岷江犍為航電樞紐二期圍堰施工通航水流條件研究

劉 耕，吳禮國，徐 奎

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016)

1 工程概況

岷江犍為樞紐位于四川省樂山市岷江下游的犍為縣境內，上距規劃的東風巖梯級約20.2 km、距樂山市岷江犍為大橋上游約1.45 km，下距犍為大橋約1.4 km、距規劃的龍溪口樞紐約31.1 km。岷江犍為樞紐壩址控制流域面積為12.7萬km2，樞紐設計正常蓄水位為335 m，電站總裝機容量為500 MW，總庫容為2.28億m3，整個項目建設總工期為65個月。

岷江犍為樞紐是一座綜合性利用工程，以航運為主，航電結合。該工程的主要水工建筑物從左至右依次為：左岸重力壩段、電站廠房壩段、28孔泄洪(沖沙)閘壩段、船閘及右岸重力壩等，大壩軸線總長1.1 km，樞紐效果見圖1。岷江犍為樞紐所在岷江河段航道維護現狀按照大件船舶進行維護，規劃為Ⅲ級，因此船閘按照Ⅲ級進行設計，設計尺度為200 m×34 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，設計代表船舶為1 000噸級單船。

圖1 岷江犍為樞紐建成后效果

根據樞紐總體施工步驟及施工組織計劃，樞紐施工共分為3個階段，其中二期圍堰階段主要完成大壩左側電站及右側船閘施工，屆時須通過在樞紐中間開挖臨時航道導流，同時兼顧通航需求。根據工期安排，二期圍堰施工的時間為工程開工后的第3年11月1日，初步估算至次年5月31日結束，共計7個月。由于在枯水期施工，因此設計導流標準采用枯期10 a一遇洪水流量(Q=6 300 m3/s)[1]。本文針對臨時航道通航相關問題采用模型試驗的方法進行深入研究。

2 試驗內容和工況

2.1 模型設計

工程河段河面寬闊，最寬達到1.3 km，水深較淺，導致江心洲發育明顯，在枯水期水流歸槽河道彎曲，灘槽分布較密。結合工程河段河勢和樞紐總體布置，綜合考慮模型與原型的相似性，本次試驗擬定模型模擬范圍為：從大壩上游2.7 km開始，向下至大壩下游1.38 km結束，模擬河段總長約4 080 m。

為了達到物理模型試驗的準確性及相似性，保證模擬精度，結合工程河段河流特性、水文泥沙條件、航道尺度、模型大小及場地等因素，最終認定幾何比尺為1:100的正態水工模型較為合適。根據模型設計相似性準則，該模型流速比尺為1:10[2]，模型試驗各項比尺為：幾何比尺為1:100，時間比尺和速度比尺為1:10，排水量比尺和推力比尺為1:1 000 000。

本次模型設計船型主要參照岷江現有及規劃船型，船舶載質量等級為1 000噸級，其單船尺度為67.5 m×10.8 m×2.0 m(總長×型寬×設計吃水，下同)，靜水航速18.0 km/h，船模舵角范圍為左35°～右35°。

2.2 試驗量測設備

為保證模擬的精確性，模型進口為流量控制，采用翻板門調控尾水位；模型河段沿程水位主要采用傳統測針讀取，表面流速采用DLS-2型旋漿流速儀進行測定。

2.3 試驗內容

以犍為樞紐二期圍堰階段通航問題作為試驗對象，屆時須通過在樞紐中間開挖臨時航道導流，同時兼顧通航需求，設計臨時航道全長2 500 m、寬180 m、彎曲半徑800 m，河底高程為316.00～312.25 m，平均坡降1.5‰，通過模型試驗測定各級流量下工程前后壩址附近區域的水位、流速及流態變化。

2.4 試驗工況

在各級流量范圍內，選擇6種代表性的工況，見表1。

表1 模型試驗工況

模擬過程中尾門控制條件是采用大壩下游1 380 m處水位-流量關系曲線，見圖2。

圖2 模型采用的水位-流量關系曲線

3 施工導流方案

根據施工總體布置，在二期圍堰施工階段采用上下游土石圍堰，一期施工完成的右側上、下游混凝土縱向導墻圍右岸主河床，施工船閘和靠右岸的18孔泄水閘等，在此期間左岸電站廠房在其全年圍堰圍護下繼續施工。上游橫向圍堰為折線形，圍堰長約771 m、頂寬8 m、頂高程325.3 m，設計擋水位為323.75 m，與縱向圍堰夾角為140.1°；下游橫向圍堰亦為折線形，圍堰長約958 m、頂寬8 m、頂高程324.90 m，設計擋水位323.10 m；縱向圍堰利用泄水閘右岸縱向導墻。施工布置見圖3。

