構皮灘水電站通航建筑物第一級中間渠道布置與設計優化

謝穎涵，汪亞超，吳經干，胥勝洪

摘要：構皮灘水電站通航建筑物是全線渠化烏江航道的重要環節，其中間渠道的布置關系到通航建筑物的通過能力、工程造價投資等諸多方面。為改善構皮灘水電站擋泄水建筑物占據了主河床，通航建筑物中間渠道的布置空間有限，且受到地形地質等多種邊界條件制約，布置難度較大等問題，通過采用曲進直出方式過船、調整隧洞平面布置、調整錯船段渡槽變寬方式、適當增加渠道斷面系數等措施對構皮灘通航建筑物第一級中間渠道總體布置進行優化，有效改善了前期研究階段總體布置方案結構尺度偏小、過船速度慢、影響通過能力等問題。研究提出的優化設計方案已成功應用到構皮灘水電站通航建筑物建設中，可為高山峽谷地區通航建筑物布置提供參考。

關鍵詞：通航建筑物； 第一級中間渠道； 渠道布置； 優化設計； 構皮灘水電站

中圖法分類號：U642.1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.010

文章編號：1006-0081（2023）09-0062-06

0引言

連接上下游通航建筑物的中間渠道是一種特殊的限制性航道，其與通航建筑物結合布置，為實現高山峽谷地區通航提供解決方案，在龍灘水電站、彭水水電站等中國西南地區通航建筑物建設中廣泛應用［1-4］。關于通航建筑物中間渠道的水力學問題，中外學者進行過較系統的研究，對渠道尺度與通航水流條件之間的關系進行了探索與總結［5-7］，但通過工程措施對中間渠道通航條件加以改善的工程案例較少。受地形地質、運行水位等條件制約，高山峽谷地區的航道布置形式不一，尚無標準可循。本文針對構皮灘水電站通航建筑物第一級中間渠道原布置方案中局部水流條件不滿足通航要求、渠道通過能力不滿足通過需求的弊端及不足，通過理論分析、模型試驗等方法，對構皮灘水電站通航建筑物第一級中間渠道的布置進行優化。

1工程概況

構皮灘水電站為烏江干流水電開發的第7個梯級電站，距上游烏江渡水電站137 km，距下游思林水電站89 km。工程開發任務是發電，兼顧航運、防洪等綜合利用。工程主要由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪孔、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞、右岸地下引水發電系統、左岸通航建筑物等組成。

構皮灘通航建筑物是樞紐三大主體建筑物之一，線路位于樞紐左岸煤炭溝至野狼灣一線，采用帶中間渠道的三級垂直升船機方案。其上游引航道采用開敞式布置，全長454 m，升船機主體段由三級鋼絲繩卷揚垂直升船機和兩級中間渠道組成，全長1 652 m，軸線方位角109°，下游引航道布置在馬鞍山“S”形急彎河段的出口段，右側布置長200 m的隔流堤與主河道隔開，通航建筑物線路總長約2 306 m。最高通航水頭199 m，設計代表船型為500 t級機動駁，規劃過壩運量單向125萬t/a。

參照JTJ 305-2001《船閘總體設計規范》和JTJ 307-2001《船閘水工建筑物設計規范》的有關規定，構皮灘水電站通航建筑物級別為Ⅳ級，通航建筑物總體布置如圖1所示。

2第一級中間渠道布置與優化

2.1前期研究階段布置方案

經多方案技術經濟比選，構皮灘通航建筑物方案選定帶中間渠道的三級垂直升船機方案［8］。中間渠道分為兩級，其中第一級中間渠道通航水位637.0 m，由1、2、3號通航明渠、通航隧洞及1、2、3號通航渡槽組成，全長979.5 m，其中隧洞段長335.0 m，渡槽段總長467.0 m，明渠段總長177.5 m。第一級中間渠道的錯船段位于通航隧洞下游，由2號明渠、2號渡槽、3號明渠和3號渡槽上游段組成，總長度334.4 m，航寬38 m，導航、靠船設施按上、下行船舶均直線進閘、曲線出閘運行布置。

