固鎮(zhèn)復(fù)線船閘上游航道口門區(qū)平面布置研究

張 波 李振亞

固鎮(zhèn)復(fù)線船閘上游航道口門區(qū)平面布置研究

張 波 李振亞

一、樞紐概況

擬建的固鎮(zhèn)復(fù)線船閘是沱澮河航道梯級(jí)開發(fā)的重要組成部分，位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣固鎮(zhèn)節(jié)制閘及老船閘南側(cè)，上距蘄縣閘38km，下距五河閘65km，為沱澮河航道自下而上第二個(gè)梯級(jí)通航建筑物。

根據(jù)《安徽省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》，沱澮河航道李口集至入淮口段航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅳ級(jí)，可常年通航500t級(jí)船舶。本次擬建固鎮(zhèn)復(fù)線船閘為500t級(jí)Ⅳ級(jí)船閘，閘室長(zhǎng)130m，寬18m，門檻水深3.5m，預(yù)測(cè)年過閘貨運(yùn)量750×104t。復(fù)線船閘的建成將大大提高固鎮(zhèn)樞紐的水運(yùn)通過能力。

受當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃影響，固鎮(zhèn)復(fù)線船閘閘址只能選在固鎮(zhèn)樞紐中老船閘的右側(cè)。進(jìn)行總平面布置研究時(shí)，上游引航道受京滬鐵路澮河大橋通航孔的制約，引航道口門區(qū)及連接段的中心線與河流主流流向之間的夾角較大，因此可能產(chǎn)生較惡劣的橫流、回流等不良流態(tài)，對(duì)上游引航道內(nèi)的航行安全極為不利。若橫向流速分量和回流達(dá)到一定強(qiáng)度，超過規(guī)范要求，則易使船舶的航向發(fā)生改變，從而發(fā)生事故，影響通航。為消除通航安全隱患，使新船閘安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)上游口門區(qū)的平面布置進(jìn)行分析研究。

二、引航道進(jìn)口流態(tài)研究概述

為綜合利用水資源，國(guó)內(nèi)很多水利樞紐均建有船閘，在船閘的總體布置中，船閘上游引航道與河道相連接的口門區(qū)及連接段是船舶安全航行中最需關(guān)鍵的路段，引航道口門區(qū)水流條件的好壞直接影響到船舶航行的安全。但上下游引航道、連接段和口門區(qū)軸線與河道主流間總存在一定的夾角α，使得引航道內(nèi)水流流向與船舶的行進(jìn)方向不一致，若夾角α較大，則作用于船舶側(cè)面的橫向流速就相應(yīng)較大，對(duì)行船安全造成威脅。

航道與河流間的隔堤裹頭處是動(dòng)水與靜水的交匯點(diǎn)，靜水區(qū)水位局部壅高，在隔堤裹頭下游的動(dòng)水區(qū)則產(chǎn)生跌流漩渦，由此而產(chǎn)生的斜向流速對(duì)行船安全造成不利影響。如果隔堤設(shè)置不合理，河道水流對(duì)航道內(nèi)流態(tài)的不利影響將更為顯著，航道內(nèi)的橫流、回流和隔堤裹頭處的斜向流速將對(duì)通過的船只造成巨大威脅。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)改善上游口門區(qū)水流條件的措施主要有優(yōu)化隔堤裹頭型式、隔流堤長(zhǎng)度優(yōu)化、堤身開孔引流、丁潛壩挑流、導(dǎo)流墻外擴(kuò)開孔、設(shè)置導(dǎo)流墩等；國(guó)外改善上游口門區(qū)水流條件的措施主要有隔流堤堤頭和堤身開孔、設(shè)置丁潛壩等。

本文結(jié)合固鎮(zhèn)復(fù)線船閘實(shí)際情況，對(duì)隔堤裹頭型式和隔流堤長(zhǎng)度進(jìn)行綜合考慮，詳細(xì)研究了引航道口門區(qū)平面布置對(duì)引航道內(nèi)流態(tài)的影響。

三、各方案比較研究

因上游引航道受京滬鐵路澮河大橋的制約，引航道口門區(qū)及連接段的中心線與河流主流流向之間的夾角較大且不能改變，故研究側(cè)重于對(duì)隔堤裹頭型式和隔流堤長(zhǎng)度進(jìn)行研究，同時(shí)進(jìn)行了口門區(qū)右側(cè)擴(kuò)大開挖范圍的效果分析。本研究共進(jìn)行了四個(gè)方案的比較分析。

方案一：上游引航道為與京滬鐵路澮河大橋航道相接，在澮河大橋下游157.9m處和上游引航道正常段間設(shè)半徑為320m、轉(zhuǎn)角為109°的彎道。并在右岸灘地開挖出長(zhǎng)250m、寬40m的停泊區(qū)，停泊區(qū)右岸坡度為1∶2；引航道左側(cè)為1∶4的邊坡與河道右岸灘地相接，堤頂裹頭位于0-780處，堤頂高程加高至18.20m，0-780以上為灘地原地形與引航道邊坡順接。

方案二：將上游引航道左側(cè)隔堤堤頂裹頭（高程為18.20m）由0-780上移20m至0-800處，0-800~0-920段隔堤為高程17.0m的平臺(tái)，0-920~0-960段隔堤為一坡度約為1∶8的斜坡與航道底相接。為使停泊區(qū)與河道的連接更為平順，水流進(jìn)入口門區(qū)時(shí)的斷面流速分布更為均勻，上游引航道右岸0-1120~0-1000段進(jìn)行了切灘，最大切灘寬度約為20m，其余同方案一。

