草街航电枢纽通航建筑物布置与通航条件研究

草街航电枢纽通航建筑物布置与通航条件研究

赵健;赵宁雨;张梦军

【摘 要】草街航电枢纽是国家西部开发十大重点工程之一,工程位于嘉陵江下游3

个连续大弯道上,枢纽及通航物布置对通航条件影响较大.采用1:80物理模型对枢纽

布置及通航建筑物上下游引航道进行多方案优化,根据试验成果对枢纽布置和通航

条件进行分析,并对山区河流最高通航流量、枢纽闸门运用及通航代表船舶(队)等问

题进行探讨.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2010(000)006

【总页数】7页(P108-114)

【关键词】通航建筑物;最高通航流量;枢纽调度;代表船舶

【作 者】赵健;赵宁雨;张梦军

【作者单位】重庆交通大学,重庆400074;重庆交通大学,重庆400074;重庆市交通

委员会,重庆400050

【正文语种】中 文

【中图分类】U64

草街航电枢纽位于重庆合川境内草街镇嘉陵江干流河段上，是嘉陵江干流自上而下

开发的第二个梯级，上游回水至合川利泽镇，下游尾水与井口梯级正常蓄水位相接，

是一座具有航运、发电、拦沙、减淤、灌溉、旅游等效益的综合利用工程，是当前

嘉陵江梯级渠化中规模最大的航电枢纽工程，也是国家西部大开发的十大重点工程

之一。

枢纽工程坝址上距合川市约27 km，下距嘉陵江河口（朝天门）约68 km。草街

航电枢纽工程由1座Ⅲ级船闸，装机50万kW发电厂，5孔宽14.5 m冲沙闸和

15孔宽13.0 m泄洪闸以及两岸固定坝和检修厂房组成。枢纽正常畜水位203.00

m，总库容30.70亿m3，枢纽防洪限制水位200.00 m，调节库容0.65亿m3，

最大水头26.70 m，电厂安装4台容量为12.50万kW水轮发电机组，多年平均

发电量20.18 kW·h，总投资约60亿人民币。

枢纽工程坝址区为嘉陵江干流下游段，河道由川中丘陵区进入川东高山峡谷地区，

具有典型的山区河流特征，河道弯曲、宽谷相间、水量丰富，特别是在其上游纳涪

江、渠江后水量大增，百年一遇洪水达50 800 m3/s。枢纽河段上游有鬼见愁峡

谷、牛鼻孔峡谷，有筏平石、方家石盘和三限灶等石梁仲入江中，下游有白羊背峡

谷和沥鼻峡等峡谷，枢纽坝址正布置在牛鼻孔、象鼻子和草街镇3个连续弯道上，

河道弯曲、滩潭相间、两岸石嘴石梁比比皆是。复杂的河道条件给枢纽通航物布置

以及通航条件带来了巨大的困难。为此，在实体模型上对建设方案进行试验和优化，

结合1∶80枢纽实体模型试验成果，就枢纽通航建筑物布置以及通航水流条件进

行分析和讨论。

1 初步设计方案布置与试验

1.1 船闸及上下游引航道布置

草街航电枢纽通航船闸与电厂同布置于河道的左岸，船闸等级为Ⅲ级，船闸闸室有

效尺度为180m×23 m×3.5 m（长×宽×槛上水深），设计船队尺度为160

m×10.8 m×2.0 m，最大通航船舶吨级为1000 t，船闸设计最高通航流量为

36500 m3/s，上游最高通航水位206.07 m，相应下游最高通航水位为205.11 m，

上游最低通航水位采用Q＝15000 m3/s流量枢纽全闸开启敞泄时的水位192.40

m作为上游最低通航水位，下游最低通航水位采用井口枢纽正常蓄水位177.50 m

（图1）。

船闸采用侧墙长廊道输水，主廊道设在外闸墙墙体内，在闸室中部分两支进入闸室，

廊道进水口分别设在上引航道内外取水，在下引航道内外泄水。

图1 草街枢纽初设方案布置

1.2 船闸上下游引航道水流条件

1.2.1 船闸上引航道水流条件试验

由于枢纽河段河势条件和枢纽布置上的特点使船闸上引航道的布置较为困难，通航

水流条件较差。在模型上进行了3 054 m3/s，6 000 m3/s，9 000 m3/s，12

000 m3/s，15 000 m3/s，（发电运行）及15 000 m3/s，24 600 m3/s，31

400 m3/s，36 500 m3/s（全闸敞泄）等九级流量的水流条件试验。试验控制条

