桃源樞紐下游口門區通航水流條件改善措施研究

沈科 湖南省水運建設投資集團有限公司

1.工程概況

本通航水流條件改善工程為桃源至常德航道整治工程，屬洞庭湖水系，有南北兩源，南源為龍頭江，北源為重安江。沅水全長1218km，覆蓋湘西、黔東、渝東與鄂西部分地區，整個流域的主要地形為山地，河流大致地勢走向為西北-東南，流域面積90000km2。本標段桃源至陬市航段整治工程按三級航道標準建設，整治航道長約10km，位于桃源縣城與陬市鎮之間，桃源樞紐下游。本航道整治工程的主要目標為提升沅水航運能力，以水運發展為帶動點，優化升級綜合交通運輸體系。

2.桃源樞紐下游口門區通航水流條件判別

2.1 通航標準

沅水浦市至常德296km航道并配套建設支持保障系統。浦市至桃源樞紐段248km航道按Ⅳ級航道標準整治，航道尺度為1.9m×50m×330m（水深×航寬×彎曲半徑），單向通航孔8×45m（凈高×凈寬），雙向通航孔8×90m；桃源樞紐至常德段48km航道按Ⅲ航道標準整治，航道尺度為2.0m×60m×480m，單向通航孔10×55m，雙向通航孔10×110m。通航保證率為98%。

2.2 試驗分析

2.2.1 潛壩結構試驗

綜合考慮壩體結構與工程實際情況，確定采用堆石壩結構。堆石壩結構具有壩體結構穩定性好、適應能力強、材料來源多樣以及施工工藝簡單等優勢，是一種兼具質量優勢與經濟優勢的壩體結構，在我國的航道整治工程得到了廣泛的應用，但這種壩體結構對潛壩塊石粒有嚴格限制，按照水流速＞3m/s，采用以下計算公式：

式中：d為塊石等容粒徑，m；Vf為建筑物處的最大表面流速，m/s。

在調查本航道整治工程中的河段斷面平均流速后，可以確定水流書均≤3m/s，但為了提高壩體結構的穩定性與保證通航的安全性，Vf取值4.0m/s，塊石等容粒徑d取值為0.64m。

單個塊石的穩定重量（kg）為：

式中：r為塊石的半徑，m；bγ為塊石的密度，kg/m3，取值2650kg/m3。

計算得塊石重量W=363.73kg，故平均單塊重量在365kg以上為標準。

2.2.2 斜坡式石籠壩試驗

本航道整治工程的斜坡式石籠壩長20 0m，壩體高度在2～9m范圍內變化，壩體橫斷面兩側坡比均為1∶1，頂寬3m。石籠壩底部修筑1.5m厚的塊石基礎。根據上文中潛壩塊石單塊重量計算的相關內容，確定位于石籠壩的單個石籠的體積與重量。通常情況下，石籠的單個體積會超出1m3的范圍，根據石籠密度（1750kg/m3）可進一步確定單個石籠的重量，即單個石籠重量≥1750kg。以石籠常用規格為基準，并且預留出適量的空間，確定石籠壩外側的單個石籠體積≥1.5m3，并嚴格按照石籠壩計算方法計算得到石籠壩安全系數，石籠壩安全系數見表1，并根據相應的組合方式確定壩體的抗滑、抗傾與抗浮設計。

表1 石籠壩安全系數表

此外，斜坡式石籠壩對所選用的石料也有限制，需滿足級配要求，同時保證石料品質優良、質地堅硬以及遇水穩定性好，并且是不容易破碎和水解的材料，對濕抗壓強度也有要求，保證濕抗壓強度＞50MPa，軟化系數＞0.7，密度≥2.65t/m3，自重為65～150kg。

