桃花江航運樞紐整體水力學試驗研究

吳福生，宣國祥，雷愛民

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029;2.桂林市環(huán)城水系建設開發(fā)有限公司，廣西 桂林 541001)

桃花江船閘位于廣西桂林桃花江風景區(qū)，桃花江在桂林地段的河道是一大“S”形和兩小“S”形.桃花江船閘樞紐包括肖家船閘樞紐和徐家船閘樞紐兩座，每座船閘樞紐均由攔河壅水橡膠壩和旅游景觀通航船閘組成，兩船閘間距約2.1km，肖家船閘位于徐家船閘的上游.船閘樞紐工程布置在桃花江河道上，桃花江的設計防洪標準為20年一遇洪水.

為滿足防洪與景觀設計要求，不縮小河道行洪斷面，船閘布置在桃花江主河道之外的岸邊.根據(jù)船閘樞紐的設計運行條件，只有當攔河壅水橡膠壩壩頂溢流水頭達到0.5m以上，橡膠壩塌壩泄洪時，船閘才停止運行.也就是說，船閘運行時，橡膠壩有不大于0.5m水頭的溢流下泄.

鑒于桃花江旅游景觀船閘布置上的一些特殊受限條件，如受樞紐地形與水流條件限制，肖家船閘上、下游引航道與桃花江的夾角分別為56°和42°，徐家船閘上、下游引航道與桃花江的夾角分別為46°和34°.航道中心線與桃花江的夾角較大，均難滿足船閘設計規(guī)范的要求.同時，船閘運行時，橡膠壩有不大于0.5m水頭的溢流下泄，上下游引航道的口門區(qū)，將產生較大橫向流速、回流與漩渦等不利水流流態(tài)，通航條件較差.因此，必須優(yōu)化樞紐建筑物布置方案，創(chuàng)造安全的通航水流條件，以保證游船的安全運行.基于此，本文進行了桃花江船閘樞紐整體水工模型試驗研究.

1 物理模型設計與試驗條件

1.1 物理模型設計

為保證模型和原型的幾何相似、水流運動相似和動力相似，嚴格執(zhí)行試驗研究受控標準，利用模型進行水面線、斷面流速分布規(guī)律及相應流量研究.模型主要按重力相似準則進行設計，采用幾何比尺為1∶25的正態(tài)模型.整體模型上游模擬長度以不影響模型工作段流態(tài)和上游引航道口門區(qū)流態(tài)為條件，下游模擬長度應保證上下游引航道口門區(qū)相應位置河床下游流態(tài)的相似性，并滿足過流流量及水流能量損失的相似要求.模型的建筑物采用模塊化設計，以便于修改.

模型的上下游要保證足夠的長度以確保上下游水流的平穩(wěn)過渡和水位控制，設置消能與水位調節(jié)控制裝置.模型上游安裝量水堰測量控制樞紐的泄流量，并設消浪墻與滾水壩用以消能與平順水流，使得模型樞紐上游來流相似.模型下游邊界采用插板式尾門以控制調節(jié)水位.

1.2 試驗條件與測量手段

試驗條件根據(jù)船閘通航運行條件確定.肖家橡膠壩壩頂高程149.2m，壩前水位達到最高通航水位149.7m時，壩頂溢流流量80m3/s，超過此水位時，橡膠壩塌壩運行;徐家橡膠壩壩頂高程147.4 m，壩前水位達到最高通航水位147.9 m時，壩頂溢流流量80m3/s，超過此水位時，橡膠壩塌壩運行.肖家船閘樞紐運行時的典型水位組合為:上、下游最高通航水位149.7和147.9 m，水位差1.8 m;上、下游正常通航水位149.2和147.4 m，水位差為1.8 m;上、下游最低通航水位149.0和147.2m，水位差為1.8m.徐家船閘樞紐運行時的典型水位組合為:上、下游最高通航水位147.9和146.8 m，水位差1.1 m;上、下游正常通航水位147.4和145.6m，水位差為1.8 m;上、下游最低通航水位147.2和144.8 m，水位差為2.4 m.試驗采用挪威Nortek AS公司生產的三維ADV流速測量系統(tǒng)對河道流速、引航道進出口口門區(qū)流態(tài)復雜區(qū)域的流速進行測量，采樣頻率為25 Hz，量程為0.5～400cm/s，具有較高的測量精度.在模型上游采用矩形薄壁量水堰測控流量.

