桂平航運樞紐二線船閘平面布置研究

劉俊濤

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

桂平航運樞紐位于西江航運干線郁江下游，水路上通貴港、南寧、百色、龍州，下達梧州、廣州、香港、澳門，是我國西部地區(qū)物資經左江、右江、西江水運以及南昆鐵路大宗散貨經貴港中轉至梧州、廣州、香港、澳門的必經之地。桂平航運樞紐工程于1989年完工，與樞紐同期建成并投入使用單線單級Ⅲ級船閘，船閘閘室有效尺度為190 m×23 m×3.5 m（長度×寬度×門檻水深，下同），通航1+2×1 000 t級頂推船隊，年設計通過能力為 1 100×104t。

擬建的二線船閘位于一線船閘右側，按3 000 t級船閘等級設計，船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×5.6 m。當航道達到Ⅱ級航道標準、通航2 000 t級船舶時，設計通過能力為2 700×104t/a；當貴港以下航道擴建為Ⅰ級航道、通航3 000 t級船舶時，設計通過能力為3 100×104t/a［1］。

為確定二線船閘合理的平面布置工程方案，開展了定床整體水工物理模型試驗和遙控自航船模試驗，通過研究二線船閘上下游引航道口門區(qū)和連接段航道通航水流條件和船模航行條件，提出桂平二線船閘的工程布置推薦方案。整體水工物理模型設計為正態(tài)定床，模型比尺為1：100，模型包括3個河段，郁江河段進口始于樞紐壩址上游2 450 m處，黔江河段進口始于郁江口上游1 300 m處，出口位于潯江，距郁江口1 400 m，模擬范圍全長約9 km。遙控自航船模幾何比尺為1：100，代表船型為1+2×1 000 t級船隊、1+2×2 000 t級船隊和3 000 t級貨船，船型尺度分別為166.0 m×10.8 m×2.0 m（長度×寬度×吃水，下同）、185.0 m×16.2 m×2.6 m 和 90.0 m ×16.2 m × 3.6 m［2］。

1 河段概況

桂平航運樞紐坐落在郁江口的上游河段（圖1），該河段平面形態(tài)彎曲，由3個連續(xù)的彎道所組成，樞紐河段洪水河寬約350 m，沿程變化不大，斷面形態(tài)為“U”形，河槽中沒有明顯的邊灘。

郁江和黔江在桂平匯合后而稱為潯江，在郁（右）、黔（左）匯合段，洪水河寬達1 200 m，枯水河寬僅300 m。在匯流段的左岸有較為高大的沙洲，在黔江口的右側岸邊有子沙、棋盤石等礁石群。黔江枯水主槽穿越左側邊灘和右側礁石群間，與郁江主槽相會后依傍潯江的右岸邊延向下游。該匯流河段即為羊欄灘，枯水水深淺，中洪水水流條件復雜，船舶航行困難［3］。

桂平航運樞紐位于西江航運干線郁江口上游2.4 km，其水工建筑物和通航建筑物采用分散布置形式。桂平樞紐的大壩坐落在主彎道的彎頂稍上游河段，右側為徑流式電站，左側為泄水閘，中間設置隔流堤。樞紐枯水期正常擋水位為30.5 m，死水位為28.6 m，最大設計水頭11.69 m。同期建設一線船閘布置在中間彎道的凸岸一側臺地上，上、下游引航道分別和上、下彎道的彎頂附近銜接。

圖1 桂平二線船閘設計方案平面布置圖Fig.1 Plane layout of second line ship lock design plan of Guiping navigation junction

2 河段水流特性分析

為解決桂平二線船閘平面布置問題［4］，從安全角度考慮，選擇通航條件較為不利的11個試驗流量級進行試驗，研究了本河段工程前水流特性和樞紐調度方式對船閘上下游口門區(qū)通航水流條件的影響，試驗流量見表1。

