漢江雅口樞紐廠壩間上游導墻布置試驗研究

黃 勇,李君濤

(1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，武漢 430051；2.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)

內河航運樞紐主要建筑物一般由泄洪閘、電站廠房以及通航建筑物組成，從國內眾多的樞紐布置來看，電站廠房與泄水閘大都相鄰布置在主河槽內，且電站上游進水渠與樞紐泄水閘之間設有一道分隔導墻，該導墻的作用一是調整電站上游的水流，使水流平順均勻地進入發電機組；二是把樞紐泄水區與電站引水區分隔，以減小兩者運行時的相互干擾。由于廠壩間隔水導墻左右兩側緊鄰泄水閘孔和電站廠房，在樞紐不同運行方式下，導墻布置形式對建筑物附近水流流態影響較大，若布置不當則會造成電站引流不暢或樞紐泄流能力降低。本文針對漢江雅口航運樞紐，基于整體物理模型試驗，研究了廠壩間導墻布置對樞紐泄洪及電站引流的影響，提出了合理的導墻布置方案[1-6]。

圖1 雅口樞紐工程布置圖Fig.1 Sketch of Yakou hydro-junction project

1 雅口樞紐工程概況

1.1 工程布置

雅口樞紐工程位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游13.7 km處，開發任務以航運為主，兼顧發電、灌溉、旅游等綜合利用效益。樞紐主要建筑物由船閘、泄水閘、電站廠房、土石壩等組成(圖1)。具體布置為船閘布置在右岸灘地的灘唇位置；電站廠房布置于船閘左側，廠房內安裝6臺燈泡貫流式水輪發電機組；泄水閘共44孔，布置于電站左側的主河道內，堰頂高程44.00 m 為平底寬頂堰，孔口尺寸14.0 m×11.22 m(寬×高)。樞紐正常蓄水位55.22 m，相應庫容3.37億m3，裝機容量75 mW，樞紐主要建筑物設計洪水標準為50 a一遇，設計洪水位54.53 m、相應洪水流量20 200 m3/s。校核洪水標準為300 a一遇，校核洪水位55.64 m，相應洪峰流量27 300 m3/s。

1.2 樞紐運行方式

根據工程設計資料，樞紐工程運行方式為：

(1)當來流量Q≤2 310 m3/s(電站滿發流量)時，泄水閘關閉，來流量在滿足船閘用水要求外，機組部分或全部運行發電，水庫水位維持在55.22 m。

(2)當來流量Q為：2 310 m3/s

(3)當來流量Q>8 700 m3/s時，電站機組停機泄水閘全部閘孔敞泄，以恢復天然狀態泄流。

2 廠壩間導墻布置長度研究

圖2 廠壩間導墻布置圖Fig.2 Layout of guide wall between dam and plant

雅口樞紐廠壩間導墻布置在電站進水渠左側，頂高程為56.72 m，高于校核洪水位。擬建方案導墻為實體結構，且考慮三種不同的導墻布置長度，分別為78 m、55 m和35 m(圖2)。針對上述導墻布置長度，采用1：100正態整體物理模型試驗，結合樞紐運行方式，研究分析了導墻長度對電站進流和樞紐泄洪的影響。

(1)導墻長度對電站進流影響。

該組試驗在流量Q=2 310 m3/s下進行，樞紐運行方式為電站滿發，泄水閘關閉，主要觀測不同長度導墻布置情況下電站上游進水渠內的水流流態變化情況。試驗結果表明，由于樞紐上游水面較寬，電站左側河道水流以較大的角度斜向右偏進入電站進水渠，受廠壩間導墻掩護影響，各導墻布置方案下進水渠內均產生有一定范圍的逆時針回流區，且回流區范圍隨導墻長度的縮短逐漸減小(圖3)。如78 m導墻長度方案，回流區基本覆蓋了整個進水渠寬度，電站進流條件較差。當導墻長度縮短至55 m后，回流區逐漸向導墻附近收縮，回流范圍約為進水渠左側1/2區域，電站進流條件趨好。導墻長度縮短至35 m后，回流區位于導墻右側附近，回流范圍為進水渠寬度的1/3。由此可見，針對雅口樞紐廠壩間導墻三種布置長度，最短導墻長度下的電站進流條件最優。

圖3 不同導墻長度電站進水渠流態Fig.3 Flow state of inlet channel of power station with different guide wall length

圖4 不同導墻長度泄水閘前流態Fig.4 Flow state in front of sluice with different guide wall length

