新型樁基透空式導流屏結構對改善下游口門區航道水流條件的作用

◎沈科 湖南省水運建設投資集團有限公司

1.工程概況

五強溪水電站位于沅水下游的湖南省沅陵縣境內，水電站承擔防洪、航運等多種功能，整個水電站樞紐建筑物主要有河床溢流壩、壩后式廠房和三級船閘組成，壩頂長度719.7m，壩頂高程117.5m，正常蓄水位108.0m。緊挨原實體導航墻布置的透空式導流屏是從上游至下游分別平行錯位布置連系墩和插板，各聯系墩與原導航墻稍朝內側偏轉19.1°，總長218.523m。

2.船閘通航現狀分析

分析沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區通航現狀，設計現狀分析模型并分級模擬，收集不同流量等級下的下游引航通航水流流速、流態以及是否存在不良流態。根據模擬試驗分析結果，受到地形與河床形態的影響，枯水流量下水電站尾水水流方向會發生偏移，向左偏轉到河道礁石地帶，并且在水流形態的影響下存在部分的水流繞過礁石帶后繼續向導航墻外側沖刷，產生旋渦、泡漩水等不良流態，最終進入船閘下游引航道口門區；而在流量為中洪水時，水流同樣發生偏轉，最后繞過堤頭進入船閘下游引航道口門區。

以模擬試驗與實際測量為參考，可發現當上游來流量Q＜1500m3/s時，船閘下游引航道口門區通航水流條件良好，流態穩定；當上游來流量Q為2500m3/s時，堤頭下100～200m航中線右側橫向流速較大，超出了船舶航行安全標準范圍，通航條件不穩定；當上游來流量Q≥3500m3/s時，五強溪水電站船閘下游引航道口門區橫向流速較大、水流流態穩定性較差，船舶在進出口門區難度系數較大；當上游來流量Q＞6500m3/s時，船舶無法進出下游口門區，無法實現航行。

綜合分析試驗結果后發現，沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區存在影響通航的主要原因包括：其一，該下游口門區下方深槽會使水流在此集中，同時受到下游導流堤長度（275m）的影響，主流斜穿阻力較大；其二，下游河道寬度呈現逐漸收縮的狀態，同時受到河床形態的限制，即下游河道左側為深槽，右側為邊灘，這就使得下游口門區航道與主流流向交角角度較大，進一步增加了下游口門區橫向流速與回流流速。

3.船閘實際通航試驗分析

3.1 透空式方案試驗

開展船閘實際通航試驗分析，根據計劃場區的各巖土層的物理性質、力學性質編制透空式方案，確定工程基礎持力層所在的巖層與位置。具體分析如下：（1）沖填土，厚度難以滿足持力層設計需要，松散性強，分布情況較復雜，故不考慮作為持力層并清除；（2）強風化巖板，根據現場重型動力觸探試驗，結合巖體實測擊數＞50擊的實際情況確定巖體等級，具體為V級，可作為工程基礎持力層，且經反復研究與確定，持力層承載力設計數值fd=350kPa。

3.2 導流屏方案試驗

導流屏是一種安裝在河床上的導流建筑設施，可以根據整治工程的實際需要調整安裝角度，使其與水流形成一定角度，其中導流屏與水流相交面為導流屏內側，與水流不迎面的一側稱之為導流屏外側。根據沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區實際情況，并結合經驗布置導流屏，控制導流屏角度，具體將其控制在15～25°，同時設計導流屏高度與長度。

在不同位置設計導流屏的作用有所不同，選擇在河道彎道段布置導流屏的主要目的是激發次生環流，使其與做曲線運動的水流相抵觸，控制橫向環流，調整剪應力分布；選擇在河道順直段設置導流屏的主要目的是激發次生環流，帶動近地含沙量較大的水流，改變河道淤積情況。同時，設置導流屏還能夠增加局部水流阻力，降低通航區的橫向流速，便于開展河道泥沙清淤。