2 原設計方案試驗

2.1 肖家船閘樞紐原設計方案試驗

由船閘總體設計規(guī)范［1］可知，在沒有足夠資料的情況下，引航道、口門區(qū)的中心線與河流主流流向之間的夾角不宜大于25°.但因桃花江旅游景觀船閘布置上受到樞紐地形與河道防洪的限制，肖家船閘上、下游引航道與桃花江主流方向的夾角為56°與42°，顯然不滿足規(guī)范要求.由試驗結果可知，船舶以主河道為航跡線航行時，上游口門區(qū)主河道流速約為0.44～0.54 m/s，其橫向流速為0.34～0.40m/s，且上游口門最近處離橡膠壩壩軸線僅50m;下游口門區(qū)主河道流速約為0.59～0.70m/s，相應橫向流速為0.21～0.49 m/s，均不滿足規(guī)范要求(≤0.25m/s).游船最不利的航行條件是最高通航水位，當船舶從上游向下游行駛時，由于橫向流速較大，難以調整航向安全駛入引航道，以致主流將船舶直接帶到橡膠壩前而導致翻船，存在著較大的不安全因素.

最高通航水位時，上下游口門附近主河道中平行于航線的縱向流速均小于1.0m/s，滿足相關規(guī)范要求(≤1.5m/s).船閘閘室進口處引航道存在一較弱回流，回流流速小于0.1 m/s;船閘閘室出口附近引航道內也存在一較弱回流，回流流速小于0.15m/s，也滿足規(guī)范要求(≤0.4 m/s).下游引航道與桃花江主流向的夾角為42°，口門區(qū)平均流速為0.53m/s，不滿足規(guī)范要求.正常水位組合與最低水位組合時，上下游口門區(qū)及航道中各流速均滿足規(guī)范要求.

可見，肖家船閘控制運行條件為最高通航水位組合.在該通航水位條件下，船閘上下游引航道口門區(qū)橫向流速大于0.25m/s，不滿足規(guī)范要求.應減小上游引航道與桃花江的夾角，使肖家船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速滿足規(guī)范要求.同時，使上游引航道口門區(qū)上移，遠離橡膠壩，增大行船通過船閘樞紐的安全系數(shù).

2.2 徐家船閘樞紐原設計方案試驗

徐家船閘樞紐最高通航水位時，上游口門附近河道中平行航線的縱向流速均較小，小于0.7m/s，滿足規(guī)范要求.由于下游引航道與桃花江主流向的夾角較大(34°)，口門區(qū)與主河道交界處河道過流斷面狹窄，且河道水下地形較高，水深相對較淺，河面水流流速較大(1.5m/s)，達到規(guī)范要求最大值，不利于船舶安全行駛.

最高通航水位時，上游口門區(qū)斷面平均流速為0.47～0.48 m/s，相應引航道的橫向流速為0.33～0.35m/s.下游口門區(qū)引航道斷面平均流速為0.81～1.12m/s，其橫向流速為0.53～0.75m/s.可見，船閘上下游引航道口門區(qū)橫向流速大于規(guī)范要求(≤0.25m/s)，上游口門最近處距離橡膠壩很近，僅50m，船舶行駛時存在著較大的不安全因素.

船閘閘室進口處上游引航道存在一較弱回流，回流流速小于0.17m/s;船閘閘室出口處下游引航道也存在一較弱回流，回流流速小于0.16m/s，滿足規(guī)范要求(≤0.4 m/s).

徐家船閘樞紐正常水位組合與最低水位組合時，上下游口門區(qū)與航道中流速均滿足規(guī)范要求.

可見，徐家船閘控制運行條件為最高通航水位組合.船閘上下游引航道口門區(qū)橫向流速不滿足規(guī)范要求.船舶從上游向下游行駛時，由于橫向流速大，難以調整航向安全駛入引航道，以致主流將船舶直接帶到橡膠壩前而導致翻船.所以，應減小上下游引航道與桃花江的夾角，使肖家船閘引航道口門區(qū)橫向流速滿足規(guī)范要求.同時，使上游引航道口門區(qū)上移，遠離橡膠壩，增大船舶過閘的安全性.

船閘下游引航道口門處及下游河道較窄，且水深小，因而河道中流速較大，存在不安全因素;應適當減小下游引航道與主河道的夾角，并疏浚下游口門附近航道，擴大過流斷面，減小河道流速.

