刘 领，王 能，林志远，江诗群，4，程永舟，4

(1.湖南省湘水集团有限公司，湖南 长沙410000；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙410008；3.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙410114；4.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

泄水建筑物是水利枢纽工程的重要组成部分，其泄流能力和结构布置对工程中其他水工建筑物的安全使用起着十分重要的作用。胡旭跃等[1]对水利枢纽引航道及口门区通航水流条件进行了研究，阐述了引航道及口门区水流条件的影响因素。李君涛等[2]为论证和优化汉江雅口拟建航运枢纽总体布置，对枢纽泄流能力进行了试验研究。刘达等[3]基于整体定床模型试验，对飞来峡水利枢纽船闸通航水流条件进行试验研究。邬年华等[4]基于物理模型试验对峡江水利枢纽引航道口门区水流条件进行试验研究，并给出了结构优化布置方案。杨文浩等[5]通过整体定床物理模型试验，对白石窑水利枢纽引航道布置及通航水流条件进行研究，并给出了修改方案。本文对青山枢纽改建工程进行整体物理模型试验研究，对比分析枢纽现状及设计方案的泄流能力、上游口门区水流通航条件变化，提出改造布置优化方案。

1 工程概况

青山枢纽位于湖南省常德市澧县境内，建于20世纪60年代，为日调节水库，是一个以提水灌溉为主，兼顾航运、发电等综合利用的水利工程。澧水在枢纽上游约1.5 km分为两汊，右汊为澧水干流，左汊绕至临澧县新安镇，转向东南向，于芭茅渡与右汊汇合，两汊之间为洞子坪洲。青山枢纽坝址控制流域面积15 415 km2，多年平均径流量485 m3/s，水库正常蓄水位48.20 m(1985国家高程系统)。见图1。

图1 青山枢纽现状

青山枢纽处澧水右汊河道向右弯曲，右汊主坝址处河宽约600 m，从右至左主要建筑物为水轮泵站、100吨级船闸(已废弃)、青山电站1(旁侧引水)、中加电站、副坝、20×13 m泄水闸和青山电站2。

青山枢纽左汊坝址段河道较为顺直，河宽约430 m，从左至右主要建筑物为滚水坝、12孔泄水闸、滚水坝。滚水坝采用挑流方式消能；12孔泄水闸净宽96 m(12×8 m)；青山枢纽右汊原船闸为VI级船闸，由于枢纽的上下水位不衔接，船闸过船设施简陋、标准低，维护和管理跟不上，己造成青山船闸事实上的断航。

青山枢纽改造工程保持右汊建筑物不变，拆除左汊现有建筑物，新建1 000吨级船闸和泄挡水建筑物。本研究通过整体模型试验研究枢纽整体布置方案，要求改建后泄流能力不低于改造前，且能够满足船舶通航要求。

2 物理模型

2.1 模型设计

基于几何相似、重力相似等准则，结合试验场地大小、模型最小水深要求等，物理模型几何相似采用1:110正态比尺，水尺布置及左汊枢纽布置见图2、3。

图2 青山枢纽整体模型及水尺布置

2.2 模型加糙

根据实测枢纽河段沿程水位及流量资料，通过计算可知枢纽河段综合糙率为0.031～0.068，其中上游河段综合糙率大于下游河段、枯水期大于洪水期。

由于枢纽河段综合糙率为0.031～0.068，根据糙率比尺λn=2.189可知，物理模型综合糙率为0.014～0.031。

2.3 模型验证

2.3.1水面线验证

经过对模型配糙反复调整后，实测3级流量枯水136 m3/s、中水822 m3/s、洪水4 631 m3/s条件下水面线，模型中水水位水面线(左汊)与原型水面线对比验证结果见图4。