(2)導墻長度對樞紐泄流影響。

圖5 不同導墻長度樞紐上游水面線Fig.5 Upstream water surface line of different guide wall length

該組試驗在流量Q=20 200 m3/s下進行，樞紐運行方式為泄水閘敞泄，電站關閉，主要關注不同長度隔水墻布置情況下泄水閘前附近的水流流態以及壩上水面線。試驗結果表明，樞紐上游河道右側區域來流受廠壩間導墻的阻水作用，導墻上游端部產生明顯的壅水和繞流，泄水閘右端部分閘孔前沿附近產生回流，從而導致部分閘孔的泄流能力降低或完全喪失(圖4)。在78 m長度方案下，導墻影響范圍為右端3個閘孔，其中1#、2#閘孔(右起為1#)基本不過流，泄流能力完全喪失，3#閘孔僅有部分參與泄流。55 m長度方案下，受導墻影響泄流能力喪失的閘孔數為1.5孔。35 m長度方案下，僅有最右側1個閘孔不過流。同時，由各方案樞紐上游水面線情況(圖5)也看出，隨著隔水墻長度的縮短，壩前水位也隨之下降。因此，從泄流角度來講，35 m長度導墻布置方案最優。

3 廠壩間導墻開孔布置研究

根據廠壩間導墻長度的研究成果可以看出，采取較短的導墻長度，電站進流條件和樞紐泄流能力相對較優。針對雅口樞紐，結合導墻結構布置以及電站上游攔污柵布置影響，導墻設計最小長度為35 m，在該長度布置條件下，泄水閘最右側閘孔的過流能力仍未有效發揮。為了進一步提高樞紐泄流能力，進行了閘墻開孔布置試驗研究。

圖6 導墻開孔布置圖(長度單位：mm；高程單位：m)Fig.6 Layout of guide wall opening

(1)導墻開孔布置。

考慮結構設計要求，廠壩間上游導墻長度為35 m，10 m分一縫，靠近廠房段15 m一縫，縫間設止水。隔水墻墻頂高程為56.72 m，隔水墻設置6個補水孔口，孔口尺寸為2.5 m×3.0 m，孔頂高程54.72 m，開孔布置見圖6。

(2)導墻開孔對電站進水的影響。

選取電站滿發流量Q=2 310 m3/s，進行了隔水墻開孔與不開孔兩種方案的研究，對比電站進水渠水流流態。試驗結果表明，導墻開孔布置方案下，電站上游進水渠左側貼近導墻附近區域仍有回流產生，但開孔補水后，導墻上游端部的繞流程度有所減弱，回流區范圍減小。未開孔條件下，回流區范圍為導墻右側約40 m區域，導墻開孔后，回流范圍減小至30m(圖7)。因此，導墻開孔后電站進流條件有所趨好。

圖7 導墻開孔前后電站進水渠流態Fig.7 Flow state of inlet channel before and after the opening of guide wall圖8 導墻開孔前后泄水閘前流態Fig.8 Flow state in front of sluice before and after the opening of guide wall

(3)導墻開孔對對樞紐泄流的影響。

在校核洪水流量(Q=20 200 m3/s)下，以35 m隔水墻長度為基礎，同樣進行了隔水墻開孔與不開孔兩種方案對樞紐泄流能力的影響。試驗結果表明，在導墻未開孔條件下，導墻上游端部挑流較為明顯，最右側1#泄水閘孔完全在導墻掩護范圍內，該閘孔幾乎不參與泄流，過流量為0 m3/s。導墻開孔后對上游河道右側區域來流起到了分散作用，導墻端部的挑流影響明顯減弱，部分水流經導墻右側電站進水渠透過補水孔進入1#泄水閘孔，試驗測得的在導墻開孔條件下1#閘孔的過流量為260 m3/s，較導墻未開孔條件明顯增強(圖8)。

4 結語

(1)雅口樞紐壩址附近河道水面寬闊，廠壩間上游導墻布置參數對樞紐泄流能力和電站進水條件影響較大。

(2)由于廠壩間導墻與泄水閘相鄰布置，受導墻挑流作用影響，導致部分泄水閘孔過流能力減弱，樞紐整體泄流能力下降，且不同導墻布置長度對泄流能力影響程度不一，長度越短對泄流能力造成的不利影響越小，同時采用導墻開孔可基本消除導墻布置對樞紐泄流能力的影響。

(3)廠壩間導墻布置對電站進水條件的影響主要表現在受廠壩間導墻掩護影響，電站進水渠內均產生有一定范圍的回流區，通過縮短導墻長度和導墻開孔可減弱對電站引流造成的不利影響。

(4) 經模型試驗論證，雅口樞紐廠壩間上游導墻采用相對較短的35 m導墻長度、同時導墻開孔的布置方案能夠獲得相對較好的電站進水條件，同時增強樞紐泄流能力。研究成果得到了工程設計的采用，可供類似工程設計參考。