排樁整流技術在大藤峽水利樞紐中的應用

朱衛國，王 斌

(1. 廣西交通規劃勘察設計研究有限公司， 南寧 530029；2.珠江水利科學研究院， 廣州 510611)

排樁整流技術在大藤峽水利樞紐中的應用

朱衛國1，王 斌2

(1. 廣西交通規劃勘察設計研究有限公司， 南寧 530029；2.珠江水利科學研究院， 廣州 510611)

基于物理模型試驗，研究了大藤峽水利樞紐上下游口門區滿足通航水流條件，并首次將排樁整流技術運用于改善引航道上下游口門區流態當中，提出了改善口門區流態的排樁方案，試驗結果表明，排樁整流技術可成功的改善引航道上下游口門區流態的同時，還能夠節省工期、降低造價。

排樁；大藤峽水利樞紐；口門區；回流流速；橫向流速

目前改善口門區流速、流態的改善措施主要包括導航墻(堤身開孔、優化堤頭形式)[1]、導流墩、浮式導流堤、丁壩、潛壩以及浚深和拓寬過流斷面等，其中導航墻、隔流墻和導流墩是目前應用最多的整流措施，通過單獨或組合使用這些技術基本能夠滿足工程口門區對水流條件的要求，但都有一定的局限性(如開孔導航墻若開孔角度過大將出現長條形泡水；浮式導流堤的連接形式和水流沖擊力等問題)[2]，且以往的改善措施的施工方法都是類似的，都需在圍堰的圍護下對地基進行處理，然后進行基坑內施工作業，其施工過程復雜、工期長、造價高。

排樁在國內外主要以透水丁壩的形式進行運用[3-5]，主要應用于在河道岸線整治、航道整治[6]或海岸線保護工程中，如河流上建立的排樁[7-8]，用以增加排樁下游泥沙淤積，從而減少水流對河道凹岸的沖刷。國外主要將運用在保護海岸線工程當中，用于減少波浪和海流對海岸線的沖刷，如圖1所示荷蘭澤蘭省[9-10]用于海灘的排樁。

圖1 荷蘭澤蘭省沙灘上的排樁Fig.1 Pillars placed on the beach(Zeeland, the Netherlands)

本文首次將排樁整流技術運用于航道治理當中，運用排樁阻流、降低流速的原理，改善航道水流流態，從而使得航道水流滿足規范及船舶安全運行的要求。

1 排樁整流機理

排樁是由多個單樁組合排列組成，當水流流經排樁時，排樁的阻力作用使得上游水位升高，進而造成上下游的水位差△Z，同時樁柱間歇可使部分水流在降低流速后流向下游，而多余的水流則導流至排樁兩側，從而達到降低排樁下游流量和流速的目的。前蘇聯C.B.依茲巴斯(許念曾著《河道水力學》)通過對單排支柱的初步研究，分析了排樁水位差及下游水流單寬流量q的關系，排樁下游單寬流量公式如下

(1)

2 工程應用

圖2 排樁相關參數示意圖Fig.2 Sketch of row pile related parameters

2.1大藤峽水利樞紐概述

大藤峽水利樞紐是一座以防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。根大藤峽船閘按3 000噸級單級船閘設計，級別為Ⅰ級。大藤峽樞紐受布置空間限制，上游引航道口門區布置于彎道峽口末端的左岸灘地上，受峽口出口擴散水流及彎道水流的共同作用，水流與口門區中心線形成較大的夾角；從泄水閘至下游引航道口門區，水流主流呈“S”形走向，并以一定交角進入下游口門區，導致船閘上下游引航道口門區的天然水流條件較差。

2.2排樁整流技術在上游口門區的應用[11]

2.2.1 上游口門區原方案

圖3 上游引航道口門區可研階段設計方案平面布置Fig.3 Plane layout of the upstream approach channel in design scheme

大藤峽樞紐上游河道為彎曲河道，且彎曲河道凹岸的主流直沖口門區，導致進入口門區流量、流速較大，是口門區縱向及橫向流速超標。原設計方案為了改善口門區內的水流流態，在口門區河道側設一道長485.0 m、頂高程為47.0 m的隔流堤；同時為防止河床質泥沙進入到口門區及引航道內，在口門區上游設置一道攔砂坎與隔流堤相連，攔砂坎頂高程為39.2 m(與上游引航道及口門區底高程相同)，原設計方案上游引航道及口門區布置如圖3所示。

在5 a和10 a一遇洪水情況下，原設計方案口門區水流流態圖如圖4、5所示，方案設置的隔流堤使上游來流提前折轉進入主河槽，上游口門區中心線與水流流向夾角在10°～20°之間；上游來流在慣性力以及隔流堤導流作用下，部分水流沿著隔流堤進入引航道內，并在引航道前端形成逆時針的回流區，回流區域內回流流速超標；同時在引航道內形成往復流，試驗測得的引航道內水面波動幅度可達1.0 m，往復流的存在將影響船舶的正常停泊。