图4 中水水位验证结果

模型沿程水位与实测水位基本一致，模型水位与原型水位的偏差均在规程规定的山区河流模型允许偏差0.10 m以内，满足模型与原型阻力相似基本要求。

2.3.2断面流速验证

为了保证模型与原型水流运动相似，模型制作完成后根据实际断面流速分布资料进行典型断面流速分布验证。由于枯水Q=136 m3/s时原型观测流速均小于0.15 m/s，模型流速小于1.43 cm/s，流速仪已无法测量，因此只对中水Q=822 m3/s、洪水Q=4 631 m3/s两级流量的断面流速分布进行验证。原型观测断面较多，验证时选取左汊QCS5、右汊QCS6两个典型断面进行验证，中水条件验证结果见图5。

图5 中水Q=822 m3/s断面流速分布验证结果

由模型断面流速分布与原型实测断面流速分布对比可以看出，模型两级流量情况下断面流速分布形态与原型相似，流速最大偏差绝对值不超过15%，满足试验规程相关要求。

2.3.3分流比验证

在进行断面流速分布验证时，观测分流前QCS2、左汊QCS5、右汊QCS6共3个典型断面流速；通过计算断面流量，断面QCS2总流量、左汊QCS5流量、右汊QCS6流量与原型值进行验证。验证结果表明，模型洪、中水期汊道分流比与原型接近，左汊流量偏差绝对值分别为2.56%和1.58%，小于规程规定的5%，满足试验规程相关要求。

3 整体模型试验工况与方案

3.1 试验工况

由于枢纽河段两岸大堤高程为54～55 m，因此，整体模型试验最大流量只能做到50 a一遇洪水。整体模型泄流能力试验工况见表1。

表1 泄流能力试验工况

3.2 研究方案

该工程主要是改建左汊副坝建筑物及新建船闸，船闸、泄洪建筑改造后，调整了副坝各建筑物的布置，所涉及到的主要问题如下：1)新建泄水建筑物泄流能力；2)施工导流；3)船闸上引航道进口通航水流条件。该工程中主要改造对象为左汊，右汊在原有的基础上进行维护，不做大的改动，因此以上所涉及的工程问题主要在左汊。

基于所涉及的主要问题，进行了枢纽现状、设计方案、优化方案1、优化方案2共4种工况下的枢纽泄流能力试验，分析比较各方案的优缺点，并给出最优布置方案。

1)设计方案枢纽布置。拆除左汊原有副坝，坝轴线下移约300 m，新建船闸1座13孔泄水闸。设计方案自左至右建筑物分别为左岸接岸建筑物、船闸和泄水闸，船闸规模为220 m×34 m×4.5 m，泄水闸每孔净宽16 m、堰顶高程42.0 m、闸墩厚2.5 m、净泄流宽度208 m。同时，设计方案对左汊副坝下游开挖到高程38.0 m；航道设计宽度60 m，下游航道范围内高程高于37.0 m的范围开挖到37.0 m高程，拆除左汊漫水桥。

2)优化方案1。坝左侧2孔泄水闸改为2孔溢流坝(堰顶高程51.8 m，要求在最大通航流量14 200 m3/s以下不溢流)，同时泄水闸上游开挖到41.0 m高程(泄水闸上游由38.0 m高程按照1:20过渡到41.0 m)。上游导航墙头部加长34 m，并向河侧外挑7°，在设计方案隔流墩的基础上增加3个隔流墩，隔流墩长度与原设计一样为20 m，将隔流墩间距由原来的20 m缩小至10 m。其主要目的是使枢纽泄流能力与现状接近、同时将左汊主流偏向左汊的中右部位，改善船闸口门区通航水流条件。

3)优化方案2。在优化方案1的基础上，右汊坝上游2 000 m范围河底高程疏浚至43 m，减少1孔泄水闸，即泄水闸左侧第1孔改为连接坝段，进一步改善通航水流条件。

4 试验结果分析

4.1 水面线对比与分析

为综合比较分析工程前后及各方案泄流能力情况，对各方案上游水面线及变化趋势进行对比分析。设计方案、优化方案1、优化方案2在各级特征洪水时，模型试验范围河段上游水面线均下降，图6为各方案上游水面线对比。

