专题山区河流渠化枢纽总平面布置研究

西部交通建设科技项目
合同号：2001 328 000 63
嘉陵江航运梯级开发关键技术研究
研究报告（简本）
四川省交通厅内河勘察规划设计院
2004年5月
目录
0 引言 (1)
0.1 研究背景 (2)
0.2 嘉陵江渠化工程简介 (2)
0.3 研究工作的技术路线和指导思想 (3)
1 研究内容及主要成果 (3)
1.1 专题1—山区河流渠化枢纽总平面布置研究 (3)
1.2 专题2—山区河流船闸引航道及口门区布置研究 (4)
1.3 专题3—山区河流船闸设计最高通航水位的研究 (5)
1.4 专题4—山区河流船闸衬砌式闸墙结构计算研究 (6)
1.5 专题5—山区河流中、高水头船闸输水系统的选型和布置 (7)
1.6 专题6—山区河流引航道建筑物结构型式研究 (8)
1.7 专题7—亭子口枢纽回水变化段渠化航道水位衔接研究 (8)
1.8 专题8—山区河流渠化工程水面线问题研究 (9)
2 结束语 (10)
3合作者 (10)
0 引言
0.1 研究背景
嘉陵江是长江上游的重要支流，自北向南纵贯四川全境，经重庆市汇入长江，是长江水系的主通道之一，并被国家列为战备航道。

为根本改善嘉陵江的通航条件，综合利用水资源，四川省在总结国内外开发建设山区河流航道经验的基础上，确立了“综合利用水资源，航电结合，联合建设，滚动开发，全江渠化，发展航运”的水运发展思路，并把实现嘉陵江渠化作为突破口和开发的重点，拟建成国内第一条高等级的内河航道。

本项目就是紧密围绕嘉陵江航运梯级开发工程中所涉及的一些关键技术或技术难题进行的专题研究，目的是解决嘉陵江渠化工程设计和建设中的一些工程实际问题，满足四川和西部大开发的需要，并进一步提高山区河流渠化枢纽和船闸工程的设计水平，为这门实用科学大厦加砖添瓦。

0.2 嘉陵江渠化工程简介
四川境内的嘉陵江干流长645km，天然落差280km，平均比降0.43‰。

其洪枯流量比大，最大洪水流量可达30000m3/s左右，最小流量仅为120 m3/s，相差约250倍，最大洪枯水位变幅可达22m，枯水期航道最小水深仅为0.8~1.3m，只能通航50~150t级的船舶。

全流域多年平均悬移质输沙量1.52亿t，是长江输沙量的主要来源之一。

嘉陵江的开发任务是灌溉、防洪、航运、发电及水土保持，结合水资源综合利用开发，采取梯级渠化的方式达到Ⅳ、Ⅲ级航道标准。

嘉陵江自广元至重庆共规划梯级17个，其中四川境内14个。

目前，所有梯级的前期工作已全部完成；已竣工的有马回、东西关、红岩子等3个梯级；在建的有桐子壕、青居、金银台、新政、小龙门和金溪场等6个梯级。

嘉陵江梯级渠化的特点是：基本为无调节功能的中、低水头
枢纽；具有河道型水库的特点；洪水期基本恢复天然河流状态；枯水期电站控制全部下泄流量。

只有亭子口枢纽为大型综合利用枢纽，不属这种类型。

嘉陵江船闸的特点是：水级大，一般在15m左右，最大的达24.5m；水位变幅大，一般年变幅在15m左右，最大可达22m；大部分建于岩基上，个别建于沙卵石上，还有一些是在岩石中开挖后衬砌而成；河流直线段少而短，很难满足高等级船闸直线段长度布置的要求。

0.3 研究工作的技术路线和指导思想
整个研究工作是在现行规范的指导下，系统地总结国内外山区河流渠化枢纽及船闸的设计和建设经验，结合嘉陵江渠化梯级的依托工程，采用数学模型、水工模型试验、船模试验、原型观测、实船试验等手段进行验证。

对规范中将山区河流作为特殊情况，容许经过论证具体处理的问题，根据验证成果提出适合这种条件的设计原则，并将研究成果应用于解决嘉陵江待建工程的设计和施工中。

研究的指导思想是：研究的内容要有针对性，即结合山区河流渠化枢纽和船闸的工程实际；研究的成果要有实用价值、要有所创新，既要服务于山区河流渠化工程和船闸工程的设计和建设，又要力争达到国内外的领先水平。

1 研究内容及主要成果
整个课题的研究包括枢纽总体布置综合研究、通航建筑物研究、亭子口枢纽回水变化段渠化航道水位衔接研究和山区河流渠化工程水面线问题研究，共分八个专题。