圖3 施工平面布置

4 臨時航道通航水力學試驗

4.1 設計方案試驗

在施工階段，工程河段采用設計臨時航道解決施工期導流及臨時通航問題。根據物理模型試驗情況，由于開挖臨時航道，枯水期水流歸槽，主流從設計臨時航道下泄較為通暢。根據實測數據分析可知，當工程河段流量為550 m3/s時，大壩上游河段水面整體出現下降，下降幅度約0.5 m。除設計臨時航道進口段水位下降幅度較大，導致局部最小水深僅為1.55 m，無法滿足1 000 t船舶航行所需的1.8 m水深要求外，其余大部分區域流態平順，水深滿足通航要求。

隨著流量的增大，當達到1 000 m3/s時，整個工程河段水流依然平順，流速變化幅度較小，流速范圍為1.9～2.4 m/s，由于流量得到增加、水位整體上漲，枯水期設計航道進口處水深不足的礙航情況得到消除，整個工程區水流及通航條件較好。

當流量繼續增加至3 000 m3/s時，水流依然平順，流速變化幅度逐漸變大，最大達到0.6～3.4 m/s，觀測表明在工程河段適合船舶上行的區域位于河段右側，寬度約80 m，該區域流速小于3 m/s；在設計航道進口處的水位較工程前降低約0.57 m，該區域流速變化幅度不大，范圍在2.3～2.8 m/s，水流及通航條件均較好；在設計航道中段壩址附近區域，原臨時航道設計寬度縮窄為180 m，而工程河段原河寬在1 km以上，大幅縮窄后導致流速整體增加較大，部分區域達到了3.4 m/s，適合船舶航行的緩流區(流速小于3.0 m/s)僅局限在航道右側50 m范圍內，由于流速大幅增加導致右岸側圍堰頭部出現了不良的繞流流態，同時該段存在部分區域水面比降突變，最大達到1.4‰，船舶上行存在一定困難；在設計航道下游段逐漸擺脫圍堰限制，過渡至天然航道，河寬逐漸放寬，水流流速也趨緩至2.5 m/s左右，整體效果較好。

當流量繼續增加至3 500 m3/s時，工程區整體流速依然呈現增大趨勢，受到壩址處河寬限制，壩址處部分區域水面出現陡比降，最大達到1.8‰，對于船舶上行較不利。然而當工程河段流量進一步增加時，工程河段水流條件進一步惡化，堤頭附近的繞流流態更為明顯，當增加至Q=5 000 m3/s時，流速持續增大，局部區域達到4 m/s以上，且上述陡比降區的比降進一步擴大至2.70‰，根據《航道工程手冊》[3]統計資料，對于山區卵石河床的航道，灘險段航線上允許最大流速3.0～3.5 m/s，比降2%～3‰，考慮到工程河段上行船舶大多數為空載或半載狀態，取最大流速3.5 m/s。表明該流量下對于船舶航行較為不利，尤其是船舶上行極為困難，無法自航上灘，須采取一定的助航措施，而下行船舶的難點主要集中在船舶操控性上。

上述試驗分析表明：在該段施工期工程河段河勢由工程前彎曲河段改為相對較順直的設計臨時航道，且通過開挖河心航道導流并通航，由于枯水期水流歸槽導致在枯水位壩址上游水位出現下降，特別是流量為550 m3/s時，設計航道進口出現航道出淺的情況；隨著試驗流量的增加，在設計航道中段水面比降開始變大，受到設計航道寬度的限制，流速同樣得到增加，在流量進一步增大過程中，特別是達到3 000 m3/s后在右側圍堰的堤頭開始出現不良的繞流流態，礙航特征較為明顯。

4.2 優化方案試驗

4.2.1優化方案的布置

1)優化航道設計縱坡和設計高程。將壩址以上縱底坡由0.15%減小至0.092%，壩軸線以下底坡由0.15%調整為0.14%，同時將閘壩段設計航道整體抬高1～315 m。

2)調整航道部分區域高程。通過采用回填的方式抬高左岸10孔泄洪閘預留消力池與上、下游河床高差超過2 m部分，避免出現跌水、氣泡水等不良流態。

3)右岸上游布置1道下挑丁壩，設計壩頂高程為321 m，優化方案布置見圖4。

圖4 調整后平面布置

根據試驗觀測，實施一系列優化方案后[4-5]，各級流量下工程河段水流條件得到一定改善，由表2可知，當流量為550 m3/s，優化方案較天然情況僅下降0.20～0.24 m，較原設計方案抬高約0.42 m，原航道進口處水深不足的區域基本得到改善，水流及通航條件得到明顯改善，隨著流量的增加，工程河段水深逐漸增大，礙航灘情消失，當流量超過3 000 m3/s時，工程河段水位較天然情況下水深有所增大。

