湘江土谷塘航電樞紐船閘通航水流條件優化試驗研究

普曉剛，李 俊，郝媛媛，李富萍

（1.交通運輸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；2.湖南湘江航運建設開發有限公司，長沙410011）

土谷塘航電樞紐工程壩址位于湘江中游下段、衡陽市上游39 km處，為湘江九級梯級開發中的第6個梯級，壩址上距近尾洲樞紐50 km，下距大源渡樞紐101 km。樞紐壩區河段屬丘陵區，地形、地貌比較簡單，主要為河谷階地地貌和河岸殘丘、低丘地貌。壩址河段相對順直，壩線處河道水面寬480～520 m，枯水期水深1.0～1.8 m。土谷塘航電樞紐以通航為主，兼有發電、灌溉、改善濱水景觀等綜合效益，主要建筑物從左至右依次為魚道、4臺機組、1孔排污閘、17孔泄水閘及1 000 t級船閘。建設土谷塘樞紐可使水庫回水到近尾洲樞紐壩下，庫區50 km河段將達到通航千噸級船舶的Ⅲ級航道標準［1］。

在通航河流上修建航電樞紐后，船閘上下游引航道與河流（或運河）相連接的口門區及連接段，是過閘船舶（隊）進出引航道的咽喉。由于船閘口門區及連接段水流條件的好壞，直接關系到船舶（隊）暢通過壩、安全運行，是樞紐平面布置的關鍵問題之一［2-3］。因此，在各種通航樞紐設計時，需要對其進行模擬試驗，認識影響口門區水流條件的機理，分析斜向水流形成原因，進而提出改善口門區水流條件的措施，是有現實意義的。文中根據土谷塘航電樞紐通航水流條件試驗成果，分析了船閘上、下游引航道口門區及連接段的水流條件及影響因素，采取多種改善措施，提出了滿足船舶或船隊航行條件的布置方案［4-7］。

1 模型概況及試驗條件

1.1 模型概況

模型為定床正態模型，比尺為1：100，按重力相似準則設計，流速比尺λv=10，糙率比尺λn=2.15，流量比尺λQ=105。模擬原型河道長度約5 km，其中壩址上游長約2.4 km，壩址下游長約2.6 km，寬度為550～750 m。因此模型全長約50 m，模型寬5.5～7.5 m（圖1）。

1.2 試驗條件

土谷塘樞紐壩址位于大源渡樞紐庫尾回水變動段，受大源渡樞紐不同運行水位（大源渡樞紐正常蓄水位為50.1 m，水庫死水位為47.9 m）的影響，壩址處水位與流量關系非單一關系：在流量Q＜2 560 m3/s時，分為大源渡50.1 m頂托線、大源渡47.9 m頂托線2條曲線；當流量Q≥2 650 m3/s時，壩區河段不受大源渡回水頂托，2條曲線重合。

根據初步擬定的樞紐運用方式：當Q≤1 600 m3/s時，電站發電，泄水閘關閉；當1 600 m3/s＜Q≤4 700 m3/s時，電站與泄水閘聯合調度；當Q＞4 700 m3/s時，電站停機，泄水閘敞泄。綜合選擇了7級典型流量和多種組合水位對船閘通航條件進行試驗研究，結果見表1。

表1 典型水位流量組合Tab.1 Typical water discharge combination

1.3 船閘通航水流條件限值

船閘Ⅰ～Ⅳ級口門區水面最大流速限值：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；在引航道口門區宜避免出現如泡漩、亂流等不良流態；連接段水流條件，參照口門區通航水流條件的基本要求。

2 樞紐布置設計方案船閘通航水流條件分析

2.1 設計方案工程布置

土谷塘航電樞紐設計方案各建筑物布置見圖2。船閘位于右岸側，為單線單級船閘，突出于下游，船閘中心線與壩軸線垂直，設計最大通航流量為13 500 m3/s（10 a一遇）。船閘引航道布置型式為不對稱型，船舶采用曲進直出方式進出船閘。引航道底寬為55 m，引航道長度為530 m，其中制動段150 m，靠船段180 m，導航段200 m；上、下游引航道底高程分別為53.0 m、44.9 m。上、下游引航道導流堤均為直立式導流堤，堤頂高程為64.3 m。

2.2 上、下游引航道口門區及連接段布置

上游引航道口門至堤頭上游400 m為口門區，連接段為堤頭上游400～800 m范圍并與主航道相接。口門區航道寬度由55 m逐漸過渡至60 m，連接段航道寬60 m。