1.1 专题 1——山区河流渠化枢纽总平面布置研究
河川枢纽建筑物的总体布置是枢纽设计成败的关键问题之一，它关系到枢纽建筑物的安全、经济，以及枢纽能否充分发挥
所有水工建筑物的功能，实现最佳综合效益的问题。

山区河流的特点是洪、枯水位变幅大，峰高时短，峰形尖瘦；枯水流量小，历时长、流态险恶；河流泥沙量大，且伴随洪峰出现；河道蜿蜒曲折，平顺微弯河段长度往往不足千米。

受其特点的影响，山区河流梯级渠化的枢纽布置以及枢纽船闸的布置往往难度很大。

鉴于枢纽总体布置的多样性、复杂性，采用完全统一的原则来指导渠化枢纽的总平面布置设计，是有一定难度的。

为了提出各种类型枢纽总平面布置设计的方法和布置的原则，本专题根据嘉陵江渠化工程的实践及国内同类工程的实例，结合嘉陵江金溪、桐子壕、金银台和马回等枢纽的总体模型试验、船模试验和实船试验，对枢纽“集中式”的同岸布置、异岸布置，“分散式”的旁侧布置、裁弯取直及引水布置等五种布置形式进行了全面的研究、分析、归纳、总结，提出了各种布置形式的特点、适用条件和布置原则。

研究成果，对山区河流渠化梯级坝址的选择、枢纽总体布置型式以及应考虑的工程措施，提出了更为具体的要求。

使山区河流渠化工程枢纽的布置更加合理。

嘉陵江近期建设的枢纽，如沙溪场、新政、凤仪场、小龙门、青居等均应用了这些具体原则，进行枢纽的总体布置，取得了较好的效果。

1.2 专题2——山区河流船闸引航道及口门区布置研究
山区河流的特点之一是河道蜿蜒曲折，河流的平面形态多呈蛇曲状，弯段多、直段少、且短。

嘉陵江除了在马回、东西关、青居三处形成Ω形的大河湾外，其余河道也都难以满足《船闸总体设计规范》关于Ⅳ级船闸引航道直线段长度为3.5倍设计船队长度的规定。

怎样在满足Ⅳ级船闸安全通航的前提下，进行船闸引航道及口门区的布置，也即采用何种布置方式来缩短船闸引航道的直线段长度，以适应河势，且满足安全通航要求，是本专题研究的主要内容。

在广泛收集国内渠江、西江、湘江船闸总体布置形式及其模型试验资料的基础上，结合嘉陵江依托工程的水工模型试验、船模试验和实船试验，从船队进出船闸错船的实际航线出发，分析各种枢纽布置形式下缩短引航道直线段长度的可能性。

提出了山区河流引航道半开敞直线布置、半开敞曲线布置、限制性曲线布置、停泊段与调顺段重合布置等四种型式的布置原则及具体尺度的建议值。

使Ⅳ级船闸直线段的长度，从规范规定计算的943m 缩短至500～790m，解决了过去在选择渠化枢纽坝址时，难以找到足够的岸线长度或渠道长度来布置船闸的难题。

本专题的创新点是：
a）在国内外首次进行了山区河流船闸引航道导航段和停泊段布置成折线的限制性航道的研究，大大地缩短了设置船闸的渠道所需的长度。

b）在国内外首次进行了山区河流船闸引航道半开敞式布置的研究，大大缩短了集中布置的枢纽船闸所需的直线段长度。

研究成果已具体应用在嘉陵江梯级渠化开发的几个枢纽设计中，取得了很好的社会经济效益。

1.3 专题3——山区河流船闸设计最高通航水位的研究
船闸设计最高通航水位的高低，既影响船闸通航期的长短，从而影响船闸的通过能力，又直接影响船闸建筑物的顶部高程，也即关系到船闸工程的造价。

如何解决好通过能力与工程造价经济合理这一对矛盾，关键就在于合理确定船闸设计最高通航水位。

现行行业标准《船闸总体设计规范》规定船闸设计最高通航水位是根据船闸级别按洪水频率法确定。

尽管“规范”规定对山区河流，水位暴涨暴落、洪峰历时很短，船闸的设计最高通航水位，通过论证可采用低一级的通航标准，但在工程实践中，普遍反映规范的标准仍然偏高。

本专题结合山区河流洪水过程历时短、峰值高、峰型尖瘦的
特点，分析研究了已建和在建船闸工程的实际运行情况以及水工模型试验的成果，并通过水文资料的统计、分析和计算，提出了山区河流船闸设计最高通航水位采用现行的洪水频率标准宜适当降低是符合山区河流的实际情况的，也是合理的。

专题研究通过五个枢纽工程和四个水文站的分析研究，对采用洪水频率和高水通航历时保证率两种方法确定最高设计通航水位，在停航天数和建筑物高程等方面作了全面比较，分析了在船闸实际运行效益、降低工程数量以及船队安全运行保障方面的影响程度。