表2 化方案與天然情況水位比較

由表3可知，當工程河段流量為1 000 m3/s，河段流速變化不大，較為平順，整體流速小于2.0 m/s，通航條件較好；當流量增加至3 000 m3/s，整體流速變化較小，流態平穩，流速在3.5 m/s左右，由于上游挑壩的建成，將圍堰頭部繞流削弱，水流經丁壩提早收縮后，在臨時航道內流態分布區域均勻，且右岸縱向導墻頭部的繞流流態較弱，但受臨時航道河寬的限制，壩址段水流流速整體較大，船舶上航上灘仍較為困難；當流量增加至5 000 m3/s，河段流速也普遍增加，與原設計基本一致，而在原設計中出現在壩址處的陡比降得到緩解，最大比降減小至2.1‰，但受限于流速依然較大，船舶依然無法自航上灘。但原圍堰堤頭的繞流流態得到一定消除，使臨時航道中游壩址段水流進一步分散，下行船舶仍可在河心下行。

表3 航道中段(壩軸線)兩方案流速比較

由表4可知，在上游大橋處船舶綜合航行阻力變化較小，船舶綜合航行阻力值較小，在5 000 m3/s流量下其值依然在0.6以下；在臨時航道中段，受到河寬限制，整體流速較高，測得在1 000 m3/s和5 000 m3/s流量下，船舶綜合航行阻力均有所減小，在3 000 m3/s流量下則有所增大，表明優化前后各級流量下船舶綜合航行阻力變化均不大。

表4 兩方案船行綜合阻力系數比較

以上模型試驗表明，在該階段實施優化方案后，在抬高上游設計航道進口段水位的同時，基本消除或改善了原圍堰堤頭的繞流，使設計航道中游段整體水流發散更為均勻，水面比降趨緩，流向平順，對于船舶航行較為有利。

4.2.2優化方案的通航水流條件

優化后依然采取Q=550～6 300 m3/s共5級流量進行模擬。

4.2.3優化方案的船模試驗

根據前期模型試驗發現，在臨時航道中游壩址段水面比降較大，該區域整體流速較高，水流及通航條件較為困難，因此為更精確地反映設計航道內船舶航行狀態，擬定增加船模試驗測定船舶航行姿態，試驗航段長約1.1 km，試驗流量為Q=3 000 m3/s。試驗成果見表5。

表5 試驗成果

1)船舶上行情況。在Q=3 000 m3/s時，1 000 t船舶自航上行平均航程為1 128 m，最大舵角為23.25°，最大漂角為68.93°，最小航速為0.63 m/s(2.27 km/h)，航行時間為9.96 min，平均航速為1.93 m/s(6.95 km/h)。船模試驗上行最小航速的安全限值和安全舵角限值分別為0.43 m/s和25°，雖均滿足要求，但幾乎無安全富余度，因此船舶雖然可以自航上行，但安全富余度較低。

2)船舶下行情況。在Q=3 000 m3/s時，1 000 t船舶下行平均航程為1 076 m，最大舵角為20.18°，最大漂角為16.37°，最大航速為6.88 m/s(24.77 km/h)，航行時間為2.81 min，平均航速為6.40 m/s(23.04 km/h)，各項參數均小于限值，并有一定的富余度，因此可以說明船舶可下行通過工程河段。

3)最佳航線、駕駛方式和航行難點。上行：根據物模試驗可知，壩址區域整體流速較大，船舶上行困難，同時結合船模試驗表明船舶自航上行較為困難。試驗過程中發現上行船舶是先從設計航道下游右側上行，進入臨時航道后貼至岸邊25 m左右繼續上行，在右側圍堰上游段的堤頭處開始過河至左岸側，然后沿左岸緩流繼續上行。試驗表明：在整個工程河段船舶上行的難點集中在設計航道的上游的高流速和大比降區，船舶在此段航行時應小心用舵。下行：由于無礙航流態，船舶下行較為容易。

綜上所述，在該施工階段，1 000噸級船舶最大通航流量為3 000 m3/s，船舶雖可自航上行，但其對岸航速較低，具有一定困難，因此建議可采取一定助航措施。

5 結語

1)為研究岷江犍為樞紐施工期通航問題，采用水工模型試驗及船模試驗研究圍堰施工階段臨時航道水流學條件，試驗表明原設計方案在枯水期進口處水深不足、隨著流量增加縱向圍堰堤頭逐漸出現繞流流態，對船舶航行極為不利。

2)根據試驗結果提出相應的優化措施，實施優化方案后基本消除或改善了上游進口處枯水期礙航及中洪水期圍堰堤頭繞流流態，使設計航道中游段流速分布整體更為均勻、流向平順、水面比降趨緩，增大了船舶自航上、下行的安全性。表明該優化方案是有效的。

3)優化方案船舶試驗表明，1 000噸級船舶最大通航流量為3 000 m3/s，船舶雖可自航上行，但其對岸航速較低，具有一定困難，因此建議可采取一定助航措施。