長沙綜合樞紐三期施工導流及通航模型試驗研究

蔣明鋒，李 帆，劉方舟，乾東岳

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發有限責任公司，長沙410000；2.長沙理工大學，長沙410076）

長沙綜合樞紐位于湘江長沙段蔡家洲，具有改善環境、通航、發電、給水、灌溉、旅游等綜合效益。壩址處河道順直開闊，地形特點有利于分期施工及施工導流［1］。樞紐建設施工導流期間，圍堰等導流建筑物將束窄河段，減小過水斷面面積，改變原始水流特性，從而影響河段的行洪能力和通航水流條件。行洪能力是否滿足要求，關系到壩址以上河段沿岸生命財產安全以及施工進度的順利進行，是樞紐建設中至關重要的問題。而為了確保工程施工安全及地區經濟的發展，則必須保證施工期間河段的水流條件能夠滿足船舶的安全通航［2］。

根據樞紐河段地形、水流條件等特點，同時綜合考慮工程進度安排，長沙綜合樞紐分三期進行施工導流：一期圍右汊20 孔泄水閘，由左汊河床過流和通航；二期圍左汊左岸船閘及部分泄水閘，由左汊束窄河床及右汊已建20 孔泄水閘泄流，左汊臨時航道通航；三期圍左汊右岸電站廠房及剩余的泄水閘，由已建左汊和右汊的泄水閘泄流，已建船閘通航。本文主要針對長沙綜合樞紐三期工程，通過水工模型試驗，重點分析河段的行洪能力和通航水流條件，研究確定合理的導流方案。

1 模型設計及試驗控制條件

1.1 模型設計

模型設計范圍上起壩軸線上游約4.3 km，下至壩軸線下游約7.4 km，全長約11.7 km。寬度超過河流兩岸防洪堤范圍，并考慮溈水匯入的影響，其值為10～25 km 不等。根據幾何相似、水流運動相似、動力相似及阻力相似準則，模型試驗所用的水工模型采用1：100 正態定床模型［3-4］。表面流場測量采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）系統對表面粒子實時圖像采集與處理。

1.2 試驗控制條件

通過分析比較施工導流前后沿程水位，從而得到上游水位雍高值以反映施工導流期間河段的行洪能力。設計要求施工導流后的雍高值控制在45 cm 以內。

三期施工導流期左汊左岸永久船閘已建設完工，屬于Ⅱ級船閘。根據《船閘總體設計規范》［5］，對船閘口門區通航水流的要求如表1 所示。

2 三期施工導流行洪能力研究

2.1 導流設計方案行洪能力研究

2.1.1 設計導流方案

表1 口門區水面最大極限流速Tab.1 The maximum limit value of entrance area surface velocity m/s

設計方案按全年2 a 一遇標準設計圍堰，圍左汊剩余的16.5 孔泄水閘和廠房（圖1）。擋水工況時，由左汊已建10 孔泄水閘和右汊20 孔高堰閘壩聯合過流，已建船閘通航；過水工況時，由已建左汊10 孔閘壩、右汊20 孔閘壩與左汊三期過水圍堰聯合泄流。

圖1 三期圍堰平面布置圖Fig.1 Sketch of plane arrangement for third-stage cofferdam

2.1.2 試驗結果分析

三期圍堰在設計標準（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）時，圍堰上游最大壅高為62 cm，不滿足小于45 cm 的設計要求，說明三期施工導流的設計方案壅高值較大，泄流能力不足。

通過觀察三期上游圍堰處流場發現，受上游圍堰的影響，左汊泄水閘前存在回流區（圖2），較大程度地影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力。通過觀測左汊10 孔泄水閘閘前流速發現，從第一孔至第八孔泄水閘閘前行進流速一般在2.8～4.0 m/s；第九孔泄水閘受回流區的影響，閘前行進流速較小，只有0.7 m/s；第十孔泄水閘受到回流區的影響嚴重，不僅沒有泄流，甚至產生了倒流，流速為-0.6 m/s，使得泄水閘實際過流能力減小。

圖2 三期設計方案圍堰附近流場圖Fig.2 Flow field around cofferdam for the third design proposal

2.2 優化設計方案行洪能力研究

由于三期施工導流設計方案存在水位壅高較高的情況，需按設計標準（2 a 一遇洪水流量Q=13 500 m3/s）對圍堰的平面布置形式進行優化。

通過分析長沙綜合樞紐三期施工導流的具體情況，發現其有以下特點。首先，三期施工導流的布置與二期施工導流的布置關系緊密，兩者之間的過流寬度需分配合理。增加其中一方的溢流寬度，則會減小另一方的溢流寬度。所以，若為了使三期導流滿足行洪要求而不斷增加其溢流寬度，那么將減小二期導流的溢流寬度從而影響二期的行洪能力。其次，從三期導流設計方案的上游圍堰流場圖可以看出，回流影響了靠近圍堰的兩孔泄水閘泄流能力，使得現有的溢流寬度未充分發揮溢流作用。

當施工導流的行洪能力不足時，通常考慮的是增加溢流寬度以及河道疏浚［6-7］，從而使上游雍高值滿足設計要求。但是，根據長沙綜合樞紐三期施工導流的特點，不能一味地增加其溢流寬度，而需要同時考慮通過調整圍堰平面布置形式，調順水流方向，改善水流條件，從而提高河段的行洪能力。

