沈科 湖南省水运建设投资集团有限公司

1.工程概况

本通航水流条件改善工程为桃源至常德航道整治工程，属洞庭湖水系，有南北两源，南源为龙头江，北源为重安江。沅水全长1218km，覆盖湘西、黔东、渝东与鄂西部分地区，整个流域的主要地形为山地，河流大致地势走向为西北-东南，流域面积90000km2。本标段桃源至陬市航段整治工程按三级航道标准建设，整治航道长约10km，位于桃源县城与陬市镇之间，桃源枢纽下游。本航道整治工程的主要目标为提升沅水航运能力，以水运发展为带动点，优化升级综合交通运输体系。

2.桃源枢纽下游口门区通航水流条件判别

2.1 通航标准

沅水浦市至常德296km航道并配套建设支持保障系统。浦市至桃源枢纽段248km航道按Ⅳ级航道标准整治，航道尺度为1.9m×50m×330m（水深×航宽×弯曲半径），单向通航孔8×45m（净高×净宽），双向通航孔8×90m；桃源枢纽至常德段48km航道按Ⅲ航道标准整治，航道尺度为2.0m×60m×480m，单向通航孔10×55m，双向通航孔10×110m。通航保证率为98%。

2.2 试验分析

2.2.1 潜坝结构试验

综合考虑坝体结构与工程实际情况，确定采用堆石坝结构。堆石坝结构具有坝体结构稳定性好、适应能力强、材料来源多样以及施工工艺简单等优势，是一种兼具质量优势与经济优势的坝体结构，在我国的航道整治工程得到了广泛的应用，但这种坝体结构对潜坝块石粒有严格限制，按照水流速＞3m/s，采用以下计算公式：

式中：d为块石等容粒径，m；Vf为建筑物处的最大表面流速，m/s。

在调查本航道整治工程中的河段断面平均流速后，可以确定水流书均≤3m/s，但为了提高坝体结构的稳定性与保证通航的安全性，Vf取值4.0m/s，块石等容粒径d取值为0.64m。

单个块石的稳定重量（kg）为：

式中：r为块石的半径，m；bγ为块石的密度，kg/m3，取值2650kg/m3。

计算得块石重量W=363.73kg，故平均单块重量在365kg以上为标准。

2.2.2 斜坡式石笼坝试验

本航道整治工程的斜坡式石笼坝长20 0m，坝体高度在2～9m范围内变化，坝体横断面两侧坡比均为1∶1，顶宽3m。石笼坝底部修筑1.5m厚的块石基础。根据上文中潜坝块石单块重量计算的相关内容，确定位于石笼坝的单个石笼的体积与重量。通常情况下，石笼的单个体积会超出1m3的范围，根据石笼密度（1750kg/m3）可进一步确定单个石笼的重量，即单个石笼重量≥1750kg。以石笼常用规格为基准，并且预留出适量的空间，确定石笼坝外侧的单个石笼体积≥1.5m3，并严格按照石笼坝计算方法计算得到石笼坝安全系数，石笼坝安全系数见表1，并根据相应的组合方式确定坝体的抗滑、抗倾与抗浮设计。

表1 石笼坝安全系数表

此外，斜坡式石笼坝对所选用的石料也有限制，需满足级配要求，同时保证石料品质优良、质地坚硬以及遇水稳定性好，并且是不容易破碎和水解的材料，对湿抗压强度也有要求，保证湿抗压强度＞50MPa，软化系数＞0.7，密度≥2.65t/m3，自重为65～150kg。

2.2.3 结果分析

根据潜坝结构试验、斜坡式石笼坝试验结果显示，上游来流量会对桃源枢纽下游口门区通航造成影响，当上游来流量Q＜996.0m/s时，受到地形的影响，桃源枢纽下游口门区会形成较大范围的弱回流区，但其他流速指标均不超出设计规范值，上游来流量Q为996.6m/s时，下游回流流速值稍微高于设计规范值，当上游来流量＞996.6m/s，下游回流流速远超出设计要求，初设方案设计为开启调整泄洪（冲沙）阐开度的方式，进而控制上游来流量，缩减回流区域，改善桃源枢纽下游口门区通航水流条件，为船舶航行提供一个安全稳定的航运环境。

3.下引航道口门区及下游连接段通航条件的改善措施

综合考虑航道整治工程需要，分析下引航道口门区与桃源至常德航道通航水流条件，经反复研究与讨论，最终确定调整坝下游河床，确定整治深度与范围，实施开挖，进而实现调节下泄水流流向，控制桃源枢纽下游口门区形成的弱回流区面积与控制下游回流流速。

3.1 扩大电站尾水渠下游河床的开挖范围

从原河床右侧位置继续向右侧推进开挖，拓宽河床，扩大宽度约为65m，延长上游河床长度，向下游延长140m，根据地形情况调整电站尾水与闸坝下泄水流流向，使得水流向河道左侧流动，控制主流斜冲方向与程度，降低其对桃源枢纽下游口门区的影响。

3.2 适当增削源头部布置

关注到初设航道整治方案中源头部伸入河中的数量占比较大，加之受到电站尾水顶托作用的影响，增加了桃源枢纽下游口门区回流出现概率，扩大了回流的面积，因而必须从设计方案入手，适当削减源头部布置，扩大原设计源头部开挖宽度，引导水流流向。

3.3 调整下引航道左侧及下游河床的开挖范围

调整下引航道左侧与下游河床的开挖范围，调整原下游挖槽右侧开挖边界，使得其沿着顺时针方向偏移21°，控制下引航道口门区和连接段的上下行航线与水流流向夹角，使其比初设方案减小了21°，开挖高程保持不变，开挖范围调整至1.0km，调整上游左侧开挖宽度，并且逐渐增加桃源枢纽下游航道宽度，使得扩大到220m。

经整治后，下游口门区的通航水流条件得到了显著改善，下引航道口门区严重的回流问题得到了控制，并且当上游来流量Q≥996.6m/s，下引航道口门区流速（纵向、横线与回流）均不会超出设计规范值，在下游连接段，船舶上下行航行与水流流向的交角控制效果显著。

结合前文中所提及的通航水流条件分析实际，经改善后桃源枢纽下游口门区通航条件在上游来流量Q≤2900m/s与上游来流量Q在2900～5000m/s变化时，下游口门区的回流流速不超出设计规范值，并且船闸下引航道口门区及下游连接段的通航水流条件均符合安全通航标准与规范。同时，当船舶由支流航行到主流时船舶的横向速度≥0.2m/s，根据主流方向1m、2m水深横向速度分布云图所示，主流与支流的汇流位置的横向速度＜0.2m/s，满足船舶通行安全通航要求。

根据上述研究可以发现，桃源枢纽下游河流交叉段汇流区的主流与支流水流条件良好，流态稳定，同时横向水流流速满足船舶航行要求，也与《内河通航标准》（GB 50139-2014）相一致，不超出0.3m/s的安全允许范围，船舶可安全稳定地从支流航行到主流。同时，结合CFED数值模拟计算结果发现，经整治改善后，桃源至常德的下引航道与下游连接段通航条件得到了明显改善，河流交叉段主支流汇流区河道平面与断面设计科学合理，可不用在汇流区增加设计船闸或套闸，工程经济性较高。

4.结语

受到地形、地质等自然因素的影响，各水利枢纽工程的先天优势存在巨大差异，为了改善水利工程的通航条件，应根据具体的水利工程进行改造与合理布置，改善通航水流条件，发挥河道水运优势，优化综合交通体系。