表1 試驗流量一覽表Tab.1 Test flow list

2.1 工程前通航水流條件

上游口門區(qū)河段位于桂平庫區(qū)，一線船閘導航墻堤頭距彎頂下游約500 m，該處洪水河寬約500 m。在堤頭稍上游的左側150 m處存在一片礁石區(qū)，高程約在25.0 m，最高處為26.2 m。該礁石區(qū)對坐彎橫越口門區(qū)的水流有明顯的頂托作用，有效的減小了橫越口門區(qū)的單寬流量，有利于上游口門區(qū)的通航水流條件。

在⑦流量條件下，樞紐上、下游水位差約2.0 m，此流量下庫區(qū)水位還有抬高因而流速不大，主流區(qū)的縱向流速一般都小于2.0 m/s。在小于⑦流量條件下，由于水庫水位較高，水庫上游流速更小。觀察試驗表明，導堤存在一定的挑流作用，這說明在口門區(qū)存在一定的橫向水流，若這一橫向水流強度較大，將對船舶進出上游船閘引航道產生不利的影響。

一線船閘下游口門區(qū)河段也位于彎道河段。下導航墻堤頭上距彎頂約400 m，洪水河寬約350 m左右。從堤頭斷面開始，下深槽沿凹岸（右岸）一側岸邊向下游延伸直至郁、黔江匯流口，該深槽最深處高程約為0.0 m。導航墻堤頭明顯凸入河槽從而起著一定的挑流作用。試驗結果顯示：當流量小于③時，下游口門區(qū)河段縱向主流流速均在1.00 m/s以下，口門區(qū)最大橫向流速為0.48 m/s，位于航中線的左側。當流量為④時，下游口門區(qū)河段主流流速一般在1.50 m/s左右，最大流速接近2.00 m/s，口門區(qū)縱向流速超過1.00 m/s，橫向流速最大值為0.64 m/s，橫向流速超標范圍進一步擴大。當流量為⑤時，由于該流量級郁江匯流比較小，黔江來流對郁江頂托作用明顯，口門區(qū)河段的主流縱向的流速在1.00 m/s左右，口門區(qū)橫向流速大小和流量③接近。當流量為⑥時，下游口門區(qū)河段主流流速一般在2.00 m/s左右，最大流速為2.50 m/s；口門區(qū)最大流速為1.85 m/s，橫向流速最大值接近1.00 m/s，橫向流速超標范圍幾乎覆蓋整個口門區(qū)航道。當流量為⑦時，下游口門區(qū)河段主流流速最大達3.31 m/s，一般在2.50 m/s左右；口門區(qū)最大流速為2.45 m/s，橫向流速最大值為1.19 m/s，橫向流速超標范圍同樣幾乎覆蓋整個口門區(qū)航道。

試驗表明，各級流量下水流動力軸線走向基本一致，在堤頭上、下游附近，動力軸線偏左岸，在堤頭下游約750 m左右動力軸線則過渡到臨右岸礁石群。水流在上彎道作用下貼左岸，在慣性力的驅使下繼續(xù)沿左岸一側向下，直至下彎道頂部附近由左岸折轉到右岸，這種動力條件有利于通航。

李一兵等通過研究認為［5］，要滿足船舶安全航行的要求，同岸連接的連接段航道內水流條件應滿足：縱向流速≤2.5 m/s；橫向流速≤0.45 m/s。對于異岸連接的連接段來說，連接段與主流的交角應盡可能減小，并控制在20°以內。當主流流速為2.0 m/s時，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級船閘的連接段與主流的交角不宜大于20°；當主流流速為2.5 m/s時，Ⅲ、Ⅳ級船閘的連接段與主流的交角不宜大于15°，而Ⅴ級船閘的口門區(qū)與主航道應盡量布置在同一岸。