在三期施工導流設計方案的基礎上，從增加溢流寬度和調整縱向圍堰與水流方向兩方面對其進行優化，共提出了3 種優化方案。

2.2.1 平面布置優化

（1）優化方案1：增加溢流寬度20 m（增加一孔泄水閘，由原設計方案的10 孔改成11 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖3 所示；該方案從增加溢流寬度角度出發，增大過流面積以降低上游的水位壅高。

圖3 三期施工導流優化方案1 示意圖Fig.3 Sketch of the first optimum proposal for third-stage construction diversion

圖4 三期施工導流優化方案2 示意圖Fig.4 Sketch of the second optimum proposal for third-stage construction diversion

（2）優化方案2：增加溢流寬度20 m，且上游縱向圍堰端部向右岸上游橫向圍堰方向移動30 m，如圖4所示。

（3）優化方案3：增加溢流寬度40 m（增加兩孔泄水閘，由原設計方案的10 孔變成12 孔，下同），縱向圍堰型式不變，如圖5 所示。

圖5 三期施工導流優化方案3 示意圖Fig5 Sketch of the third optimum proposal for third-stage construction diversion

2.2.2 試驗結果分析

各優化方案在2 a 一遇洪水流量（Q=13 500 m3/s）工況下，在采取各種措施后圍堰上游的最大壅高值原方案為62 cm，優化方案1 為57 cm，優化方案2 為43 cm，優化方案3 為52 cm。

分析試驗結果可知：

（1）各優化方案的壅高值較原方案均有所減小，其中優化方案1 和優化方案3 的壅高值降低較小，最大壅高值分別為57 cm 和52 cm，不滿足小于45 cm 的設計要求。優化方案2 的壅高值降低較多，最大水位壅高值為43 cm，滿足小于45 cm 的設計要求。

（2）優化方案1 和優化方案3 在設計方案的基礎上僅“增加溢流寬度”，未優化縱向圍堰的結構型式，使得上游縱向圍堰處的回流并未得到改善，靠近縱向圍堰的2～3 孔泄水閘泄流能力未提高。從表2 的數據可以看出，每增加20 m 的溢流寬度，水位雍高值減小5 cm，說明僅靠“增加溢流寬度”的方法對提高導流期的行洪能力所起到的效果是有限的。

（3）優化方案2 是在優化方案1 的基礎上將縱向圍堰改為折線，“調整縱向圍堰與水流方向”，使水流更加平順，從而大大降低了回流區影響范圍（圖6），使得靠近縱向圍堰兩孔泄水閘閘前行進流速比原方案有較大的提高，從而提高了泄水閘的泄流能力。從表2 的數據可以看出：優化方案2 較優化方案1 的縱向圍堰端部右移30 m，水位壅高值減小了14 cm，說明“調整縱向圍堰與水流方向平順”方法更有利于提高施工導流期的河段行洪能力。

綜上所述，僅優化方案2 滿足行洪要求。分析各優化方案可知，優化方案2 是在設計方案的基礎上，同時結合了增加溢流寬度和調順縱向圍堰與水流方向的方法，其不僅增大了水流的實際過流寬度，而且調順了水流，降低了回流區的影響范圍，從而較大地提高了河段的行洪能力。因此，在優化方案2 的基礎上校核船閘引航道及口門區的通航水流條件。

圖6 優化方案2 左汊泄水閘前流場示意圖Fig.6 Flow field in front of left branch floodgate for the second optimum proposal

3 三期施工導流通航水流條件研究

施工導流方案在保證河段具有較好行洪能力的同時，也須確保河段水流條件滿足船舶安全通航要求［8］。針對優化方案2，選取2 a 一遇（Q=13 500 m3/s）、5 a一遇（Q=17 500 m3/s）和10 a 一遇（Q=19 700 m3/s）洪水流量，研究船閘引航道及口門區的通航水流條件。

通過觀測流場，發現船閘引航道內基本為靜水，重點研究船閘上、下游口門區的通航水流條件，試驗結果如表2 所示。

表2 推薦方案口門區通航水流條件Tab.2 Navigation flow conditions of entrance area for recommended proposal m/s

優化方案2 在各級典型流量下，船閘上、下游口門區水流條件均滿足規范要求，能夠保證船舶的安全通行，可以作為三期施工導流的推薦方案。

4 結論

（1）三期施工導流設計方案，由于左汊上游圍堰造成的回流區和溢流寬度不足影響了泄水閘的過流能力，導致三期施工導流期圍堰上游河段水位壅高較高，不滿足設計要求；

（2）在設計方案的基礎上，共提出3 種優化方案。其中優化方案2 能滿足河段的行洪能力要求，也能保證較好的通航水流條件，故選取優化方案2 作為三期施工導流的推薦方案；

（3）當施工導流的行洪能力不足時，通常考慮的是增加溢流寬度。但是，通過分析比較三期施工導流各種方案的行洪能力可知，采用調整圍堰局部平面布置、調順水流方向、增大溢流孔的有效過流能力對降低水位雍高所起的作用更為明顯。本文研究推薦方案不僅可以作為設計的依據，也為類似工程通過了優化思路；

（4）通過物理模型試驗研究河段施工導流期的行洪能力和通航水流條件，其成果可為設計、施工部門相關方案的制定提供科學依據，其研究方法可為類似工程提供參考。

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