3 修改方案試驗

船閘總體設計規(guī)范規(guī)定要求引航道、口門區(qū)的中心線與河流主流流向之間的夾角宜縮小.在沒有足夠資料的情況下，此夾角不宜大于25°.但因桃花江旅游景觀船閘布置上受到樞紐地形與河道防洪的限制，肖家船閘與徐家船閘上下游引航道與桃花江主流方向的夾角較大，肖家船閘為56°與42°，徐家船閘為46°與32°.顯然難以滿足規(guī)范要求.

考慮到:①原設計方案中肖家與徐家船閘上下游引航道口門區(qū)橫向流速較大，超過了規(guī)范要求的最大值;②船閘下游引航道口門處附近河道表面流速較大，特別是徐家船閘下游引航道口門處附近河道較窄，且水深小，河道中平行航線的縱向流速較大，達到規(guī)范規(guī)定的最大值1.5m/s，存在不安全因素，不利于船舶的安全正常航行.針對原設計方案中這些問題，對肖家與徐家船閘設計方案作以下修改:

(1)肖家船閘上游引航道與桃花江夾角由原56°減小至35°，與原設計方案相比，船舶能更平順地進入引航道口門區(qū)，同時將口門附近地形疏浚至引航道高程145.5m.下游引航道與桃花江夾角由原42°減小至28°，與原設計方案相比，船舶行駛航跡線更加平順，同時將口門附近地形疏浚至引航道高程145.5m，詳見圖1(a).

(2)徐家船閘上游引航道與桃花江夾角由原46°減小至30°，與原設計方案相比，船舶行駛航跡線更平順，同時將口門附近地形疏浚至引航道高程143.6m.下游引航道與桃花江夾角由原32°減小至28°，與原設計方案相比，船舶行駛航跡線也更平順些，同時將口門附近地形疏浚至引航道高程143.6m，詳見圖1(b).

圖1 肖家與徐家船閘樞紐上下游引航道修改方案示意圖Fig.1 The modified schemes of the upstream and downstream channels of Xiaojia and Xujia navigation lock projects

3.1 肖家船閘樞紐修改方案試驗

圖2為最高通航水位下肖家與徐家船閘樞紐修改方案的流速分布與航跡線.從圖2可見，上下游主河道中平行航線的縱向流速均不大于1.0m/s，滿足規(guī)范要求(≤1.5m/s).

圖2 最高通航水位肖家與徐家船閘樞紐流速分布與航跡線(修改方案)Fig.2 Velocity distribution and navigation route during the highest navigable stage in Xiaojia and Xujia navigation lock projects(modified schemes)

最高通航水位時，水流主要通過橡膠壩泄流，上游口門附近斷面流速分布呈左岸流速大、右岸流速小的特征.船舶在船閘上游口門附近的航跡線以主河道的斷面平均流速來考慮，則上游口門區(qū)主河道的平均流速為0.39～0.42m/s，相應引航道的橫向流速為0.22～0.24 m/s.因此，當上游引航道軸線與河道主流夾角為35°時，船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速滿足規(guī)范要求(≤0.25m/s)，船舶行駛的航跡線也更平順，增大了船舶行駛的安全性.

船閘閘室進口處引航道存在一較弱回流，回流流速小于0.17m/s;船閘閘室出口處引航道也存在一較弱回流，回流流速小于0.10m/s，均滿足規(guī)范要求(≤0.4 m/s).

下游引航道與桃花江主流向的夾角減小為28°，下游口門區(qū)水流流速與原設計方案接近.下游口門區(qū)引航道的橫向流速為0.20～0.38 m/s，尚不滿足規(guī)范要求，但因受下游公路橋的限制，下游引航道與主河道夾角不宜進一步減小.

最高通航水位時，下游河道左側有一回流，平均流速小于0.29 m/s.正常通航水位組合橡膠壩不過流，上游口門區(qū)最大流速為0.09 m/s，下游航道中最大流速僅0.28 m/s，其橫向流速滿足規(guī)范要求.最低水位組合橡膠壩不過流，上游口門區(qū)最大流速為0.08 m/s，下游航道中最大流速僅0.25m/s，其橫向流速滿足規(guī)范要求.

上述分析表明，在修改方案中，肖家船閘控制運行條件應為最高通航水位組合.在該通航水位條件下，船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速為0.24 m/s，滿足規(guī)范要求.主河道平行航線的流速與船閘閘室進出口附近回流均滿足規(guī)范要求.下游口門區(qū)引航道的橫向流速略大于規(guī)范要求，但受下游公路橋的限制，下游引航道與主河道夾角不宜進一步減小.

