尹崇清，刘世伟，刘 洋，张 湛

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016;2.重庆交通大学 河海学院，重庆400074)

0 工程概况

苍溪航电枢纽工程［1］位于嘉陵江干流中游，下距苍溪县城3 km，是嘉陵江广元至重庆段规划的17级梯级渠化开发方案中的第3级航电工程，上游接亭子口水利枢纽工程，下游与沙溪航电枢纽工程相连，该工程是以改善航运与发电相结合的综合开发利用工程。苍溪航电枢纽工程是嘉陵江龙头水库亭子口水利枢纽下游的反调节枢纽，该枢纽通航问题的研究及解决，对于确保嘉陵江全江航运畅通至关重要，意义重大。枢纽设计洪水流QP=2%=26 700 m3/s，校核洪水流量 QP=0.2%=38 100 m3/s，水库正常蓄水位373.0 m，相的水库库容为0.197亿m3，死水位为372.6 m，相应调节库容为230万m3。

苍溪航电枢纽坝址附近河段相对顺直，该河段河床宽约600 m，河床型态呈U形断面，右岸岸坡较陡，左岸平缓(图1)。苍溪枢纽坝轴线全长515.70 m，从左至右依次布置有左岸土石坝、电站厂房、泄水建筑物(由3孔泄洪闸+231.0 m水力自控翻板坝共同组成)及右岸船闸。苍溪航电枢纽工程建成后将渠化航道18.7 km，与上游亭子口水利枢纽工程相衔接，船闸可一次性通过2×500 t级船队，年通过能力达到376万t以上，大大增强该河段的货运能力及嘉陵江的整体航运效益。

图1 工程河段河势Fig.1 Terrain of engineering reach

根据嘉陵江航运规划，嘉陵江苍溪河段航道等级为Ⅳ级，按照 JTJ 305—2001《船闸设计规范》［2］(以下简称《规范》)要求，设计最大通航流量为Q=11 800 m3/s(P=33.3%)，设计最低通航保证率为95%，对I～Ⅳ级船闸，其引航道口门区的水流表面纵向流速不超过2 m/s，横向流速不超过0.3 m/s，回流流速不超过 0.4 m/s。

1 研究方法

根据本工程主要研究内容及重点难点，拟采用苍溪枢纽整体水工模型试验的方法，观测船闸上、下游引航道口门区通航水流条件，论证上、下游引航道平面布置的合理性，针对存在的问题提出改善工程措施等。根据《水工模型试验规程》要求，模型必须满足重力相似、阻力相似和水流流态相似，以保证研究水域水流相似和河床形态相似准则，考虑在枢纽上、下游留有足够长的过渡段，并综合考虑了模型场地大小、供水能力要求等因素［5］，本模型决定采用几何比尺为λL=λh=100的正态模型，模拟从距坝轴线以上2.0 km开始至坝轴线以下1.8 km止全长约3.8 km的原型河道，模型各比尺见表1。

表1 嘉陵江苍溪航电枢纽水工模型比尺Table 1 Scale of the whole hydraulic model of Cangxi navigation-power junction in Jiangling River

2 影响口门区通航条件的因素

天然河道上修建通航建筑物后，通航建筑物进出口，即船闸上、下游引航道与河流连接的区域称为口门区，该区域水流条件的优劣将直接影响船舶和船队进出闸的航行安全，是船舶和船队进出引航道的控制水域［3］。而根据《船闸总体设计规范》定义，口门区长度通常为(2.0～2.5)Lc，宽度与引航道口门宽度相同，其中Lc为船队长。

一般来说，航电枢纽工程中影响船闸口门区通航条件的因素主要包括：河势条件、枢纽整体布置、泄洪闸的开启运行方式，引航道口门区流速流向以及电站日调节时水流单位质量的动量增减等。对于苍溪航电枢纽工程而言，其口门区通航水流条件主要受工程河段河势条件、流速流向以及通航建筑物布置的影响［3-8］。