方案三：上游引航道左側(cè)隔堤布置同方案二，上游引航道右側(cè)布置同方案一。

方案四：上游引航道左側(cè)隔堤堤頂裹頭（高程為18.20m）下移至0-750處，0-750~0-860段隔堤為高程17.0m的平臺(tái)，0-860~0-880段隔堤為一坡度約為1∶4的斜坡與航道底相接。上游引航道右側(cè)布置同方案一。

為研究不同水位下引航道口門區(qū)的流態(tài)及流速分布，分別采用最高通航水位、排澇水位、正常蓄水位和最低通航水位對(duì)各方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因京滬鐵路澮河大橋至航道口門區(qū)河段右岸灘地較寬（約160m），且高程較高（16.0m~18.2m），該段主流位于河道左側(cè)，有利于航道口門區(qū)的通航，降低了引航道軸線與河道主流間夾角較大的不利影響。在固鎮(zhèn)節(jié)制閘的調(diào)節(jié)下，低水位時(shí)，口門區(qū)流速較小，滿足規(guī)范要求；高水位時(shí)，右岸灘地的過流有利于口門區(qū)流速的減小。因此上游航道口門區(qū)的整體水流條件較好。

表1 各方案航道口門區(qū)最大橫向流速

各工況下，各方案上游口門區(qū)的流態(tài)無本質(zhì)區(qū)別，除方案一中0-900斷面的個(gè)別點(diǎn)橫向流速超出規(guī)范要求外，其余三個(gè)方案主要控制斷面的橫向流速和回流流速均在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)。各方案上游引航道口門區(qū)各斷面的橫向流速見表1。

從表1可以看出，方案一上游口門區(qū)的最大橫向流速達(dá)0.39m/s，超過了規(guī)范要求的0.30m/s，其余各處水流條件滿足通航要求。

方案二通過在航道右側(cè)擴(kuò)大開挖范圍，使河道主流略微右移，增大引航道側(cè)河道的過流能力，使水流流速在0-1100和0-1000斷面的分布更為均勻；通過抬高隔堤前端的高程，使航道內(nèi)水流與河道水流的分流點(diǎn)適當(dāng)向上游推移。實(shí)驗(yàn)表明，本方案能使各主要斷面的流速流態(tài)滿足規(guī)范要求。但航道內(nèi)水流與河道水流的分流點(diǎn)向上游推移后，使得分流處更靠近水流主流，分流處的橫向流速分量加大。另外，加高隔堤裹頭處高程對(duì)河道行洪也不利。

方案三表明航道右側(cè)開挖并不能減小0-900斷面處水流流向與航道中心線間的夾角，無益于減小該斷面航道口門區(qū)的橫向流速，卻增大了工程的開挖量。

方案四綜合了以上3個(gè)方案中各項(xiàng)措施的優(yōu)點(diǎn)，將航道左側(cè)隔堤下移，使航道內(nèi)水流與河道水流的分流點(diǎn)遠(yuǎn)離水流主流，在裹頭前設(shè)一高程為17.0m的平臺(tái)，減小高水位下裹頭處斜向水流與航道中心線的夾角。該方案較好地滿足了規(guī)范對(duì)引航道口門區(qū)流速流態(tài)的要求。本方案雖略微增加了工程開挖方量，但也減小了筑堤的長(zhǎng)度，不僅通過遠(yuǎn)離水流主流、增加過流面積解決了0-900處的橫向流速超標(biāo)的問題，也改善了該處河道的行洪條件，避免了方案二在隔堤裹頭前增加隔堤高程可能對(duì)河道行洪造成的不利影響。

本研究通過在隔堤裹頭前設(shè)一長(zhǎng)為110m、高程為17.0m的平臺(tái)，有效協(xié)調(diào)了口門處低水位和高水位下對(duì)隔堤長(zhǎng)度及裹頭型式的要求。低水位時(shí)，口門處水流流速較小，隔堤適當(dāng)前移不會(huì)增大堤頭處的斜向流速，但能進(jìn)一步改善引航道內(nèi)的流態(tài)；高水位時(shí)，平臺(tái)為潛壩，能讓一部分水流通過平臺(tái)表面，減小斜向流速與引航道中心線間的夾角，同時(shí)也能控制水流表面流速的橫向分量不超過規(guī)范要求。

四、結(jié)語

固鎮(zhèn)閘上游口門區(qū)航道與河道主流在0-1000附近開始分離，航道內(nèi)開始有橫流及回流。為減小引航道隔堤裹頭處的橫向流速分量，本研究分別采取了均勻口門區(qū)進(jìn)口流速分布、優(yōu)化隔堤長(zhǎng)度和裹頭型式等措施進(jìn)行比較。研究表明，均勻口門區(qū)進(jìn)口流速分布無益于航道口門區(qū)橫向流速分量的降低，卻增大了工程開挖量；增加隔堤長(zhǎng)度使動(dòng)、靜水分流處更接近于水流主流，增大了裹頭處各工況下的橫向流速分量；減小隔堤長(zhǎng)度能較全面地解決引航道口門區(qū)橫向流速分量超標(biāo)、河道行洪、工程開挖量間的矛盾；在隔堤裹頭前設(shè)一高程為17.0m的平臺(tái)能有效協(xié)調(diào)低水位和高水位下對(duì)隔堤長(zhǎng)度及裹頭型式的要求

安徽省水利水資源重點(diǎn)試驗(yàn)室·安徽省水利科學(xué)研究院233000 安徽省蚌埠市港航管理局233000）

（專欄編輯：周 權(quán)）