3.2 徐家船閘樞紐修改方案試驗

最高通航水位時，上游主河道中平行航線的最大縱向流速均不大于0.7m/s，而下游主河道中平行航線的最大縱向流速不大于1.31 m/s，滿足規(guī)范要求(≤1.5m/s).

上游口門區(qū)斷面平均流速為0.41～0.43m/s，相應引航道的橫向流速為0.19～0.22m/s.因此，方案修改后徐家船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速滿足規(guī)范要求(≤0.25m/s)，且口門向上游移動了約30m，增大了口門與橡膠壩的距離，加大了船舶行駛的安全系數(shù).

船閘閘室進口處引航道存在一較弱回流，流速小于0.11 m/s;船閘閘室出口處引航道也存在一較弱回流，流速小于0.12m/s.兩者均滿足規(guī)范要求(≤0.4 m/s).下游引航道與桃花江主流向的夾角減小為27°，并且對下游口門區(qū)附近河道進行了疏浚，下游主河道最大流速由原設計方案1.5m/s降至1.31 m/s，滿足了規(guī)范要求.

正常通航水位組合下，上游口門區(qū)最大流速為0.09 m/s，下游航道中最大流速僅0.28 m/s，其橫向流速滿足規(guī)范要求.最低水位組合下，橡膠壩不過流，上游口門區(qū)最大流速為0.12m/s，下游航道中最大流速僅0.70m/s;下游口門區(qū)河道平均流速0.27～0.37m/s，其橫向流速滿足規(guī)范要求.

可見在修改方案中，徐家船閘控制運行條件應為最高通航水位組合.在該通航水位條件下，船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速為0.22m/s，滿足規(guī)范要求.由于下游引航道與主河道夾角減小并對河道進行了相應的疏浚，下游口門區(qū)附近主河道平行航線的流速得到有效控制，比原設計方案有了明顯的改善，下游河道流速小于1.23m/s，滿足了規(guī)范要求.下游引航道口門處的橫向流速為0.29～0.40m/s，尚不滿足規(guī)范要求，但因受地形條件的限制，不宜進一步減小下游引航道與桃花江的夾角.

4 結語

(1)原設計方案控制運行條件為最高通航水位組合.考慮船舶在船閘上游口門附近沿航跡線航行，在最高通航水位條件下，2座船閘上下游引航道口門區(qū)橫向流速達到0.35m/s，不滿足規(guī)范要求.且上游口門距溢流壩較近，船舶航行時存在安全隱患.原設計方案徐家船閘下游引航道口門處附近河道較窄，且水深小，下游引航道口門附近平行航線的縱向流速較大，達到規(guī)范規(guī)定的最大值1.5m/s，存在不安全因素.

(2)通過減小橡膠壩泄流量，降低通航保證率來保證船閘的安全運行.試驗得出安全航運時桃花江船閘樞紐橡膠壩的過壩流量為49.3m3/s.在不超過此泄流量條件下，兩船閘上游口門處的橫向流速滿足規(guī)范要求.

(3)修改方案中，肖家船閘在最高通航水位組合條件下，船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速為0.24 m/s，滿足了規(guī)范要求.但下游口門區(qū)引航道的橫向流速為0.20～0.38 m/s，尚不滿足規(guī)范要求，受下游公路橋魯家橋的限制，下游引航道與主河道夾角不宜進一步減小.

修改方案中，徐家船閘在最高通航水位組合條件下，船閘上游引航道口門區(qū)橫向流速為0.22m/s，滿足了規(guī)范要求.下游引航道口門處的橫向流速為0.29～0.40m/s，尚不滿足規(guī)范要求，但因受地形條件的限制，不宜進一步減小下游引航道與桃花江的夾角.由于下游引航道與主河道夾角減小并對河道進行了相應的疏浚，擴大了過流斷面，下游口門區(qū)附近主河道平行航線的縱向流速得到有效控制，滿足了規(guī)范要求.

在以上研究基礎上，提出如下建議:①最不利的航行條件是最高通航水位，當船舶從上游向下游行駛時，由于主河道流速大，可能導致船舶不能及時調整航向駛入引航道，以致主流將船舶直接帶到橡膠壩前而導致翻船.建議根據(jù)實際情況，采取一定的安全防護措施.②由于缺少旅游船舶的航行性能資料，其適應的縱橫向水流流速是參照了Ⅴ～Ⅶ級船閘的標準，因此，其實用性尚待在原型實際運用中進行檢驗.

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