件按3 054 m3/s，6 000 m3/s二级流量控制库水位为203.00 m；9 000 m3/s，

12 000 m3/s，15 000 m3/s三级流量库水位控制200.00 m；15 000 m3/s，24

600 m3/s，31 400 m3/s及36 500 m3/s四级流量全闸开启敞泄。试验结果如

下。

1）流量3 054 m3/s，6 000 m3/s时，船闸上引航道内流速均小于1.00 m/s，

横向流速在0.30 m/s以内，满足通航标准要求。

2）流量 9 000 m3/s，12 000 m3/s，15 000 m3/s，除电厂引用3 054 m3/s流

量外，其余5 946-1 194 m/s流量通过泄洪冲砂闸下泄。引航道上游进口#44断

面，流速已普遍增至1.50 m/s，最大达到2.5 m/s，最大偏角8°，最大横向流速

已达0.35 m/s，超过通航标准要求的纵向流速小于2.0 m/s和横向流速小于0.30

m/s的要求。

3）当流量为 15 000 m3/s，24 600 m3/s，31 400 m3/s，36 500 m3/s时，电

厂停止发电，全闸开启敞泄情况，上引航道流速流态条件迅速恶化，引航道口门进

口断面流速大多已超过2.00 m/s，如Q＝15 000 m3/s时，上游进口断面最大纵

向流速达到2.99 m/s，最大偏角7°，最大横向流速已在0.36 m/s以上；Q＝24

600 m3/s时，上游进口断面流速已达3.96 m/s，横向流速超过0.35 m/s。同时，

在电厂进水口上游至上引航道外导航墙墙头一线形成大面积回流，加之外导墙伸至

上游凸嘴下游，导致引航道前缘至冲砂闸一线形成强度较大的涡流带，并伴有阵发

性泡漩，水流十分紊乱。

1.2.2 船闸下引航道水流条件试验

船闸下引航道水流条件研究同样进行了上述七级流量的试验，观测了引航道及口门

区的流速、流态，根据试验观测，船闸下游引航道通航水流条件较差，其主要表现

在：

1）当上游来流量为3 054 m3/s时，电厂4台机组满负荷运行，3 054 m3/s流

量全部通过电厂尾水175.50 m高程的尾水平台下泄，尾水平台左岸岸线呈圆弧形，

挑流作用很强，直接将电厂尾水挑向右岸，挑向右岸的水流遇右岸山嘴的阻挡又折

向引航道口门区，因而在闸下游及船闸下引航道口门区形成两个方面相反的回流区，

引航道口门最大回流流速在1.10 m/s以上，下游河道水流紊乱，波浪也较大，通

航条件恶劣。

2）在流量为 6 000 m3/s-12 000 m3/s-15 000 m3/s区段，除电厂引用3 054

m3/s流量外，其余流量全部通过冲砂闸下泄，电厂尾水池的水流向右侧河心翻滚，

增加了冲砂闸闸下主流带的流速，导致下引航道口门区形成大面积的回流。如Q

＝12 000 m3/s时距口门200 m断面，其回流速度仍在0.6 m/s以上。

3）在3 054-15 000 m3/s流量情况下，由于闸下游河道流速高、单宽流量大，

因而在下游河道形成较大的波浪，据测定浪高大于0.50 m。

4）在大于15 000 m3/s以上各级流量，泄洪冲砂闸全开敞泄，下游水深大，下

游河道断面流速分布较均匀，流速较前减小，下引航道口门区的回流范围和强度有

所减小，但仍超过0.40 m/s的标准。如Q＝15 000 m3/s时距口门150 m处回

流流速已超过0.8 m/s，Q=24 600 m3/s流量距口门150 m处最大回流流速仍

在0.77 m/s左右。同时，距下游航道口门240 m以外纵向流速迅速增加，其流

速值已超过2.00 m/s的允许标准。

2 优化方案布置及试验

2.1 布置

综合分析初步设计方案的试验成果资料认为，改善船闸上下游引航道通航水流条件

涉及到河势条件、河床地形、枢纽布置、闸门运用方式、下游消能效果、断面平面

流速分布以及引航道本身的布置型式等多种因素。因此，优化布置方案综合考虑了

以上多方面的因素，对初步设计方案作了大的调整，调整后的枢纽及通航建筑物的