3 原方案船闸口门区通航条件

3.1 船闸原方案布置

苍溪航电枢纽船闸布置于河段右岸，闸室有效尺度120 m×16 m×2.5 m(闸室有效长×宽×门槛水深)，闸室底板高程361.00 m，上、下游引航道宽均为40 m，按向河心侧扩展方式进行布置，上引航道底高程为367.25 m，下引航道底高程为361.50 m，上、下游引航道长分别为170和180 m。船闸设计上游最高通航水位为375.79 m、最低通航水位为370.05 m，下游最高通航水位为375.15 m、最低通航水位为 364.0 m(图2)。

图2 船闸及引航道原方案布置Fig.2 Layout plan of the original program of ship-lock and approaching channels

3.2 上引航道口门区通航水流条件

模型试验观测了流量Q=1 240，3 500 m3/s电站发电以及 Q=3 500，7 000，9 350，11 800 m3/s全闸敞泄共6级流量原方案上引航道口门区流速分布情况。试验结果表明：

1)当流量Q≤1 240 m3/s时，电站发电，坝前水位保持在373～372.6 m运行。实测Q=1 240 m3/s时，上引航道口门区水流较为平缓，流速小，平均流速仅0.3 m/s左右，其纵横向流速值均满足安全通航要求。

2)当流量1 240 m3/s＜Q≤3 500 m3/s时，电站发电，坝前水位保持373 m运行。实测Q=3 500 m3/s时，上引航道口门区水流仍较为平缓，流态较好，平均流速约0.5 m/s，最大纵、横向流速及回流流速分别为 0.50，0.18 和0.35 m/s。其流速值仍然满足船舶安全通航的要求。

3)当流量Q＞3 500 m3/s时，电站停机，全闸敞泄。在流量较小全闸又处于敞泄状态下，上引航道口门区外侧边沿及上游连接段水流较为湍急，流速较大，横向流速超标，对船舶的正常航行并进入上引航道将产生较为不利的影响。实测Q=3 500，7 000，9 350，11 800 m3/s时，上引航道口门区最大纵向流速分别为1.54，1.62，1.74，1.92 m/s，最大横向流速分别为0.42，0.43，0.57，0.68 m/s;最大回流流速分别为0.50，0.91，0.76，0.68 m/s，回流区大致稳定在导航墙堤头至下游45～50 m的范围(表2、图3)。

表2 原方案船闸上引航道口门区的水流条件Table 2 Flow conditions of the original ship-lock at upper entrance area

试验还观察到在中等流量情况下，由于上引航道口门区流速相对较大，主航槽又是从河床左岸逐渐过渡到右岸引航道口门区，左岸基岩岸壁部分伸入引航道内，使该引航道及口门变得相对狭窄，航道转弯半径小，上下行船舶进出闸较困难，易擦挂靠船墩或撞击外导航墙堤头，影响船舶航行安全。

图3 原方案船闸上下引航道口门区流速分布(Q=3 500 m3/s敞泄)(单位：m/s)Fig.3 Velocity distribution of the original ship-lock at upper and lower entrance areas(Q=3 500 m3/s)

3.3 下引航道口门区通航水流条件

针对原方案下引航道通航水流条件，试验同样观测了Q=1 240～11 800 m3/s共7级流量的流速分布资料。试验结果表明：

1)在流量Q=1 240 m3/s电站发电时，电站尾水从左侧径直冲向下引航道口门区尾端枯水主河槽附近，该处泡水漩水并存，流态恶劣，在其上游至下引航道入口之间形成大范围的回漩水流区域，最大回流流速1.37 m/s，在该股水流下游纵横向流速均较大，且流速分布不均，不能满足安全通航的要求。

2)在流量Q=2 000 m3/s电站发电时，下引航道口门区的流态有一定程度的改善，但仍存在大范围大强度的回漩水流区域，最大回流流速1.12 m/s，不能满足安全通航的要求。当Q=3 500 m3/s时，由于下游水位继续抬高，水面宽度增大，口门区的流态有一定程度的改善，实测口门区最大纵、横向流速和回流流速分别为 2.10、0.28 和 0.36 m/s，基本可满足船舶安全通航的要求。