下游引航道口門至堤頭下游400 m為口門區，連接段為堤頭下游400～1 000 m范圍并與主航道相接。口門區及連接段平面布置型式為：堤頭下游108.5 m為直線段，而后通過半徑為1 000 m、長60 m的圓弧段與下游直線段相連。口門區航道寬度由55 m逐漸過渡至60 m，連接段航道寬60 m。

2.3 設計方案船閘通航水流條件

對于上游口門區及連接段航道，由于船閘位于河道右岸側，并占據一定的河床寬度，同時天然條件下口門區及連接段所處河段主流區位于河道中部偏右側，航道內水流流速偏大。水流至船閘上游導流堤堤頭附近，河道過流斷面束窄，使水流彎曲變形，產生流速梯度，形成斜向水流，并產生回流和分離型小漩渦。隨河道內水流流速的增加，斜向水流和回流強度會逐漸增加，不利于船舶（隊）航行。當流量Q＜8 700 m3/s時，通航水流條件能夠滿足規范要求，當8 700 m3/s≤Q≤13 500 m3/s時，因堤頭上游0～150 m口門區內左向橫流較大，最大橫流為0.7 m/s，通航水流條件不能滿足要求，船舶沿航道中心線左側上行較困難，船尾易掃向堤頭。

對于下游口門區及連接段航道，由于過下游導流堤堤頭后，河道斷面放寬，水流同樣會彎曲變形，形成斜向水流和回流；另外，由于下游航線與下游河勢不一致，即航線與河道主流有一定的夾角，使得航道內的橫流稍大，不利于船舶（隊）航行。當Q≥4 700 m3/s時，堤頭下150～650 m口門區及連接段航中線左側航道內右向橫流偏大，通航水流條件不能滿足要求，船舶下行易漂移至航中線右側。

3 樞紐布置修改方案通航水流條件試驗與分析

針對船閘上、下游引航道口門區及連接段通航水流條件存在的問題，對設計方案共進行了3個修改方案試驗（圖 3）。

3.1 修改方案一通航水流條件

（1）修改方案一工程布置。將船閘上游引航道長度由530 m增加到600 m，其中引航道導流堤直線段長500 m，挑流堤段長100 m，與直線段的夾角為8.6°，口門寬度為70 m，堤頭上游布置2個楔形導流墩，導流墩長25 m，寬3 m，頂高程為64.3 m，第一個導墩與堤頭的間距為15 m，兩導墩間距為20 m。下游引航道長度由530 m增加到650 m，其中引航道導流堤直線段長500 m，挑流堤段長150 m，與直線段的夾角為7.6°，口門寬度為75 m。為減小水流與航線的夾角，將下游航線向右岸進行了適當調整。

（2）修改方案一通航水流條件。雖然將導流堤外擴適當減小了上下游航道內的水流流速，通過下游航線的調整也減小了水流與航線的夾角，船閘通航水流條件得到一定改善；但由于導流堤延長和外擴范圍較大，對壩區河道斷面流速分布改變較大，對樞紐建成后的河床穩定不利；另外，受挑流堤的影響，樞紐泄流能力與設計方案相比明顯減弱，對樞紐泄洪不利。

3.2 修改方案二通航水流條件

（1）修改方案二工程布置。船閘上、下游引航道長度保持530 m不變，將150 m的制動段引航道底寬由55 m漸變為60 m；引航道導流堤直線段長380 m，挑流堤段長150 m，與直線段的夾角為1.9°，口門區寬度為60 m；上游導流堤上游順挑流堤方向布置3個不等間距的楔形導流墩，導流墩長25 m，寬3 m，第一個導墩與堤頭的間距為10 m，第一與第二、第二與第三個導墩間距分別為15 m、20 m；下游導流堤下游順挑流堤方向布置3個楔形導流墩，導墩間距均為20 m。為減小水流與航線夾角，將下游航線向右岸進行了適當調整。