布置方案主要有以下几个方面的改进。

1）拆除闸上游施工纵向围堰183.00 m高程以上墙体，拆除闸下游消力池末端以

下施工纵向围堰全部墙体。

2）根据枢纽河段及船闸布置的地形条件，将船闸上下游引航道由对称型布置调整

为非对称型布置。

3）切除上引航道口门上游方家石盘临深槽部分，增加主槽过流面积。

4）开挖上引航道内侧象鼻山嘴，将上引航道内导墙堤头向左移动18 m，平顺岸

线使象鼻山开挖连线与上引航道内导墙形成一条光滑的缓和曲线，利于船舶进出闸。

5）调整下引航道外导墙并将下引航道外导墙长度由初设方案的340 m延长至

460 m，末端的100 m导墙设定为透空式，开孔尺寸10 m×5 m，孔顶高程

185.00 m，开孔方向垂直水流方向。

6）将下引航道内导墙下游的航道的开挖边线向左岸边移动，开挖范围以导墙下游

300 m为起点，以R＝1 120 m为半径的弧形线接下深槽，床底开挖高程173.00

m。

7）将船闸上引航道口门区的靠船墩由方型墩调整为圆形墩以减小墩对引航道水流

的扰动。

枢纽及通航建筑物优化布置见图2。通航建筑物优化布置方案进行多组次试验，条

件与1.2节相同。

图2 草街枢纽优化方案布置

2.2 试验成果分析与讨论

通过对枢纽优化布置方案试验成果的综合分析认为，优化布置方案船闸上下游引航

道通航水流条件已大大改善，取得了下述主要成果和认识。

1）考虑坝区河势及地形特点，将船闸上下游引道由对称型布置调整为非对称型布

置，增大了河道的过水断面，有利于通航条件的改善。

2）切除船闸上游方家石盘伸入河槽中的突嘴，加大主河槽泄流能力，减小引航道

口门的单宽流量，有利于降低口门区的纵向流速。

3）象鼻子山嘴是船闸上引航道的一个控制断面，开挖象鼻子山嘴、平顺岸线对于

改善上引航道通航条件十分必要。

4）在 Q＝3 054 m3/s，6 000 m3/s，9 000 m3/s，12 000 m3/s，15 000

m3/s五级流量，水库分别按203.00 m，200.00 m水位运行时，船闸上引航道口

门区水流平顺，电厂前至口门区的回流和泡漩水流减弱或基本消除。口门区内各断

面纵横向流速都在通航标准规定的允许范围（纵向流速不大于2.0 m/s、横向流速

不大于0.3 m/s）之内。

5）在上述流量条件下，船闸下引航道内水流平顺，口门区纵横向流速都在标准和

规范允许范围之内。回流流速除边缘个别点外都在规定的0.4 m/s以内。下游河

道的波浪高度降至0.4 m，亦在允许值0.5 m以内。

6）在来流量Q＝15 000 m3/s电厂关闭、全闸敞泄情况下，船闸上下游引航道口

门区的纵横向流速除边缘个别点位超过标准外，水流条件基本上可满足船舶通航的

要求。

7）在来流量大于15 000 m3/s情况下，船闸上口门区各断面的纵横向流速大部

分都超过标准规范允许纵横向流速范围，如Q＝23 300 m3/s流量情况下，上引

航道口门区#44进口断面的纵向流速已达到2.98 m/s左右。

枢纽通航建筑物优化布置方案试验表明，在来流量小于或等于15 000 m3/s流量、

库水位保持200-203 m、电厂发电运行条件下，船闸上下游引航道口门区的通航

水流条件可以满足GB 50139—2004《内河通航标准》规定的口门区纵横向流速

范围；在来流量大于15 000 m3/s，全闸敞泄情况下，上、下游引航道口门区的

纵横向流速都已超过标准允许值，通航水流条件已不能满足船舶安全进出船闸的要

求。

3 关于枢纽通航的几个问题

3.1 最高通航流量

重庆市航运发展规划嘉陵江合川至重庆段航通等级为Ⅲ级，根据GB 50139—

2004《内河通航标准》规定，对于山区河流Ⅲ级航道通航建筑物最高通航水位的

洪水重现期为10年一遇，嘉陵江草街枢纽通航建筑物相应此频率的洪水流量为

36 500 m3/s。

对于西南山区性河流，根据调查，整个嘉陵江已建或在建航运枢纽尚没有一座枢纽

最高通航流量能够达到上述洪水标准的。其原因主要受山区河流的水文特性和枢纽