2.2.3 結果分析

根據潛壩結構試驗、斜坡式石籠壩試驗結果顯示，上游來流量會對桃源樞紐下游口門區通航造成影響，當上游來流量Q＜996.0m/s時，受到地形的影響，桃源樞紐下游口門區會形成較大范圍的弱回流區，但其他流速指標均不超出設計規范值，上游來流量Q為996.6m/s時，下游回流流速值稍微高于設計規范值，當上游來流量＞996.6m/s，下游回流流速遠超出設計要求，初設方案設計為開啟調整泄洪（沖沙）闡開度的方式，進而控制上游來流量，縮減回流區域，改善桃源樞紐下游口門區通航水流條件，為船舶航行提供一個安全穩定的航運環境。

3.下引航道口門區及下游連接段通航條件的改善措施

綜合考慮航道整治工程需要，分析下引航道口門區與桃源至常德航道通航水流條件，經反復研究與討論，最終確定調整壩下游河床，確定整治深度與范圍，實施開挖，進而實現調節下泄水流流向，控制桃源樞紐下游口門區形成的弱回流區面積與控制下游回流流速。

3.1 擴大電站尾水渠下游河床的開挖范圍

從原河床右側位置繼續向右側推進開挖，拓寬河床，擴大寬度約為65m，延長上游河床長度，向下游延長140m，根據地形情況調整電站尾水與閘壩下泄水流流向，使得水流向河道左側流動，控制主流斜沖方向與程度，降低其對桃源樞紐下游口門區的影響。

3.2 適當增削源頭部布置

關注到初設航道整治方案中源頭部伸入河中的數量占比較大，加之受到電站尾水頂托作用的影響，增加了桃源樞紐下游口門區回流出現概率，擴大了回流的面積，因而必須從設計方案入手，適當削減源頭部布置，擴大原設計源頭部開挖寬度，引導水流流向。

3.3 調整下引航道左側及下游河床的開挖范圍

調整下引航道左側與下游河床的開挖范圍，調整原下游挖槽右側開挖邊界，使得其沿著順時針方向偏移21°，控制下引航道口門區和連接段的上下行航線與水流流向夾角，使其比初設方案減小了21°，開挖高程保持不變，開挖范圍調整至1.0km，調整上游左側開挖寬度，并且逐漸增加桃源樞紐下游航道寬度，使得擴大到220m。

經整治后，下游口門區的通航水流條件得到了顯著改善，下引航道口門區嚴重的回流問題得到了控制，并且當上游來流量Q≥996.6m/s，下引航道口門區流速（縱向、橫線與回流）均不會超出設計規范值，在下游連接段，船舶上下行航行與水流流向的交角控制效果顯著。

結合前文中所提及的通航水流條件分析實際，經改善后桃源樞紐下游口門區通航條件在上游來流量Q≤2900m/s與上游來流量Q在2900～5000m/s變化時，下游口門區的回流流速不超出設計規范值，并且船閘下引航道口門區及下游連接段的通航水流條件均符合安全通航標準與規范。同時，當船舶由支流航行到主流時船舶的橫向速度≥0.2m/s，根據主流方向1m、2m水深橫向速度分布云圖所示，主流與支流的匯流位置的橫向速度＜0.2m/s，滿足船舶通行安全通航要求。

根據上述研究可以發現，桃源樞紐下游河流交叉段匯流區的主流與支流水流條件良好，流態穩定，同時橫向水流流速滿足船舶航行要求，也與《內河通航標準》（GB 50139-2014）相一致，不超出0.3m/s的安全允許范圍，船舶可安全穩定地從支流航行到主流。同時，結合CFED數值模擬計算結果發現，經整治改善后，桃源至常德的下引航道與下游連接段通航條件得到了明顯改善，河流交叉段主支流匯流區河道平面與斷面設計科學合理，可不用在匯流區增加設計船閘或套閘，工程經濟性較高。

4.結語

受到地形、地質等自然因素的影響，各水利樞紐工程的先天優勢存在巨大差異，為了改善水利工程的通航條件，應根據具體的水利工程進行改造與合理布置，改善通航水流條件，發揮河道水運優勢，優化綜合交通體系。