郁江貴港樞紐二線船閘上引航道口門區(qū)通航水流條件試驗(yàn)研究

張緒進(jìn) 寧 武,2 周家俞

1.重慶交通大學(xué)，重慶 400016

2.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530028

前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是長江、西江黃金水道的建設(shè)步伐加快，航道等級逐步提高、船舶尺度也向著大型化發(fā)展，原有航電、電航樞紐所設(shè)計(jì)的通航建筑物尺度已不能適應(yīng)現(xiàn)在和未來的發(fā)展要求，需在原有通航建筑物的同側(cè)或異側(cè)擴(kuò)建二線船閘，按相關(guān)規(guī)范兩船閘閘室軸線須保持一定的安全距離，上、下引航道采用一、二線共用還是分離布置，將取決于引航道口門區(qū)的通航水流條件，通常在船閘引航道及口門區(qū)水域內(nèi)，存在主河道進(jìn)入引航道的斜向水流和引航道內(nèi)形成回流，如何改善和解決斜流和回流的強(qiáng)度和范圍，即使引航道及口門區(qū)通航水流指標(biāo)能夠滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，又使設(shè)計(jì)通航建筑物布置經(jīng)濟(jì)合理，是需要迫切研究的問題。本文主要對廣西貴港二線船閘上引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行探討性研究。

1 工程概況

貴港航運(yùn)樞紐工程位于廣西郁江干流中游，樞紐下距貴港市6.5km，距上游西津水電站104.3km，距下游桂平水電站110km，是廣西郁江綜合利用規(guī)劃十個(gè)梯級中的第九個(gè)梯級，其上游與西津樞紐相接，下游與桂平水電站工程相連，是一座以航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，兼顧其他效益的水資源綜合利用的水利樞紐工程。

貴港航運(yùn)樞紐主要由船閘、18孔泄洪閘、電廠及開關(guān)站等四部分組成，船閘位于河槽右岸的灘地上，泄洪閘位于主河槽中部，電廠及開關(guān)站位于主河槽的左岸。船閘為單級船閘，設(shè)計(jì)過閘船隊(duì)為2列1頂2×1000t船隊(duì)，閘室有效尺度為190×23×3.5m（閘室有效長度×有效寬度×門檻水深，下同），其上引航道長1300m，下引航道長560m。

二線船閘布置于一線船閘右側(cè)約120m處，需通過開挖河漫灘形成。由上、下游引航道和上、下閘首及閘室三部分組成。船閘中心線與樞紐壩軸線呈約22°交角。進(jìn)出閘方式為曲線進(jìn)閘直線出閘，引航道布置方式為不對稱型，閘室有效尺度為280×34×5.6m，上引航道底高程為35.5m，下引航道底高程為23.4m，引航道底寬75m，上游引航道進(jìn)口段與一線船閘共用，于郁江大橋處采用一隔流堤壩將二者共用上引航道分開，堤壩長約560m。

2 通航標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)航運(yùn)規(guī)劃，貴港樞紐河段航道等級為Ⅲ級，按照《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，其設(shè)計(jì)最高通航流量采用洪水重現(xiàn)期為10年一遇標(biāo)準(zhǔn)，即Q=13400m3/s（P=10%），口門區(qū)縱向流速不超過2.0m/s，橫向流速不超過0.3m/s，回流流速不超過0.4m/s。

3 模型設(shè)計(jì)

貴港航運(yùn)樞紐二線船閘位于彎曲河段，該河段河床寬約270m～350m，河床右岸分布高漫灘與廣闊的階地，岸坡平緩。左岸為河道凹岸，右岸為凸岸。模型設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在樞紐上、下游留有足夠長的調(diào)整過渡段，使研究河段的水流流態(tài)及流速分布達(dá)到相似，采用1：100的正態(tài)比尺，模型范圍是從壩軸線上游約4.2km開始至壩軸線下游約4km止，模型實(shí)際模擬了長約8.2km的原型河段。