图6 上游水面线对比

分析各方案在各级特征洪水时上游水面线情况可知：

1)各方案模型试验范围上游河段水位与现状相比均下降，说明各方案左汊泄流能力均大于现状左汊泄流能力，其中设计方案泄流能力最大，其次为优化方案2。

2)随着流量增大，与现状相比，模型试验范围上游河段水位下降值减小，在设计洪水流量19 100 m3/s时，优化方案1、优化方案2泄流能力只稍大于现状泄流能力。主要原因是现状副坝泄水建筑物由泄水闸与滚水坝组成，在总泄流宽度中滚水坝占72.4%，流量相对较小时，滚水坝堰上水头较小、泄流能力小(泄流能力与堰上水头为1.5次方关系)。因此，改造方案全部设计为泄水闸方案后，在流量相对较小情况下其泄流能力远大于现状泄流能力、水位下降较大。

4.2 上游口门区通航条件对比与分析

4.2.1原设计方案通航条件

2 a一遇洪水Q=8 910 m3/s情况下，上游引航道口门区纵向流速最大不超过1.5 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，仅在口门上游约100 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.45 m/s；存在一定安全隐患(图7)。

图7 Q=8 910 m3/s时上引航道口门区局部横流(单位：m/s)

流量Q=12 100 m3/s下，口门区纵向流速最大值1.8 m/s、横向流速超过0.3 m/s，存在安全隐患。上游连接段纵向流速最大不超过1.94 m/s，满足通航水流条件要求。

对应10 a一遇洪水Q=14 200 m3/s情况，上游引航道口门区纵向流速最大约1.8 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，在口门上游约180 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大可达0.55 m/s。上游连接段纵向流速最大不超过2.01 m/s，满足通航水流条件要求。

4.2.2优化方案通航条件

4.2.2.1优化方案1

Q=8 910 m3/s条件下，上游引航道口门区纵向流速最大不超过1.5 m/s，大部分横向流速不超过0.3 m/s；在口门上游约150～250 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，流速约为0.35 m/s。Q=14 200 m3/s条件下，上游引航道口门区纵向流速最大约1.8 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s；在口门上游约180 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，约为0.4m/s。可见两级流量下，仅在引航道右边线附近局部横向流速超过0.3 m/s，满足航行要求，且优于设计方案。见图8。

图8 Q=8 910 m3/s时优化方案1口门区局部横流(单位：m/s)

4.2.2.2优化方案2

Q=8 910 m3/s条件下，上游引航道口门区纵向流速不超过1.2 m/s，大部分横向流速不超过0.2 m/s，在口门上游约150～250 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，约为0.25 m/s；Q=14 200 m3/s条件下，上游引航道口门区纵向流速最大约1.4 m/s，大部分水域横向流速不超过0.25 m/s，在口门上游约180 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.3 m/s。可见两级流量下，仅在引航道右边线附近局部横向流速超过0.3 m/s。满足航行要求，且优于设计方案和优化方案1。见图9。

图9 Q=8 910 m3/s时优化方案2口门区局部横流(单位：m/s)

5 结论

1)各方案左汊泄流能力，在2 a一遇洪水至50 a一遇洪水期，均大于现状左汊泄流能力。在流量相对较小时，各方案左汊泄流能力与现状左汊泄流能力差异较大，随着流量增大，在设计洪水流量19 100 m3/s时，优化方案1、优化方案2泄流能力只稍大于现状泄流能力。

2)设计方案泄流能力虽大于优化方案，但设计方案施工成本较高，口门区通航条件不如优化方案，且优化方案2口门区通航条件优于优化方案1。

3)综合考虑各种因素，考虑副坝泄水建筑物设计的一致性、施工的方便性，推荐优化方案2作为工程改造布置方案。