所在河段的河势特性和地形条件所限制。

嘉陵江草街枢坝址位于嘉陵江下游川东高山峡谷河段磨儿沱、象鼻子和草街3个

连续弯道上，枢纽上游有牛鼻孔峡谷、下游有北温泉峡谷。枢纽船闸布置于象鼻嘴

弯道，船闸上引航道正处于象鼻山突嘴外侧，由于三弯河势特点，上游水流出牛鼻

孔峡谷后进入磨儿沱弯道受李拐滩突嘴的挑流，主流过方家石盘直逼象鼻山咀船闸

上引航道口门，造成上引航道口门流速加大、流态恶化。

下引航道布置于草街弯道上游，距弯顶约500m，河岸狭窄，对岸有马鞍碛突嘴，

洪水期出闸水流过马鞍碛突咀后直逼草街弯道弯顶下方，造成草街弯道出现大片回

流。

由于上下游引航道口门区都处于枢纽上下游地形复杂的河床狭窄段，单就口门区纵

向流速指标来看，在天然河道上下引航道口门区特征断面的平均流速已大大超出规

范允许值，实测天然河道6 000-36 500 m3/s流速最大值已达4.0 m/s左右（表

1）。

由表1可见，上下引航道口门区不论是断面平均流速，还是天然河道的表面流速，

口门范围内的纵向流速都已大大超过2.0 m/s流速标准，要想人工大幅度改变这

种自然规律实际上相当困难。

表1 天然河道上下游引航道口门区特征断面流速统计注：流速为断面平均流速。

流量/(m3·s-1) 流速/(m·s-1)上引航道口门 下引航道口门6 000 2.43-2.76 1.81-

2.87 15 000 2.39-3.34 2.46-3.23 24 600 2.77-4.27 2.66-3.85 36 500 4.16-

4.57 2.23-4.54

根据嘉陵江30系列水文年的统计，在河道来流大于15 000 m3/s流量出现频率

为每年仅6天，即是说如果以15 000 m3/s作为最高通航流量，每年只有6天不

能通航。按此推算，最高通航流量的保证率可以达到98.6%。

基于上述原因，我们认为草街航电枢纽的最高通航流量定为15 000 m3/s应该是

合理的，也是符合实际情况的。

3.2 枢纽闸门运用对上下游引航道通航条件的影响

通过优化方案试验，发现枢纽闸门调度运用不但影响闸下游消能结构的布置，而且

对船闸上下游引航道的通航水流条件也具有重要影响。如在流量Q＝15 000

m3/s情况，若水库从全闸开启敞泄到壅高库水位至200.00 m运行，可以减小上

引航道口门区的纵横向流速，改善流态。

枢纽闸门调度对船闸下引航道口门区水流条件的影响也较为显著。根据试验观察，

枢纽闸门的开启方式不同对下游河道单宽流量分布和水流平面流速分布影响很大，

闸门开启不当或过度集中会造成下游河段局部单宽流量集中，形成折冲水流，造成

下引航道口门区大面积、高强度的回流和波浪。如在Q=15 000 m3/s流量，除发

电引用3 054 m3/s外，剩余流量集中在冲砂闸下泄时，将在下游靠右侧形成一条

宽100 m左右的急流带，最大流速达到8.0 m3/s，平面流速分布梯度很大，在泄

洪闸下游和船闸下引航道口门区水体之间形成2个强度较大、方向相反的回流区，

在引航道一侧最大回流速度可达1.0 m/s左右，若单独开启泄洪闸也会出现上面

相似的情况。

根据试验观测，草街枢纽在流量15 000 m3/s以下通航期间，闸门的开启方式应

采用冲砂闸和泄洪闸对称开启方式，使纵向围堰两侧的泄流量基本相当，这样可使

下引航道口门区河段平面流速分布比较均匀，有利于通航条件的改善。通过试验反

复比较，推荐枢纽闸门运行方式（表2）。

表2 草街杻纽推荐闸门运用方式序号流量Q/（m3·s-1）库水位/m闸门运用方式

电厂情况冲砂闸（5孔）泄洪闸一区（5孔）泄洪闸二区（11孔）1 Q≤6 000

203.00 局部开启 关闭 关闭 发电2 6 000＜Q≤9 000 200.00 局部开启 #2，#4

全开 关闭 发电3 9 000＜Q≤15 000 200.00 局部开启 #1，#3，#5全开 关闭 发

电4 Q＞15 000 全开泄洪 全开泄洪 全开泄洪 关机

3.3 横向流速对船舶进出船闸的影响