圖1 貴港樞紐二線船閘總體平面布置圖

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 原方案上引航道口門區(qū)通航水流條件

圖2 船閘上引航道原設(shè)計(jì)布置方案

根據(jù)設(shè)計(jì)擬定的水庫運(yùn)行方式，試驗(yàn)觀測了上游來流量Q≤7080m3/s時(shí)，電站發(fā)電，水庫在蓄水位41.1m～43.1m運(yùn)行的各級流量情況下的船閘上引航道口門區(qū)的流速分布，結(jié)果分析表明：各級流量情況下，由于上游來流量相對較小，壩前水位較高，庫區(qū)水流較為平緩，船閘上引航道口門區(qū)水流流速較?。ㄗ畲蟊砻媪魉偌s為1.6m/s），且上引航道口門區(qū)無泡水、漩水等不良流態(tài)，其縱、橫向流速值均滿足安全通航的要求，設(shè)計(jì)船隊(duì)可安全進(jìn)出上引航道口門區(qū)。

同時(shí)也觀測了當(dāng)上游來流量7080m3/s

由此可見，在壩前水位保持正常蓄水位電站發(fā)電的中低流量，貴港二線船閘上引航道口門區(qū)通航水流指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求，但隨著流量增大（Q>9000m3/s）時(shí)，引航道口門區(qū)橫向水流加強(qiáng)，引航道內(nèi)也有較大范圍的回流產(chǎn)生，通航水流指標(biāo)難以滿足規(guī)范要求，需對口門布置進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

4.1 修改方案1上引航道口門區(qū)通航水流條件

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，通航水流指標(biāo)不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，分析其原因是：上引航道口門布置不盡合理，即上引航道軸線與主流之間的夾角較大，同時(shí)二線船閘上引航道通過開挖右岸岸坡形成，在口門處河面寬度增加，水流變緩，整個(gè)引航道呈“口袋”型，且在堤頭位置存在動靜水交錯，靠右側(cè)水流在堤頭處迅速左撇進(jìn)入主航道，使引航道內(nèi)成為緩流區(qū)。因此，試驗(yàn)探索將原一線分水墻進(jìn)行縮短158m，并在引航道內(nèi)修筑導(dǎo)水墻將兩線船閘引航道分離，使上引航道及口門區(qū)下移。

圖2 船閘上引航道布置方案（修改方案1）

按照水庫運(yùn)行方式，在流量Q≤7080m3/s時(shí)，電站發(fā)電，水庫按蓄水位41.1m～43.1m運(yùn)行時(shí)，各級流量情況下，引航道及口門區(qū)縱、橫向流速值均滿足安全通航的要求，設(shè)計(jì)船隊(duì)可安全進(jìn)出上引航道口門區(qū)。

在流量Q=9000m3/s時(shí)，電站停機(jī)，全閘敞泄時(shí)的情況下，船閘上引航道口門區(qū)的流速分布，觀測發(fā)現(xiàn)：因一線引航墻短，口門區(qū)范圍下移，口門寬度也有所增加，利于行船，但此時(shí)引航道軸線與河道主流夾角明顯大于一線引航墻較長的情況，使橫向流速表現(xiàn)明顯。

一、二線船閘引航道內(nèi)水流條件大為改善，橫流、回流大幅減弱，但受河勢和堤頭布置不盡合理的影響，口門區(qū)仍存在較強(qiáng)的橫流，其中一線船閘分水墻上游250m范圍內(nèi)橫流達(dá)0.7m/s以上，二線船閘口門區(qū)120m河段的橫向流速也達(dá)0.5m/s左右，超過相關(guān)規(guī)范的允許值。

4.2 修改方案2上引航道口門區(qū)通航水流條件

通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引航道內(nèi)回流范圍和強(qiáng)度是明顯減小，但是出于兩堤頭處的橫流依然明顯，尤其是流量Q>9000m3/s時(shí)，船舶進(jìn)出一、二線船閘引航道較為困難。