2.2 樞紐調度方式對口門區(qū)影響試驗

洪水期樞紐屬于敞泄式泄流，此時出庫流量對上下游流速有明顯的影響，從偏于不利角度考慮，選用⑦作為代表流量開展試驗。

在保持壩上水位不變的條件下，根據泄水閘開啟位置的不同，分別進行了集中開左側、右側、中間3組試驗。試驗結果表明，泄水閘不同的開啟組合對上下游口門區(qū)附近流速沒有明顯影響。分析表明，上游口門區(qū)位于樞紐上游1 000 m以外，水面寬闊，主流遠離口門區(qū)，因此樞紐不同的泄水方式對上游口門區(qū)水流的影響已經大大的減弱。下游口門區(qū)距樞紐2 700 m，在彎道的調節(jié)作用下，經過如此長距離的調整，下游口門區(qū)的流速分布無明顯不同，樞紐的調度方式對下游口門區(qū)流速分布無明顯影響。

3 設計方案試驗

3.1 工程布置

擬建的桂平航運樞紐二線船閘位于一線船閘右側，共包括上下引航道、上下游口門區(qū)以及船閘主體3個部分。引航道由停泊段、調順段和導航段組成；船閘主體由上下閘首和閘室組成。二線船閘設計為3 000 t級，閘室有效尺度為280 m×34 m×5.6 m，上下閘首分別長40 m和45 m。一、二線船閘共用口門區(qū)和部分引航道，口門寬度135 m，口門區(qū)航道底寬110 m（圖1）。

3.2 試驗結果

（1）上游口門區(qū)。上游口門區(qū)位于桂平庫區(qū)，在郁江來流10 000 m3/s以下時，上、下游存在一定的水位差，上游水深大，流速??；10 000 m3/s以上時，水庫敞泄，上、下游幾乎沒有明顯水位落差，上游口門區(qū)河段水流運動呈天然狀態(tài)。在各級流量下上游口門區(qū)航道內縱向流速均小于2.0 m/s；口門處存在橫越水流，口門區(qū)航道內存在范圍不大的橫向流速超標區(qū)，口門區(qū)航道內無明顯回流；各級流量條件下3種船模進出二線船閘均較為順暢，受一、二線船閘之間隔流堤的影響，在⑥、⑦、⑧流量條件下進、出一線船閘存在一定困難。

（2）下游口門區(qū)。下游口門區(qū)試驗除⑤流量外，其他流量級黔江來流對郁江來流的頂托作用均較小，在這種流量組合下，口門區(qū)通航水流條件相對較差。

郁江流量超過733 m3/s時，下引航道口門附近橫向流速不滿足《內河通航標準》規(guī)定的不應大于0.3 m/s的要求，并且隨著流量的增大橫流的范圍和強度均有所增大，在流量為6 600 m3/s時達到最大，此時距堤頭以下200～800 m范圍內，橫向流速在0.7 m/s以上，最大達1.19 m/s。

下游引航道口門附近主流靠近左岸（遠離口門），在距堤頭750 m處貼右岸而下，斜流貫穿距堤頭500～750 m整個航道；當郁江流量大于6 600 m3/s時，下游口門區(qū)縱向流速不滿足《內河通航標準》規(guī)定的不應大于2.0 m/s的要求，最大達2.77 m/s。

在河勢的控制作用下，并受右岸大幅度開挖的影響，在距堤頭100～350 m處形成2個主回流區(qū)，呈此消彼漲之勢。在不受黔江來流頂托作用的影響下，隨著流量的增大主回流區(qū)范圍和強度均增大，在⑥流量組合時達到最大，并在回流區(qū)的邊緣產生了泡漩水。

在⑨流量組合下，郁江為5 a一遇設計洪水流量（郁江流量為11 850 m3/s），郁江江口段航道內最大縱向流速約3.0 m/s，最大橫向流速約為1.0 m/s，通航水流條件很差。

船模航行試驗結果顯示，在①和③流量組合條件下，船模均可順利通過下游口門區(qū)進出引航道；在⑥、⑦、⑨流量組合條件下，船模在通過下游口門區(qū)航段時航行困難。