2.2.2 上游口門區排樁方案

圖4 原方案口門區水流流態(Q20%=30600m3∕s)Fig.4Flowconditionattheentranceareainoriginalscheme(Q20%=30600m3∕s)圖5 原方案上游口門區水流流態(Q10%=35200m3∕s)Fig.5Flowconditionatupstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

通過分析上游口門區的水流發現，由于大藤峽通航流量大，且口門區位于左岸主流區，使得口門區的進水流量Q進非常大，口門區入流及出流示意圖如圖6所示，優化方案須首先考慮減小口門區的進水流量Q進，對右側對船閘上游口門區、連接段航道的右側，及口門區上游附近低于38.2 m的河床回填，并回填至38.2 m高程，是個一石二鳥的辦法：回填口門區上游河床能夠阻擋底部水流進入口門區，減少進入口門區流量；回填口門區、連接段右側，使得口門區右側的整體阻力均勻，從而調整流量分配、使水流從口門區右側均勻泄出，與此同時，大藤峽施工過程形成的大量棄渣得以部分解決。

其次，進入口門區的水流在慣性作用下沿口門區運動，流至分流口附近時才側向集中橫向出流，導致橫向流速超標，調整，排樁可通過其樁柱阻水作用，抬升口門區水位，從而降低口門區上下游水位差，同時使部分水流從排樁間隙通過，令口門區流出水流沿口門長度方向側向均勻出流，將橫向集中出流轉化為均勻分散出流，從而降低口門區橫向流速。

圖6 口門區入流及出流示意圖Fig.6Sketchofflowdirectionattheentrancearea圖7 排樁方案上游口門區平面布置圖Fig.7Planelayoutoftheupstreamentranceareaafterpiling

具體排樁優化方案：(1)彎道弧度由29°調整至23°，半徑調整為1 479.2 m，并以179 m的直線段與口門區相連；口門區與上游主航道以半徑910 m、弧度23°的彎段連接；(2)將上游口門區左側灘地與口門區邊線保持10 m寬度；上游口門區右側灘地開挖至41.5 m高程，灘地與口門區邊線保持30 m寬度；(3)在上游口門區右側開挖灘地上加設排樁，樁徑為3.3 m，樁頂高程為46.0 m，其中，航上1+467～航上1+595樁間距為6.6 m，航上1+595～航上1+780樁間距為3.3 m；(4)將上游口門區連接段河道及灘地進行回填，回填范圍至航上2+592斷面，回填高程至38.2 m；(5)將上游口門區連接段與南木江副壩之間河床回填至38.2 m高程。排樁方案的平面布置圖如圖7所示。

圖8 排樁方案上游口門區水流流態(Q10%=35200m3∕s)Fig.8Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖9 排樁方案上游口門區水流流態(Q20%=30600m3)Fig.9Flowconditionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3)

實施排樁優化方案后，各試驗工況下上游口門區流態分布圖如圖8、圖9所示，流速分布圖如圖10、圖11所示。在遭遇10 a一遇洪水時，上游口門區縱向流速在2.0 ms以內，橫向流速基本在0.30 ms以內(航上1+719、航上1+605、航上1+491斷面最外側橫向流速大于0.3 ms，最大橫向流速為0.38 ms)，口門區內無回流存在，上游口門區水流條件基本滿足最大通航流量通航要求。上游口門區連接段縱向流速基本都在2.5 ms以內，只有2+266斷面連接段外側邊線出現縱向流速超標現象(最大縱向流速為2.60 ms)，無橫向流速，上游口門區連接段水流條件滿足船舶通航要求。

可見，排樁優化方案相對于設計原方案，可有效減小口門區橫向流速及回流流速，使上游口門區連接段水流條件滿足船舶通航要求。

2.3排樁整流技術在下游口門區的應用

2.3.1 下游口門區原方案

圖10 排樁方案上游口門區流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.10Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖11 排樁方案上游口門區流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.11Velocitydistributionatupstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

大藤峽水利樞紐壩軸線下游為“S”型彎曲河段，河道先向右彎，然后向左彎，設計方案的下游引航道口門區位于左彎河道的凹岸。過閘水流受河勢影響，主流先傾向于貼近右側凹岸流動，然后受右側凸岸的挑流作用發生偏轉，開始偏向左側凹岸流動，故下游引航道口門區處于主流頂沖區。

設計方案采用“防護+擴挖”的措施來改善口門區的水流條件：隔流堤末端接長約460 m的直立導航墻和長約90 m、外挑37°的透水式導墻，直立導航墻可阻擋主流頂沖，外挑透水式導墻一方面可以將主流挑向河中避開口門區，一方面可以經由底部透水孔向口門區補水消除回流；因部分導墻伸向河中占用河道過流斷面，從而壓縮主流，因此右側凸岸進行了較大面積的擴挖，以此增加該河段的過流斷面，減少設置導墻帶來的不利影響，原設計方案如圖12所示。

圖12 下游引航道口門區原方案平面布置Fig.12Planelayoutofthedownstreamapproachchannelinoriginalscheme圖13 原方案下游口門區水流流態(Q10%=35200m3∕s)Fig.13Flowconditionatdownstreamentranceareainoriginalscheme(Q10%=35200m3∕s)