3)当流量Q≥3 500 m3/s全闸敞泄以后，下引航道口门区附近纵横向流速随着流量增大显著增大，回流流速也有所增大，但回流区的范围变化不大，基本稳定在导航墙堤头至下游85～95 m的范围。实测当流量Q=3 500，9 350和11 800 m3/s时，口门区最大纵向流速分别为 2.34，3.56 和 3.89 m/s，最大横向流速分别为 0.48，0.50 和 0.55 m/s，最大回流流速分别为 0.46，0.47 和0.66 m/s(表 3、图3)，流速值超过《规范》允许值。其原因是船闸下引航道布置于河道右岸深槽，河道左岸地形高，经泄洪闸和翻板坝下泄的水流必然会逐渐向河道右岸深槽下引航道口门区集中，致使该处纵横向流速均较大，斜向流较强，且分布不均，在下引航道入口附近产生一定范围和强度的回流区域，对船舶安全进出闸造成不利影响。

表3 原方案船闸下引航道口门区的水流条件Table 3 Flow conditions of the original ship-lock at lower entrance area

4 修改方案引航道口门区通航条件

4.1 船闸修改方案布置

针对原设计布置中存在的问题，试验对修改布置及方案进行了较系统的研究，确定采取的主要工程措施［4］包括：①适当向外偏转上引航道外导航墙折线段和直线段，使上引航道及其口门宽度均由原方案的40 m扩宽至48 m;②上引航道外导航墙直线段由实体式改为透空式，具体型式为：开孔段上游距离外导航墙堤头10 m，共开孔6个，开孔尺寸为4.0 m×8.0 m(宽×高)，孔间距6 m，开孔方向与导航墙呈30°(顺时针方向);③扩大闸坝下游主河槽左侧边滩开挖范围，降低河床床面高程，开挖底高程361 m;④将下引航道口门宽度由原设计方案的40 m扩大到45 m(图4)。

图4 船闸修改方案布置Fig.4 Layout plan of the improved program of ship-lock

4.2 上引航道口门区通航水流条件

针对导航墙开孔问题，通过反复试验包括导航墙是否透空及透空的位置、长度、角度和高度对整个引航道口门区的水流条件的影响情况等进行了深入的研究分析，试验得出，当透空比λ=0.4，透空孔轴线与导航墙轴线顺水流方向交角成30°可以明显减弱引航道口门区横流速和回流流速大小和范围，有效改善引航道口门区的通航水流条件，在此限于篇幅就不再赘述。

表4 修改方案船闸上引航道口门区的水流条件Table 4 Flow conditions of the improved ship-lock at upper entrance area

修改方案同样观测了Q=1 240～11 800 m3/s共6级流量，上引航道口门区的通航水流条件。实测在Q≤3 500 m3/s，电站发电的各级流量情况下，上引航道口门区水流平缓，无泡水、漩水等不良流态，通航水流条件均较好，其中Q=3 500 m3/s时纵横向流速及回流流速最大，分别为 0.59，0.06，0.30 m/s，其流速值均未超过《规范》规定的允许值，能够满足船舶安全通航的要求。

在Q＞3 500 m3/s全闸敞泄后，上引航道口门区纵横向流速随着上游来流量的增大而逐渐增大。实测当流量Q=3 500 m3/s时，上引航道口门区最大纵、横向流速分别为 1.34，0.40 m/s，基本不存在回流区域(图 5);当流量 Q=7 000，9 350，11 800 m3/s时，上引航道口门区最大纵向流速分别为1.53，1.74，1.91 m/s，最大横向流速分别为0.30，0.27，0.34 m/s;最大回流流速分别为 0.26，0.33，0.39 m/s;回流区稳定在导航墙堤头至上游30～35 m的范围(表4、图5)。