4 修改方案試驗

研究表明，桂平二線船閘上游通過縮短一、二線船閘之間隔流堤基本能夠解決問題，但下游問題較為復雜，下游口門區(qū)航段在郁江分流比大時通航水流條件較差。分析結果表明，影響下游口門區(qū)通航水流條件問題主要有兩方面，一個方面為實體導航墻的掩護在口門區(qū)形成較強的回流和斜流，另一個方面受上游河勢和口門區(qū)河段河勢的影響，水流主流動力軸線從上游的彎道河段的偏左過渡到下游（口門區(qū)河段）彎道河段的偏右，產生由左向右的斜流，受此影響，形成了這種較為不利的通航水流條件。

4.1 修改方案認識性試驗

為解決下游口門區(qū)通航水流條件，選用最不利流量組合⑦開展了6組不同類型方案的認識性試驗，試驗情況如下：

（1）順向導流墩方案。沿外導航墻堤頭布設6座順向導流墩，導流墩長25 m，寬5 m。各導流墩間距25 m。試驗結果顯示口門區(qū)河段的主流受導流墩的挑流作用發(fā)生了左移，左側流速略有增大，右側流速略有減小?；亓鞣秶鷾p小至100 m，強度減弱至0.4 m/s。

（2）逆向導流墩方案。在順向導流墩的基礎上順時針旋轉70°，導流墩軸線與主流呈120°夾角，導流墩尺度不變。試驗結果顯示導流墩引入的水流加大口門區(qū)橫流，最大橫向流速達到1.2 m/s，在導流墩下游形成長約300 m的回流區(qū)，并伴有泡漩水，口門區(qū)內最大回流流速為0.6 m/s，不滿足《內河通航標準》規(guī)定的口門區(qū)內回流流速不應大于0.4 m/s的要求。

（3）潛壩方案。在距堤頭下游200 m、300 m和450 m處的河道右側深槽段建3條潛壩，壩頂高程14.7 m。由于該流量級屬于洪水流量，水深較大，潛壩對整個過水斷面面積的影響不大，該方案效果不明顯。

（4）丁壩+導流墩方案。在順向導流墩方案的基礎上，于河道左岸距口門上游200 m、450 m、700 m處修建3條正挑丁壩，壩頂高程高于水面，控制洪水河寬在230 m左右。丁壩將洪水河寬壓縮了約1/3，整個工程區(qū)的流速增加很多，最大流速達到4.2 m/s，受此影響，導流墩引入航道內的流量增大，流速明顯增大，最大橫向流速為0.8 m/s，口門下游500 m處航道內最大縱向流速達到3.0 m/s。

（5）切堤方案。將下引航道左側堤頭切除60 m，切除部分底高程為21 m。部分堤頭切除后，對水流的掩護作用明顯減弱，主流頂沖點上移約100 m，位于原堤頭下游400 m處；回流強度有所增大，口門區(qū)內最大回流流速為1.03 m/s，口門區(qū)以外航段內水流沒有變化。

（6）下延外導航堤方案。下游外導航堤沿航線走向下延162 m，導航堤頂部采用斜坡式設計，堤頭頂高程為25 m。由于外導航堤頭的下延，堤頭更加靠近主河道的主流，導航堤的挑流作用得到加強；主流在越過導航堤之后受左岸的擠壓向右急速擴散，在原堤頭以下600 m處貼近右岸，此段航道內的流速達到3.1 m/s；受此影響，在原堤頭以下200～600 m的航道內形成強度較大的順時針回流，最大回流流速達到1.18 m/s，最大橫向流速接近0.70 m/s。

4.2 修改方案試驗

修改方案認識試驗結果顯示，順向導流墩對口門區(qū)水流有很好的調整作用，能夠有效減小口門區(qū)的回流范圍和強度，減小水流與航道的交角，減小航道內橫向流速，改善船閘下游口門區(qū)通航水流條件。但對于導流墩的布置形式，包括導流墩整體走向、導流墩之間的間距、導流墩與水流的交角、導流墩的長度以及各座導流墩的排列形式還需要通過試驗研究確定。

