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。