图5 修改方案船闸上下引航道口门区流速分布(Q=3 500 m3/s敞泄)(单位：m/s)Fig.5 Velocity distribution of the improved ship-lock upper and lower entrance areas(Q=3 500 m3/s)

与原方案相比，修改方案流速峰值均有不同程度减小，流态有较大程度改善(图6)，上引航道口门区的纵横向流速和回流流速能够满足《规范》要求，回流区的范围明显减小。由表4可知修改方案在流量等于或略大于3 500 m3/s(全闸敞泄)及最高通航流量11 800 m3/s的情况下，上引航道口门区除个别点横向流速指标略有超标外，其余流速指标均满足《规范》要求。由此也可说明，修改方案对调整上引航道口门区及连接段的流速分布，降低回流流速，改善通航条件具有较明显的作用。

图6 原方案与修改方案上引航道流速的对比Fig.6 Comparison of velocity changes of the upper entrance area between the two ship-lock layouts

4.3 下引航道口门区通航水流条件

修改方案试验实测了Q=1 240～11 800 m3/s共6级流量7种情况的流速分布资料。结果表明，当流量Q=1 240，2 000 m3/s时，在船闸下引航道口门区大部分回流区域基本消失，回流区的范围主要集中在口门区的尾端，最大回流流速已分别降低至0.35，0.39 m/s，下引航道口门区右侧及下游连接段流速峰值相应减小，流速向均匀化方向有所发展;当流量Q=3 500 m3/s全闸敞泄时，下引航道口门区的纵横向流速和回流流速基本能够满足《规范》要求;而在Q≥7 000 m3/s全闸敞泄时，下引航道口门区上段约100 m范围内的纵横向流速及回流流速基本满足《规范》要求，其下游段的纵横向流速(特别是纵向流速)有一定的超标，不能满足《规范》要求(表5、图5)。

表5 修改方案船闸下引航道口门区的水流条件Table 5 Flow conditions of the improved ship-lock at lower entrance area

综上所述，与原方案相比(图7)，修改方案在流量Q≤7 000 m3/s的各级流量情况下引航道口门区的通航条件均有明显的作用，大幅度减小了下引航道口门区的回流范围和回流强度。但在Q＞7 000 m3/s大流量情况下，由于船闸下引航道口门区及连接段位于河道右岸主河槽，天然情况下该处流速亦较大，因此，下引航道口门区存在流速分布不均，纵横向流速超标的问题。

图7 原方案与修改方案下引航道流速的对比Fig.7 Comparison of velocity changes of the lower entrance area between the two ship-lock layouts

5 结语

1)苍溪枢纽原设计布置方案上引航道在全闸敞泄时，由于坝上游水位较低，上引航道口门区水深较浅，流速大，引航道口门偏窄，上游连接段航道转弯半径较小，船舶进出闸较为困难;下引航道受河床地形及下泄水流归槽影响，水流斜冲口门区，流态紊乱，纵、横向流速及回流流速严重超标，不能满足船舶顺利航行和安全进出闸的要求。

2)修改方案通过增加上下引航道口门宽度、引航墙开孔，扩大坝下游河道左岸边滩开挖范围等综合性工程措施，有效地改善了上下游引航道口门区通航水流条件，口门区流态较好，通航条件有显著改善［6-8］。通过整体枢纽水工模型试验研究，将船闸上引航道口门区的最高通航流量由原来的3 500 m3/s提高至11 800m3/s，将船闸下引航道口门区的最高通航流量由原来的基本不能通航提高至7 000 m3/s。

3)由于苍溪航电枢纽工程是嘉陵江龙头水库亭子口水利枢纽下游的反调节枢纽，该枢纽通航问题的研究及解决对于确保嘉陵江全江航运畅通至关重要。通过采用适当增大引航道口门宽度、引航墙开孔，以及结合河道整治等综合性工程措施，可有效地解决了本枢纽船闸上下游引航道口门区的通航问题，其研究成果可作为类似工程借鉴和参考。

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