分析其原因是：通過縮短分水墻以及在引航道內(nèi)部修筑隔水堤，使引航道口門區(qū)均有不同程度的下移，內(nèi)部回流減小，但是由于整個(gè)引航道口門區(qū)處于“S”型彎道過渡段，下移口門區(qū)和引航道，即增加了引航道軸線與主流之間的夾角α，表現(xiàn)為橫向流速Vy=Vx.sinα增大，難以滿足通航水流指標(biāo)要求。

鑒于以上原因，修改方案2作了如下調(diào)整：①一、二線船閘共用引航道，中間不設(shè)隔流堤；②局部封堵原一線船閘左側(cè)透空分水墻，封堵長度103.5m，同時(shí)在距分水墻根部30m處，開鑿寬20m，頂高程40.0m的缺口以排漂；③為減小上引航道中心線與水流間的夾角，將原一線船閘左側(cè)透空分水墻加長120m（實(shí)體結(jié)構(gòu)），方向與透空分水墻呈4°偏向右岸；④調(diào)整上引航道右側(cè)開挖邊線，口門寬度為162m；

圖2 船閘上引航道布置方案（修改方案2）

試驗(yàn)觀測表明：當(dāng)上游來流量Q=9000m3/s時(shí)，船閘上引航道口門區(qū)除個(gè)別點(diǎn)(堤頭上游靠河心側(cè)100m×50m)外，其縱向流速多在2.0m/s左右，橫向流速約0.3m/s，回流流速在0.4m/s左右，基本滿足通航水流條件要求；隨著上游來流量的增加，上引航道口門區(qū)縱、橫向及回流流速亦隨之增大。在流量Q=11700m3/s（五年一遇）情況下，上引航道口門區(qū)各項(xiàng)流速指標(biāo)，除左側(cè)航道邊緣（堤頭附近靠河心側(cè)100m×50m）局部流速超標(biāo)外，其余區(qū)域基本滿足規(guī)范要求。當(dāng)流量Q=13400m3/s時(shí)，口門區(qū)縱向流速達(dá)2.3m/s左右，堤頭附近(堤頭上游靠河心側(cè)100m×50m)橫向流速超標(biāo)范圍有所擴(kuò)大，但右側(cè)約80m寬水域內(nèi)，其橫向流速和回流流速基本滿足規(guī)范要求。

而且模型通過浮漂法試驗(yàn)表明，在汛期，從上游河道來的垃圾、雜草等漂浮物進(jìn)入上引航道的絕大多數(shù)漂浮物均沿分水墻內(nèi)側(cè)下移，到導(dǎo)航墻根部開口位置附近，基本上從缺口通過后進(jìn)入主河道，而不會停滯在上引航道內(nèi)，起到了較為明顯的排漂減漂作用，基本能夠解決目前的漂浮物問題。

5 結(jié)語

郁江貴港航運(yùn)樞紐工程作為山區(qū)河流而言，其河道窄深、上引航道口門區(qū)處于“S”型彎道過渡段附近，通航水流條件較為復(fù)雜，通過水工模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

（1）貴港一、二線船閘上引航道宜采用共用引航道原則，船舶進(jìn)出相互產(chǎn)生較大干擾，有利于通航安全。

（2）船閘口門區(qū)通航水流條件與河段河勢條件及閘門運(yùn)行調(diào)度方式等密切相關(guān)

（3）)修改方案2通過加長上游引航墻長度，并調(diào)整右岸岸坡開挖邊線，使其口門區(qū)通航水流條件有80m寬水域能滿足規(guī)范要求，值得同類船閘借鑒。

[1]廣西郁江貴港航運(yùn)樞紐二線船閘工程水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所[R]，2010.12

[2]廣西郁江貴港航運(yùn)樞紐二線船閘工程船模通航試驗(yàn)研究報(bào)告[R].重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所[R]，2010.12

[3]船閘總統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]，JTJ305-2001