第一級中間渠道具體布置自上而下依次為：1號通航渡槽（長68.0 m），1號通航明渠（長72.1 m），通航隧洞（長335.0 m），2號通航明渠（長40.0 m），2號通航渡槽（長136.0 m），3號通航明渠（長65.3 m），3號通航渡槽（長263.0 m），布置簡圖見圖2。

通航明渠段總長165.6 m，均為挖方渠道，兩側各設5 m高重力式擋水墻，渠底設50 cm厚混凝土板。隧洞斷面型式為城門洞型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后隧洞凈高15.0 m，寬16.0 m，兩側高程639 m，各設2 m寬安全通道，隧洞航槽凈寬12 m；通航隧洞進口設擋水閘首，閘首頂高程640.5 m，布置一道平板閘門抵御水庫校核洪水，閘首頂部設公路橋與大壩連通。通航渡槽段總長467 m，凈寬12～38 m，均采用簡支渡槽，單跨長度一般為34 m，渡槽上部承重結構由預應力T型梁拼裝而成，渡槽下部結構視架空高度不同分別采用重力式橋臺、柱式橋墩及矩形薄壁空心墩等型式，渡槽最大墩高105 m。為簡化渡槽結構，3號通航渡槽單向渠道段與錯船段采用臺階式變寬銜接。

前期研究階段布置方案基本滿足通航要求，但仍存在渡槽、隧洞尺度偏小、過船速度慢、影響通過能力等不足?；谇叭碎_展過的相關研究［9-11］，本文針對工程的技術特點和自然條件，考慮對第一級中間渠道布置進行優化調整，以提高通航建筑物的通過能力，充分發揮投資效益。

2.2優化布置思路及措施

布置優化以不改變工程總體布局為前提，旨在改善中間渠道通航條件并適當提高船舶過壩通過能力，思路如下：① 調整船舶運行方式，對應調整中間渠道錯船段結構型式及尺寸，使二者相適應；② 優化通航隧洞平面布置及邊坡開挖型式，以減少開挖工程量并降低隧洞開挖對周圍建筑物擾動；③ 合理增加單向渠道斷面系數，提高渠道通過能力，具體措施如下。

（1） 將第一級中間渠道船舶運行方式由直進曲出調整為曲進直出。研究表明［12］，船舶采用曲進直出方式通過中間渠道，可提高船舶在中間渠道交匯區內的航行和交匯安全。由于曲進直出運行方式對船舶交匯區寬度要求小于直進曲出運行方式，對應可適當減小中間渠道錯船段寬度。同時將錯船段渡槽變寬方式由臺階狀突變調整為梯形漸變，提高中間渠道調度運行方式的靈活性，改善中間渠道波流反射特性和建筑物外觀，但也在一定程度上增加了渡槽結構設計和施工難度。

（2） 將通航隧洞出口向下游側移動約30 m，中間渠道錯船段位置相應后移，第二級升船機上游單向渡槽長度對應縮短。通過深化設計，調整通航隧洞進口位置及其洞臉邊坡形態，優化通航隧洞襯砌厚度及其上游交通橋布置。

（3） 以不增加隧洞總寬度為前提，將通航隧洞段航槽兩側安全通道水下部分改為架空結構，適當降低隧洞底板高程、通航水深增至4.0 m，適當增加第二級升船機上游單向渡槽段航槽寬度。

2.3優化布置方案

布置優化后，第一級中間渠道總長度、建筑物組成及總布置格局基本不變，渠道布置自上游而下游依次為：1號通航渡槽、1號通航明渠，通航隧洞、2號通航明渠，2號通航渡槽、3號通航明渠、3號通航渡槽。中間渠道錯船段布置于通航隧洞出口下游，全長340.8 m，交匯段航寬37 m，采用反對稱布置，上下游變寬段擴散角均為12.53°，上游變寬段長度為106 m，下游變寬段長度為99 m。錯船段上游接總長度508.5 m的單向通航渠道與第一級升船機連接，下游接總長度為132 m的單向通航渠道與第二級升船機連接，錯船段上下游單向通航渠道中心線偏距22.0 m。