在国内外首次提出了采用高水通航历时保证率来确定船闸设计最高通航水位是可行的，也是必要的。

专题研究还结合嘉陵江的具体水文条件，提出了采用高水通航历时保证率确定船闸设计最高通航水位的建议值，即高水通航历时保证率99%，与频率法相比，水位要低3.0m多，并不缩短渠化河段的通航期，却可大大降低船闸的工程投资。

以青居船闸为例，可降低工程投资约558万元；小龙门船闸，可降低工程投资约1417万元。

可见，研究成果若付诸于工程实践将有显著的经济效益，实用价值很大。

1.4 专题4——山区河流船闸衬砌式闸墙结构计算研究
衬砌式闸墙是嘉陵江乃至我国山区河流船闸建设中经常采用的一种结构型式。

多年来设计一直沿用建立于某些假设和普通材料力学基础上的近似计算方法，获得的计算成果往往很难反映闸墙与基岩之间的相互作用效应，且计算结果往往存在较大差异，这种不确定的计算结果无疑影响到闸墙结构的经济性和安全性。

本专题依托嘉陵江马回和东西关船闸工程，运用非线性有限元法，建立代表性衬砌闸墙断面的数学模型和计算程序，并结合物模的实验成果，分析研究基岩上船闸衬砌墙的结构计算问题。

重点分析研究了船闸衬砌墙墙体与基岩间的接触状态和接触应力，揭示了墙体和基岩应力分布的基本规律；研究了不同基岩弹
模、基岩与墙体间有无粘结力等物理力学性能对衬砌墙应力与稳定计算的影响；分析了材料力学方法、物理模型试验方法和非线性有限元法等三种结构应力分析方法之间的差异以及造成这种差异的主要原因。

提出了适用于红层地层基岩地质条件下衬砌墙的基本断面形式，并开发了“船闸衬砌式闸墙有限元计算软件”。

研究成果已应用于正在施工图设计的嘉陵江青居船闸衬砌式闸墙结构的设计，提高了结构可靠度，降低了工程造价，经济效益十分显著。

本课题成果为重力式衬砌墙不同断面形式的应力差异，以及接触面粘结力和基础弹模等因素对衬砌墙应力与稳定影响方面的研究填补了空缺。

1.5 专题5——山区河流中、高水头船闸输水系统的选型和布置
船闸输水系统是船闸运行最频繁的一个工作系统，是保证船舶安全迅速过闸的关键环节之一。

正确选择输水系统的类型并给予合宜的布置，是船闸工程设计的重要内容之一。

目前，我国对中高水头船闸输水系统的选型和布置在理论上尚不成熟，需借助模型试验进行研究，尤其是结合山区河流特点进行的研究，更缺少经验。

本专题研究是在总结国内船闸工程建设和嘉陵江船闸工程输水系统设计经验的基础上，依托嘉陵江马回、金溪和新政船闸工程的水力学模型试验，重点研究了船闸上闸首封闭式帷墙消能的集中输水、闸墙长廊道闸底横支廊道顶支孔出水和闸底长廊道侧支孔出水等三种型式输水系统的布置形式，及其对闸墙结构和水头的适用情况，并首次提出了闸底三支长廊道顶缝出水的布置形式，在山区河流20m以下水级，闸室宽度较大的船闸有一定的应用前景。

专题研究还依托嘉陵江东西关船闸工程的水力学模型试验和原型观测，研究了改善阀门工作条件的方法以及工程的实际效果。

研究成果不仅解决了工程的实际问题，且为我国船闸工程设计和科研工作积累了宝贵的资料和经验。

1.6 专题6——山区河流引航道建筑物结构型式研究
船闸引航道建筑物是用于引导船队进出闸、保护船队不受不良水流和风浪影响的防护建筑物。

引航道建筑物的平面布置和结构型式是否合理将直接关系到船舶的安全通航。

山区河流受枢纽泄水建筑物等边界条件的影响，船闸上、下引航道与天然河流相连接的口门区，由于水域处在收缩或扩大的情况下，水流弯曲变形，产生流速梯度而形成斜向水流，影响船舶的航行。

目前，在引航道堤头或墙身开孔，即采用透空式结构是改善口门处水流条件的主要途径之一。

通过山区河流工程实例的水工整体模型试验成果的研究分析，并依托嘉陵江金溪船闸工程，借助水工整体模型试验，研究了实体导墙和透空导墙对通航水流条件的影响，以及透空导墙开孔的长度、方向和高度不同，通航水流条件的变化情况。