最大通航流量條件下，設計方案下游引航道口門區及附近水域的流態見圖13所示，由照片可見，口門區水域在導航墻的防護下，大部門區域的水流條件較好；近左岸主流在外挑導墻作用下流向偏轉幅度較大，下泄過程中主流左右擺動，在其帶動下口門區中下段(照片中藍色框區域)及其下游的航道過渡段(照片中綠色框區域)形成兩個較大范圍的回流，橫向流速及回流值均超出規范要求，不能滿足通航需求。

2.3.2 下游口門區優化方案

通過分析大藤峽下游口門區水流條件發現：下游口門區位于左岸凸岸河段與凹岸河段的過渡位置，航道過渡段位于口門區下游的凹岸河段，彎道水流作用使得左側凸岸下游沿岸形成較大范圍的回流，主流繞過回流區擺動至凹岸流動時又使得航道過渡段縱向流速較大。可在口門區邊界處設置排樁，運用排樁降低下游流速的原理，將部分水流重新挑回主河槽，同時使剩下的低流速水流從排樁間隙進入口門區，從而降低橫向流速。另一方面進入口門區的流速還會繼續向下游輸移，從而抵消部分口門區回流。

具體的優化方案如下：(1)調整左廠房尾水渠出口左側岸坡開挖線，使左廠房尾水和靠近左側的閘孔出流能夠平順匯入主河槽，減少主流擺動。(2)將口門區對側岸坡的擴挖范圍進行調整，優化擴挖方案將岸線擴挖起始位置上移約280 m岸坡平順連接。(3)取消原設計的長導墻，沿隔流堤末端至原外挑導墻位置沿程布置排樁。共8排，每排排樁設有10個樁柱，單樁直徑2.0 m，樁與樁之間間距2.0 m，樁頂高程為42 m。調整后下游口門區布置如圖14所示。

圖14 排樁方案下游口門區布置圖Fig.14 Plane layout of the downstream entrance area after piling

圖15 排樁方案下游口門區流態(Q20%=30600m3∕s)Fig.15Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)圖16 排樁方案下游口門區流態(Q10%=35200m3∕s)Fig.16Flowconditionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)

10 a、5 a一遇最大通航流量條件下水流流態如圖15、16所示，流速分布圖如圖17、18所示。由圖可知，口門區大部分為為靜水區，航道過渡段的上游段為低流速區，河道主流擴散匯入下游段航道過渡段的角度較小，流線較為順直；口門區范圍測點流速均滿足規范要求，未出現回流或橫向流速超標情況。航道連接段內右側靠近主流的航槽測點縱向流速較大，此時可選擇左側航槽及近岸的低流速區作為通航區域，水流條件可滿足通航要求。

為保證船舶通航安全，在保證上下游口門區的水流條件滿足規范要求后，還進行了自航船模試驗，試驗成果表明：在Q≦25 500 m3s流量時，樞紐運行期下游航道通航條件滿足1+2×2 000 t船隊的通航要求；在Q≦35 200 m3s流量時，下游航道通航條件滿足3 000 t機動貨船的通航要求。1+2×2 000 t船隊上行進閘的最小航速均小于3 000 t機動貨船；上行進閘和出閘下行的最大舵角均大于3 000 t機動貨船，總體來看1+2×2 000 t船隊的通航難度大于3 000 t機動貨船。

圖17 排樁方案下游口門區流速分布(Q10%=35200m3∕s)Fig.17Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q10%=35200m3∕s)圖18 排樁方案下游口門區流速分布(Q20%=30600m3∕s)Fig.18Velocitydistributionatdownstreamentranceareaafterpiling(Q20%=30600m3∕s)

3 結語

結合大藤峽水利樞紐物理模型試驗，首次將排樁整流技術運用于改善引航道上下游口門區流態當中，并提出了具體的排樁優化方案，試驗結果證明，排樁整流技術可成功的改善引航道上下游口門區流態。排樁整流結合快速發展的水下施工技術，由于其無需圍堰、工期短、造價低，將會有更多的應用價值。

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Application of pile-rectifying technology in Datengxia water conservancy hub

ZHUWei-guo1,WANGBin2

(1.GuangxiCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstitute,Nanning530029,China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute(PRHRT),Guangzhou510611,China)

Based on physical model test, the upstream and downstream entrance areas of Datengxia water conservancy project are satisfied to meet the navigable flow conditions, the pile-rectification technology was applied for the first time to improve the flow pattern of the upstream and downstream entrance area of the approach channel, and the scheme of improving the flow pattern of the entrance area was proposed. The test results show that the pile-rectifying technology is a applicable method to improve the upstream and downstream flow of entrance area. At the same time, it also saves time and reduces costs.

row pile; Datengxia water conservancy hub; entrance area; reflux flow rate; horizontal flow rate

2017-03-10；

2017-05-05

朱衛國(1978-)，男，河南開封人，高級工程師，主要從事水利工程、港口與航道工程設計工作。

Biography：ZHU Wei-guo(1978-),male,senior engineer.

U 641.9

A

1005-8443(2017)05-0495-06