（1） 1號通航渡槽。1號渡槽全長66 m，分為2跨，跨長均為33.0 m。上部承重結構采用簡支預應力T型梁，T型梁通過橫隔板、后澆帶和防滲層連成一整體結構；兩側擋水墻采用框架結構并兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結構由橋臺、橋墩及其基礎組成。

（2） 1號通航明渠。1號明渠全長71.1 m。明渠兩側邊墻采用貼坡式重力墻，墻頂高程639.0 m，墻體上部布置管線廊道，底板采用50 cm厚的襯砌混凝土防滲。明渠頂部設寬8.0 m的交通橋，接兩側道路形成左岸上壩交通。1號通航明渠在交通橋下游側設一道平板閘門，以抵御水庫校核洪水。

（3） 通航隧洞。通航隧洞全洞長369.7 m，進洞口較前期研究階段上移4.8 m，出洞口較前期研究階段下移29.9 m。隧洞斷面型式為城門洞型，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后隧洞凈尺寸16.0 m×16.0 m（高×寬）。隧洞兩側高程639 m各設2 m寬安全通道兼作管線通道，安全通道水下部分采用架空結構，隧洞航槽凈寬12 m，通航水域寬16 m，工作水深4 m。

（4） 2號通航明渠。2號通航明渠位于通航隧洞出口、中間渠道錯船段。明渠兩側為5 m高重力式擋水墻，墻后采用石渣混合料回填至墻頂高程639.0 m，底板采用50 cm厚的襯砌混凝土防滲。

（5） 2號通航渡槽。2號通航渡槽位于中間渠道錯船段，槽寬由22 m漸變至37 m。渡槽上部承重結構由若干片變間距預應力T型梁拼裝而成，渡槽兩側為框架式擋水墻兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結構由橋臺、橋墩及其樁基礎組成。

（6） 3號通航明渠。3號通航明渠全長70 m，兩側擋水墻設計及底板防滲處理與2號通航明渠相同，優化方案的3號明渠典型斷面見圖3。

（7） 3號通航渡槽。3號渡槽由8跨構成，全長264 m。上部承重結構采用預應力T型梁拼裝而成，渡槽變寬段T型梁按變間距布置，渡槽兩側擋水墻采用框架結構并兼作管線通道，墻頂為人行道。渡槽下部結構由橋臺、橋墩及其樁基組成。優化方案的3號渡槽典型斷面見圖4，優化方案各部位主要結構參數見表1，優化方案布置簡圖見圖5。

3優化方案技術經濟評價

（1） 前期研究方案中，第一級升船機和第二級升船機的（最大）提升高度分別為47 m和127 m，按正常運行速度15 m/min計算，對應單閘次提升時間分別為6.2 min和17 min，第二級升船機承船箱提升時間比第一級多10.8 min，通航建筑物通過能力受第二級升船機控制。

與前期研究階段方案相比，優化方案通過適當調整中間渠道錯船段位置和平面布置形態以及船舶進出閘運行方式，將第二級升船機進出閘船舶的運行距離縮短了約80 m，經估算，第二級升船機雙向運行一次過閘時間可節約3 min左右，相應通過能力可提高5%。優化方案第一級升船機進出閘船舶運行距離增加了約33 m，雙向運行一次過閘時間增加了1 min左右，優化后第一級、第二級升船機的平均過閘時間差縮小。