修改方案試驗主要針對以上內容對導流墩進行優(yōu)化布置，通過水流試驗對導流墩合理的布置形式進行深入的研究，并提出滿足設計要求的推薦方案。

下游口門區(qū)范圍內水流受導流墩的影響較大，口門區(qū)以下河段受河勢的控制作用較強，因此，在研究導流墩布置對口門區(qū)通航水流條件的影響試驗中，選擇口門至口門以下300 m水域作為重點觀測試驗區(qū)。

該試驗在設計方案基礎上，切除下導航堤60 m，底高程降至21 m，沿下導航堤布置導流墩。導流墩斷面采用平行四邊形設計，長邊為25 m，寬度為5 m，內角為45°，頂高程41 m。導流墩之間平行布置，并且采用相同的間距。導流墩整體走向與右岸略有夾角，靠近堤頭部分導流墩右側距航道右邊線約180 m，末尾導流墩距航道右邊線約165 m。針對導流墩不同的布置形式，開展了最不利流量組合⑦下的水流條件試驗。

試驗結果顯示，導流墩對口門區(qū)水流有較強的調整作用，不同的布置形式會產生不同的效果，導流墩與主流的交角對口門區(qū)回流有明顯影響。

（1）導流墩間不同間距試驗結果。

導流墩間距的變化對口門區(qū)水流有一定的影響。導流墩間距過大，水流會直接穿過導流墩之間的空隙，消弱導流墩的導流效果；間距過小，會強化導流墩引流效果，從而造成口門區(qū)航道內橫向流速增大，試驗結果表明導流墩間距以一倍導流墩長度為宜。研究結果見表2。

（2）導流墩與主流不同夾角試驗結果。

導流墩與主流的不同夾角對口門區(qū)回流的影響最大，特別是末尾導流墩對水流的調整作用最強。與主流的夾角超過40°時，末尾導流墩后產生了強烈的泡漩水，并影響到口門區(qū)航道內的水流條件；與主流的夾角小于0°時，導流墩主要起挑流作用，回流區(qū)隨之下移到導流墩的下游，回流強度也相應的增大，并且在導流墩右側口門區(qū)水域衍生出逆時針回流，使回流區(qū)域大大增加。所以，導流墩與主流的夾角不能過大，特別是末尾導流墩，與主流的夾角以30°左右最優(yōu)。

（3）不同座數導流墩試驗結果。

導流墩整體布置不宜過長或過短，過長會使導流墩更加接近主流，增強導流墩的引流效果，使得口門區(qū)航道的橫流增大，并且墩后易產生泡漩水，直接影響到航道內的通航水流條件；過短則起不到調整水流的效果，研究表明導流墩應以5、6座為宜。

（4）導流墩長邊尺寸及導流墩整體布置試驗結果。

試驗結果顯示，導流墩長邊尺度以20～25 m為宜，若長度過小，水流輕易繞過導流墩，失去調整水流的作用。導流墩整體走向應沿外導航堤頭向下，與二線船閘右岸呈10°交角，在保證船閘口門航道寬度的前提下，盡量增大左側錨地的河寬?？紤]到導流墩后擾流的影響，導流墩右側邊至航道左邊線的距離保持在30 m以上。

表2 導流墩間不同間距試驗結果Tab.2 Test results of different spacing distances of diversion piers

表3 導流墩與主流不同夾角試驗結果Tab.3 Test results of different angles between diversion pier and mainstream

4.3 推薦方案試驗

根據導流墩布置型式試驗結果，確定推薦方案采用切堤頭+導流墩組合，具體調整如下：①堤頭切除60 m，底高程為21 m；②沿航道布置5座導流墩，導流墩截面為邊長20 m，厚度為5 m，內角為45°的平行四邊形。導流墩整體長200 m，導流墩間距由內向外遞減，與水流的交角也逐步變小，工程布置見圖2。

