行梯級開發的樞紐工程等14個航運樞紐工程的水工模型、船模試驗研究成果，認為這14個航運樞紐工程口門區均有部分測點的縱、橫向流速超過限值，但研究結論表明船舶能較順利地進出引航道口門區。由此提出從水工模型試驗結果來看，口門區的水流條件限值可適當提高，Vy≤ 2.4 m/s，Vx≤0.35 m/s，連接段的水流條件可控制在Vy≤2.6 m/s，Vx≤0.4 m/s，口門區與連接段的航行條件θ≤25°。故兩方案通航水流滿足規范要求。

表1 上游引航道口門區及連接段水流條件比較表Tab.1 Comparison of navigation condition of connecting section and upstream approach entrance region

表2 下游引航道口門區及連接段水流條件比較表Tab.2 Comparison of navigation condition of connecting section and downstream approach entrance region

（2）Q≤5 400 m3/s時，下游引航道口門區及連接段通航水流條件均滿足規范要求。僅在3臺機組發電（Q=1 340 m3/s）時，下游口門區及連接段航道大部分處于回流區，反向流速超出規范要求；當流量Q＞5 400 m3/s時，方案一下游引航道口門區及連接段內最大橫、縱向流速隨流量的增加而增加，且超過規范要求。而方案二水流條件滿足要求。

兩方案船閘上、下游引航道口門區及連接段通航水流條件對比結果表明，左岸船閘修改方案影響通航的不利條件在于洪水期下游引航道流速較大。右岸船閘修改方案在流量較大時，上游引航道口門區及連接段存在局部區域流速超過規范限值現象。且隨著流量的增大其影響區域由距堤頭800 m處逐漸向口門區延伸至距堤頭500 m，但對船舶航行影響不大，船舶仍可安全進出引航道口門區。

4.3 航道線型及船舶航行條件分析比較

樞紐所處河段從整體上看呈“S”型，壩址上游是一個接近90°的急彎，往下游為“S”的中間，即上、下2個反向彎道的過渡段，相對于上游河道來講，河道收縮；同時右岸高山邊坡有一個凸嘴，對水流起到阻擋和挑流的控制作用，使狹窄的河道內水流湍急，且與航線有一定的夾角。

船模航行試驗表明，左船修改方案上游引航道及口門寬度增加后，通航流量有所提高，但當流量Q≥11 700 m3/s時，一頂四艘千噸級船隊進出口門難度仍較大，舵角多大于25°，經由上游彎道處進入引航道連接段時舵角超過30°，不利于安全航行。優化方案二在設計方案的基礎上對上游山體實施一定的開挖，歸順上游水流，通航安全問題得到改善。當流量Q≤11 700 m3/s時，基本滿足船隊航行要求，當流量Q=13 500 m3/s時，仍存在著影響船舶或船隊安全航行的因素。

5 結語

通過對土谷塘樞紐平面布置幾個方案的水流和船模試驗研究成果的分析可知：

（1）在連續彎道中，主流線是從上個凸岸過渡到下個凸岸，高流速區均出現在彎頂前凸岸一側；彎曲河道段的樞紐平面布置應結合具體的壩址自然條件和樞紐工程的作用進行合理布置。

（2）彎曲河道水流條件較復雜，從順應河勢及對通航水流條件和航行條件的影響來看，船閘位于河流凹岸主流一側，能加大船舶航行的曲率半徑，有效改善口門區與連接段的航行條件。對于連接段布置在彎道內的情況，在衡量通航條件時，不能僅分析口門區的通航水流條件，還應充分考慮連接段處的彎道水流對船舶航行的影響。

（3）樞紐中各建筑物的布置應相互協調，以充分發揮其功能。與電站或船閘相鄰的泄水閘、縱向圍堰兩側的泄水閘以及緊鄰岸邊的泄水閘因受導流墻挑流或繞流流態以及河道邊界的影響，泄流能力減弱。

（4）2種方案及其優化方案上、下游口門區及連接段均存在不同程度的斜流和回流，斜流是影響船舶進出口門的重要因素。優化方案二通過相應的工程措施較好地改善了船閘上下游引航道口門區及連接段的通航水流條件，但同時也加大了工程量。綜合考慮河段地形條件、通航水流條件等因素，認為優化方案二相對較優，故作為推薦方案。

［1］郝品正，李伯海，李一兵.大源渡樞紐通航建筑物優化布置及通航條件試驗研究［J］.水運工程，2000（10）：29-33.

HAO P Z，LI B H，LI Y B.Optimization Arrangement of Navigation Structures and Test&Study of Navigation Conditions of Dayuandu Junction［J］.Port&Waterway Engineering，2000（10）：29-33.

［2］李金合，章日紅，王志純.松花江大頂子山航電樞紐船閘平面布置研究［J］.水道港口，2006，27（1）：27-31.

LI J H，ZHANG R H，WANG Z C.General Layout of Dadingzishan Navigation-Power Junction on the Songhuajiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：27-31.

［3］李一兵，李發忠.葛洲壩三江下引航道口門區通航條件改善措施探討［J］.水道港口，2005（9）：154-158.

LI Y B，LI F Z.Discussion on Improving Measures for Navigational Conditions of Entrance Area of Downstream Approach Channel in Sanjiang of Gezhouba［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005（9）：154-158.

［4］李金合，曹玉芬，周華興.那吉航運樞紐泄流能力和閘下沖刷試驗［J］.水道港口，2002（4）：116-121.

LI J H，CAO Y F，ZHOU H X.Test on Discharging Capacity and Downstream Scour of Naji Hydro-junction［J］.Journal of Waterway and Harbor，2002（4）：116-121.

［5］李金合，普曉剛，王志純.湘江長沙綜合樞紐平面布置研究［J］.水道港口，2008（5）：345-350.

LI J H，PU X G，WANG Z C.Study on arrangement of Changsha comprehensive junction on the Xiangjiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（5）：345-350.

［6］李君濤，郝品正，李金合.右江魚梁航運樞紐平面布置優化研究［J］.水道港口，2007（5）：348-353.

LI J T，HAO P Z，LI J H.Optimization research on plan layout of Yuliang Hydro-junction Project of Youjiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007（5）：348-353.