（2） 在不顯著增加工程技術難度和工程量的前提下，優化方案可適當提高中間渠道單向航道的通航水域斷面系數，有利于改善船舶在單向渠道的航行條件，降低船舶航行引起的渠道水位波動幅值及其對渡槽結構和船廂運行安全的不利影響。中間渠道通航水力學模型試驗成果表明，對于單向渠道，船舶航行阻力、下沉量和渠道水面波動幅值受渠道斷面系數及船舶航速的影響較為顯著，在正常航行參數范圍內，優化方案的各項通航水力學指標可滿足船舶在中間渠道安全航行的要求。

（3） 將中間渠道錯船段的變寬方式由臺階狀突變調整為梯形漸變，雖一定程度上增加了渡槽結構設計和施工難度，但提高了渡槽利用率并有利于船舶交匯錯船運行安全。中間渠道通航水力學模型試驗成果表明，采用曲進直出運行方式所需的交匯區寬度要小于直進曲出運行方式，運行安全更有保證，從減小渡槽寬度考慮，宜采用曲進直出運行方式，相應中間渠道變寬段采用漸變過渡。

（4） 主要工程量對比。與前期研究階段方案相比，優化方案通過調整通航隧洞進出口位置，大大減少了通航隧洞進出口邊坡開挖量和邊坡高度，開挖量由前期研究階段的83萬m3減少為29萬m3，最大邊坡高度由180 m降低為120 m左右；通過調整錯船段位置和平面形態，2號通航渡槽由4跨減為3跨，通航渡槽總平面面積由13 200 m2減少為11 880 m2。

優化方案與前期研究方案對比，通過能力提高約5%，開挖量減少65%，增加了斷面系數，改善了船舶航行條件。具體方案對比見表2。

4結語

針對構皮灘水電站通航建筑物中間渠道的布置空間有限、受到地形地質等多種邊界條件制約的不足，本文提出了第一級中間渠道平面布置與設計優化方案，該方案能夠解決前期研究方案通過能力不足的問題，并且大幅度減少工程開挖量，主要結論如下：

（1） 對于中間渠道，采用曲進直出船舶運行方式，不僅提高船舶在中間渠道交匯區的運行安全，同時有利于減小錯船段渠道寬度，節省投資；錯船段渠道采用梯形漸變型式過渡，可增加變寬段的有效長度，提高渠道運行調度靈活性并改善渠道內水流條件，比臺階狀布置更適合曲進直出船舶運行方式。

（2） 將錯船段布置在通航隧洞以外區域，能有效減小通航隧洞開挖工程量，有利于控制投資；適當提高中間渠道單向航道的通航水域斷面系數，雖然增加了部分開挖量，但降低了船舶航行的阻塞效應，改善了航行條件。

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（編輯：唐湘茜，張爽）

Layout and design optimization of first intermediate channel of navigation?construction of Goupitan Hydropower Station

XIE Yinghan1，WANG Yachao1，WU Jinggan2，XU Shenghong2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China）

Abstract： The navigation construction of Goupitan Hydropower Station is an important link in the channelization of the Wujiang waterway of the whole line，and the arrangement of the intermediate channel is related to the passing capacity of the navigation construction，the investment in engineering cost and many other aspects.Since the water holding and release structures of Goupitan Hydropower Station occupied the main riverbed，the layout space of the intermediate channels of navigation construction was limited，and it was restricted by various boundary conditions such as topography and geology，the arrangement of intermediate channels was difficult.By adopting the curved in and straight out mode to cross the ship，adjusting the layout of the tunnel and the widening method of the aqueduct in the ship stagger section，appropriately increasing the channel section coefficient and other measures，the overall layout of the first intermediate channel of the navigation construction in Goupitan Hydropower Station was optimized，which effectively improved the problems such as small structural scale，slow passing speed and impact on the transit capacity of the overall layout plan in the early stage of the study.This optimization design has been successfully applied to the construction of the navigation construction of the Goupitan Hydropower Station.The research results can provide a reference for the layout of navigation constructions in the alpine valley area.

Key words： navigation construction； the first intermediate channel； layout； design optimization； Goupitan Hydropower Station