船闸上下游引航道与河流连接的口门区是过闸船舶（队）进出引航道的咽喉，它处

在河流动水与引航道静水的交界处。由于这种布置的特殊性，口门区受枢纽中泄水

建筑物和导航分水建筑物等边界条件的影响，存在较大的流速梯度，在口门处产生

斜向水流，由于斜向水流的作用，产生回流和分离型小漩涡，横流和回流使航行船

舶（队）产生横漂和扭转，严重时会出现失控，影响通航。因此，研究口门区水流

条件是十分必要的。

根据分析，影响引航道口门区水流条件的因素有2类：一是水力要素，二是边界

条件。水力要素包括口门区的斜向水流以及电站日调节时水流单位质量的动量增加

及其波浪等；边界条件包括导航堤（墙）长短、船闸在枢纽中的平面布置、泄水闸

开启方式等[3]。

当船舶（队）以一定航速驶入口门区时，其斜向水流与船舶（队）轴线形成一定交

角，斜向水流可分解成平行和垂直航线的纵向流速（Vy）和横向流速（Vx）。纵

向流速大小影响船舶（队）的航行阻力，直接影响航速V航，一般要求，V航＞

Vy。

横向水流与航线垂直，它对船舶产生横向推力，是船舶航行过程中产生横向漂移的

主要原因，也是衡量船舶能否安全进出引航道口门区的主要标准之一。

横向流速对船舶（队）产生横向推力可由下式计算，即

式中：ξ为系数，P为水的密度，ρ为水的容重，L和T分别为船舶（队）长度及

吃水。

由式（1）可知，横向流速对船舶（队）的横向推力与船舶（队）在水下的投影面

积，即船舶（队）纵剖面长度L及吃水T有关。当L，T一定时，则与横向流速

Vx的平方成正比，当横向流速Vx，船舶吃水一定时，横向力与船舶（队）长度成

正比即船队越长横向推力越大，由于横向力的作用，使船舶（队）发生侧向漂移

ΔLx，偏离航线，ΔLx的计算式[1]为

式中：B和A为分别为系数，t为横流作用于船体的时间，e为自然对数的底。

作用到船舶（队）上的横向推力大小和作用点对船舶（队）产生一个转矩M[2]，

即

式中：K为系数，它包含了作用长度、作用深度、力的作用点的偏心率，船舶（队）

自身及周边的几何形状，以及水流绕船体运动时的阻力等因素。

分析式（2）可以看出，横向流速对航行船舶航行影响表现在以下几个方面：

1）进入引航道的船舶（队）受横向水流的作用，它产生的扭力矩，不应大于船舶

（队）舵效所能克服的扭力矩。

2）同一船队航速不同，允许的横向流速不同，适当加大船队航速，可以提高横向

流速限值，减小船舶航迹带宽度，但要增加船队冲程的长度。

3）口门区横向流速越大，船舶的船行状况越不稳定。

由于本工程船闸上引航道位于象鼻山凸嘴，又受上游方家石盘的影响，水流条件复

杂，枢纽设计船队采用的1+2×1 000 t船队（长160 m×宽1 0.5 m×吃水2.0

m），船队长度大，宽度小，这种船队在弯道多，水流复杂的山区河流操控性能差，

不是一种优秀的船队队型。

4 结语

1）草街航电枢纽布置在连续3个弯道的河段上，复杂的河势和河床条件，给通航

建筑物的布置带来了较大的困难。优化布置方案通过平顺岸线、开挖象鼻山突嘴，

部分切除方家石盘、将上下引航道由对称布置改为非对称布置以及优化闸门调度等

多种措施，大大改善了枢纽的通航条件。

2）优化布置方案在上游来流小于或等于15 000 m3/s流量，在推荐的闸门开启

方式情况下，枢纽船闸上下游引航道口门及连接段满足规范要求的通航水流条件，

船舶可以安全进出船闸。

3）由于草街枢纽复杂的地形条件和水文条件，并考虑嘉陵江已建渠化枢纽的运行

经验，15 000 m3/s流量作为草街枢纽最高通航流量，一顶二左梭船队作为通航

船队是合适的。

参考文献：

[1]重庆西南水运工程科学研究所.草街航电枢纽初步设计阶段水工模型试验研究报

告[R].重庆:重庆西南水运工程科学研究所,2006.

[2]周华兴.船闸通航水力学研究[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2007.

[3]李一兵,江涛秤,李富萍.船闸引航道口门外连接段通航水流条件标准[J].水道港

口,2004(4):179-184.