提出了引航道建筑物透空结构的适用条件、透空式建筑物的类型及其选型应注意的问题等。

研究成果已应用于嘉陵江小龙门枢纽船闸的上引航道设计和凤仪场枢纽船闸下引航道的设计，不仅改善了引航道的通航水流条件，且减少了引航道建筑物的工程量，降低了工程造价。

1.7 专题7——亭子口枢纽回水变化段渠化航道水位衔接研究
亭子口枢纽是嘉陵江干流上唯一以灌溉、防洪、拦沙为主，兼顾发电、航运的大型综合利用枢纽，水级78m，正常高水位与死水位相差20m。

亭子口枢纽在低于上一个梯级水东坝船闸下游最低通航水位时，水位不衔接，最大有18km的航道处于天然状态，航道水深不能满足Ⅳ 级航道的通航要求，为确保嘉陵江全江渠化后航道的连续和畅通，寻求技术上可行、经济上合理的工程措施，解决亭子口枢纽回水变化段渠化航道的水位衔接问题是本专题研
究的目标。

专题重点研究了采用增建低坝航运梯级、修建通航明渠以及航道整治和流量调节相结合等三种工程措施解决枢纽回水变化段渠化航道水位衔接的问题。

并对三个方案进行了关键技术的论证、主要参数的选择，包括坝址的比选和确定、设计水位的确定和论证，明渠平面布置、出口位置的拟定等，同时进行了水面线和泥沙淤积计算及工程的投资估算，在此基础上，推荐实施方案。

研究成果为嘉陵江全线渠化后航道的连续、畅通提供了可靠的工程措施，对国内山区河流综合利用枢纽解决库区末端的通航问题有一定的借鉴意义；也为今后河流的梯级开发、水库运用、动能经济设计提供了如何全面综合利用水资源的思路。

1.8 专题8——山区河流渠化工程水面线问题研究
本专题主要研究内容和成果包括：
a）总结最低和最高通航流量下一维水面线计算方法的理论基础和工程应用中存在的问题；对渠化工程水面线计算中的糙率、局部水头损失系数、动能修正系数的取值方法进行归纳、总结和研究，并进行依托工程亭子口水库库区水面线的计算；以及考虑电站调洪运行方式，计算最高通航流量下水东坝至亭子口、亭子口至金银台以及青居至东西关三个库区的水面线。

b）分析研究水库泥沙淤积计算方法，选择亭子口库区为典型河段，分析研究水库不同运行年各断面淤积地形及泥沙淤积影响下的水库水面线变化规律。

c）建立大尺度、不规则边界的三维流场的数值计算方法，采用实验资料和原型观测资料对模型进行验证，并通过一个概化的干支流模型，研究不同干支流流量比、不同支流入汇角情况下，支流对主流的定量影响规律，并对亭子口库区一支流对主流的影响进行研究。

d）建立三维两相流紊流模型及其数值求解方法，将水气两相
流理论引入渠化工程自由面的计算，采用三维VOF模型，模拟典型河段——亭子口水库回水区算钱滩天然河段的自由面和流场变化。

e）开发了最低与最高通航流量下水面线计算的可视化软件。

f）对支流入汇河段首次采用水气两相三维流场数值模拟的方法，开发了适用于大尺度不规则边界的三维流场计算软件。

2 结束语
整个课题的研究成果是在总结我国山区河流渠化枢纽工程设计和经验的基础上，依托嘉陵江渠化工程，采用理论分析、数值模拟计算、物理模型试验和原体观测相结合的方法，针对嘉陵江航运梯级开发中的关键技术以及山区河流渠化工程设计中的共性问题，包括枢纽总体布置、设计通航水位、通航建筑物设计、渠化工程水面线以及回水变动段水位衔接等，进行了深入的研究，提出了一些新的观点和方法，特别是在山区河流船闸引航道及口门区的布置形式、设计最高通航水位的确定方法、重力式衬砌墙接触面粘结力和基础弹模对墙体应力与稳定的影响、水气两相三维流场数值模拟方面，都有所创新。

研究成果不仅很好地解决了嘉陵江渠化工程设计和建设中的技术难题，同时为相关专业设计规范的修订提供了丰富的素材，也为西部开发类似的渠化枢纽设计提供了新的经验和范例。

希望研究成果对提高我国山区河流渠化工程的设计水平、完善现行行业规范以及加快水运工程的技术进步方面能起到积极的推动作用。

3合作者
本课题在研究中，依托工程的结构应力有限元分析由四川大
学水电学院参与完成；枢纽的整体水工模型试验和船闸水力学模型试验的大量工作由交通部西南水运工程科学研究所承担；东西关船闸输水阀门减压模型试验和马回、东西关船闸输水系统的原型观测工作由水利部南京水利科学研究院水工研究所承担，对两院一所给予的大力支持，表示感谢！。