（2）修改方案二通航水流條件。對于上游引航道口門區及連接段航道，通過將導流堤適當外擴后，使口門區水域寬度有所增加，而在導流堤堤頭上游布置的導流墩，消除了堤頭附近集中的斜向水流，有效降低了導流墩所在段口門區內的水流流速，在流量Q＜11 700 m3/s（5 a一遇洪水）時，上游引航道口門區及連接段通航水流條件能夠滿足規范要求；而當11 700 m3/s≤Q≤13 500 m3/s（10 a一遇洪水）時，堤頭上游100～250 m左側航道內左向橫流稍大，船舶沿航道中心線左側出口門需謹慎操舵，若沿中心線上行比較安全。對于下游引航道口門區及連接段航道，導流堤的外擴和導流墩的布置消弱了堤頭下游附近航道內的擴散水流，降低了導流墩所在段口門區內的水流流速。同時，由于下游航線向右岸調整后，順應了下游河道河勢和水流方向，有效降低了航道內橫向流速，在通航流量范圍內，下游引航道口門區及連接段通航水流條件均能夠滿足船舶航行要求。

3.3 修改方案三通航水流條件

（1）修改方案三工程布置。修改方案三是將船閘上游引航道導流堤長度由設計方案的530 m調整為600 m，其中堤頭段100 m為透空堤，孔口為等間距、等高度布置，每隔5 m布置一個孔，每孔寬5 m，孔頂高程低于正常蓄水位4 m，頂高程為54.0 m；上游引航道口門寬度為55 m。

（2）修改方案三通航水流條件。由于部分流量經透空堤下部孔口流出，減小了堤頭附近的過流量和水流偏角，相應降低了橫向流速，使上游口門區及連接段航道通航水流條件在流量Q≤11 700 m3/s時均能滿足船舶（隊）航行要求，而當Q=13 500 m3/s時，堤頭上游0～100 m口門區左側航道內，左向橫流偏大，通航水流條件不能滿足要求。另外，由于透空堤向引航道內引流，加大了引航道內的水流流速，使引航道內縱、橫向流速大于規范限值。

3.4 修改方案通航水流條件對比及推薦方案

3個修改方案的通航水流條件相比，就船閘上游口門區航道而言，修改方案三相對較優，修改方案二優于修改方案一；就船閘上游引航道內水流條件而言，由于透空堤向上游引航道內引流，使航道內縱、橫向流速大于規范限值，不能滿足要求，因此修改方案一和修改方案二優于修改方案三；就船閘下游口門區航道而言，修改方案二和修改方案三相同，要優于修改方案一。

綜合對比后，修改方案二可以作為工可階段樞紐平面布置推薦方案。

4 結語

（1）原設計方案口門區的縱橫向流速不滿足水流限值要求，不利于船舶（隊）航行安全，需尋求改善措施。

（2）針對船閘上、下游引航道口門區及連接段通航水流條件存在的問題，對設計方案共進行了3個修改方案試驗，分別為增加上下游導流堤長度與導流堤外擴的修改方案一、上下游導流堤外擴與導流墩相結合的修改方案二及上游導流堤前端為透空堤的修改方案三。

（3）通過對船閘引航道及上下游口門區和連接段的通航水流條件綜合對比后，推薦修改方案二為工可階段樞紐總體平面布置方案，供設計參考。

［1］普曉剛，李君濤，張明.湘江土谷塘航電樞紐總體平面布置及通航水流條件模型試驗研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［2］朱紅.導流墩改善船閘引航道口門區水流條件試驗研究［J］.水道港口，2005，26（2）：109-112.ZHU H.Tests on Improving Flow Conditions at the Entrance of Approach Channel by Diversion Pier［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005，26（2）：109-112.

［3］葉海桃.船閘引航道口門區流態的模型研究［D］.南京：河海大學，2007.

［4］龔延慶，王義安，李金合.改善大頂子山航電樞紐通航水流條件措施研究［J］.水道港口，2004，25（2）：90-92.GONG Y Q，WANG Y A，LI J H.Measures for Improving Navigable Flow Condition of Dadingzishan Hinge［J］.Journal of Waterway and Harbor，2004，25（2）：90-92.

［5］李金合，李君濤，郝媛媛.湘江長沙綜合樞紐通航水流條件及改善措施研究［J］.水道港口，2008，29（6）：414-418.LI J H，LI J T，HAO Y Y.Navigable flow condition and improving measures of Changsha comprehensive junction on Xiangjiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（6）：414-418.

［6］李金合，章日紅，王志純.松花江大頂子山航電樞紐平面布置［J］.水運工程，2008（12）：57-61.LI J H，ZHANG R H，WANG Z C.General Layout of Dadingzishan Navigation-Power Junction on the Songhuajiang River［J］.Port&Waterway Engineering，2008（12）：57-61.

［7］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.Optimized Arrangement of Navigation Structures and Test&Study of Navigation Conditions of Dayuandu Junction［J］.Port&Waterway Engineering，2000（10）：29-33.