3.3 模型布置及通航標準

立足五強溪樞紐船閘具體情況，綜合考量船閘下游的地形地質情況、河床變化方向、河床糙率以及河道特征等實際，確定模擬試驗的模型，按照1∶100的比例設計定床正態模型。根據工程概況調查可確定模擬河道原長度為5.2km，壩址上下游分別為1.2km與4km，河道寬度變化范圍為400～900m。根據1∶100比例可確定模型河道長度應為52m，并設計梅花加糙，確保模型與原河道的一致性。完成模型制作后進行質量驗收，并且模型左右河岸水面線與原河道天然水面線相似，水流運動與原河道水流情況基本一致，阻力、斷面流速分布與原河道相似度較高。

采用浸入邊界法作為模型建立方法，在沅水五強溪水電站船閘下游引航道口門區設計建造三維水流模型，最大橫向流速為0.3m/s，并基于樁基透空式導流結構設計要求與參數設置，判別船閘下游引航口通航水流條件。

為了滿足船舶進入口門區的通航與安全需要，應將下游引航道口門區表面橫向流速控制在0.3m/s范圍內，并且滿足縱向流速≤2m/s的通航安全標準，回流流速≤0.4m/s的通航安全要求，還要保證船舶的操舵角≤20°，船舶的航行漂角≤10°。

3.4 導流墩試驗設計

確定導流屏設計方案后先布置導流敦，選擇在堤頭下游位置布置菱形導流敦，數量共為9個，導流墩的規格為20×3m，1～6號導流墩的布置間距為10m，6～9號導流敦的布置間距為20m，同時開展堤頭附近深槽回填作業，保證回填后高程達到45m。經過模型試驗發現，不同導流墩布置方案與導流屏導流效果密切相關，對改善下游口門區的航道水流條件也存在差異。本工程根據導流屏設計方案確定導流敦的位置并實施回填，若上游來流量Q≤3500m3/s，下游口門區的通航條件得到了顯著改善，符合船舶通航安全標準，而當上游來流量Q＞3500m3/s，下游口門區的水流條件無法滿足通航需要，最大橫向超出0.3m/s的設計值。

4.通航水流條件作用分析

4.1 試驗成果

在五強溪水電站船閘下游引航道口門區應用樁基式透空導流屏后，下引航道口門區回流范圍與回流速度得到了控制，堤頭附近與下引航道口門區的橫向流速也有所降低，具體體現為：當上游來流量Q在6500m3/s時，下引航道口門區最大橫向流速符合設計規范值，當上游來流量Q為7800m3/s時，下引航道口門區只有航中線右側個別測點橫向流速超出0.3m/s的安全通航范圍，但由原0.6m/s降低至0.52m/s。

4.2 改善口門區通航水流條件的作用機制

山區河流地形起伏大，水利水電樞紐上下游水頭差值較大，受到上下游水頭差的影響船閘下引航道口門區流速速度較快，僅設計垂向二維底部透空式隔流堤對改善漩渦、泡漩水等不良流態的能力有限，船舶通航安全無法保證。樁基透空式導流屏結構作為一種新型結構，兼顧擋流與導流兩種功能，設計橫向插板，布置垂向底部透空導流通道，阻礙分散斜向水流，控制水流動力強度，進而達到控制水流的目的，降低流速對船舶航行的影響。同時在縱向上設計豎向導流道，能夠改變斜向水流方向，使其順著縱向插板方向流動，同時激發次生環流，使得其與曲線運動的上升水流相抵觸，控制橫向環流，消除不良流態。

5.結束語

在船閘口門區設計樁基式導流屏結構能夠改善下游引航道口門區的水流條件，降低橫向流速，增強流態穩定性。經過對工程實例進行分析可以發現，在五強溪水電站船閘下游引航道口門區中設計樁基式導流屏，并優化導流屏參數設計，顯著改善了下游口門區的水流條件，確保口門區最大橫向流速不超出0.3m/s的船舶通行安全規范，極大提升了水運能力，推動綜合交通體系的發展。