圖2 推薦方案工程布置圖Fig.2 Layout of recommended engineering proposal

試驗結果表明：

（1）枯水流量條件下，下游口門區(qū)及其以下河段航道通航水流條件均比較好，流速指標基本都滿足通航要求。

（2）中水流量條件下，下游航道內縱向流速不超過2.5 m/s，口門區(qū)回流流速不超過0.4 m/s。

（3）洪水流量條件下，主流沿斷面橫向分布比較均勻，主流取直而下，水動力軸線比較平滑，口門區(qū)正好位于緩流區(qū)，口門區(qū)內回流的最大流速不超過0.3 m/s；下游航道內的縱向流速均比較大，尤其在口門以下800～1 000 m范圍內流速超過了3.0 m/s，此段航道的右側存在回流區(qū)。

（4）主流在口門下游400～700 m段由左側過渡到右側，在此范圍內水流與航道軸線的夾角最大；在800 m處主流完全過渡到右岸，受左岸凸嘴的影響，使得此段水流流速最大，并且在凸嘴后形成回流區(qū)，回流區(qū)的大小隨著流量的增大而減小。

（5）口門區(qū)位于主流擴散區(qū)的上游，受此影響，口門以下250～450 m的左側航道在中水流量條件下橫向流速偏大，口門區(qū)其他航段的橫流流速小于0.3 m/s，滿足通航的要求。

（6）船模航行試驗結果表明，該方案能夠較好的解決下游口門區(qū)的通航水流條件問題，特別是導流墩引入的水流，不但破壞了回流，也部分扶正堤頭下游300 m處的斜流?？菟诖Ｄ茼樌ㄟ^船閘下游口門區(qū)及郁江航段，中、洪水期由于堤頭下游500 m以下區(qū)域的斜流較大，船模下行經過此處時被擠到靠右岸，占用了上行船舶的航道［6］。但是由于洪水期滿足航深的水域廣闊，不考慮會船時船模只要注意提前操左舵掛高船位，便能順利駛出郁江口。

5 結論

通過開展多組通航水流條件試驗和遙控自航船模試驗，對桂平航運樞紐二線船閘上下游口門區(qū)的通航水流條件進行研究，主要研究結論如下：

（1）設計方案試驗表明：上游口門區(qū)通航水流條件能夠滿足要求，但引航道內上隔流堤偏長，縮短隔流堤后，在各級流量條件下，1 000～3 000 t級4種船模都能順利通過上游口門區(qū)進出一、二線船閘。

（2）不同類型修改方案認識性試驗結果表明：順向導流墩能有效減弱口門區(qū)回流強度，對改善口門區(qū)通航水流條件有非常重要的作用。順向導流墩將主流斜向導入回流區(qū)，引入的水流有效地壓制和破壞了回流，在破壞回流的同時，該水流沿設計航槽運動，一定程度減小了主流與設計航槽的流向角，改善了航道內的通航水流條件。

（3）導流墩型式選擇試驗結果表明：導流墩截面長邊尺度應在20～25 m為宜，導流墩間距為一倍于導流墩長邊尺度較為合適，末尾導流墩與水流的交角不宜過大，應保持在20°左右，導流墩座數以5、6座較佳。

（4）推薦方案試驗結果表明：采用切導堤并布置5座順向導流墩的方案能夠較好改善船閘下游口門區(qū)通航水流條件，基本滿足船模安全進出船閘下引航道的要求。

［1］劉俊濤,黎國森,李旺生.西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘工程整體水工模型試驗報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所,2006.

［2］劉俊濤,李一兵.西江干線貴港—梧州—郁南航道工程關鍵技術研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所,2011.

［3］龐雪松,潘榮友,曹民雄,等.長洲樞紐變動回水區(qū)匯流河段羊欄灘航道整治研究［J］.水運工程,2012（1）：132-137.PANG X S,PAN R Y,CAO M X,et al.Channel regulation of Yanglantan beach in the confluence reach of Changzhou hub fluctuating backwater area［J］.Waterway Engineering,2012（1）：132-137.

［4］劉俊濤,黎國森,李旺生.桂平航運樞紐二線船閘工程建設關鍵技術研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所,2011.

［5］李一兵,江詩群,李富萍.船閘引航道口門外連接段通航水流條件標準［J］.水道港口，2004（4）：179-184.LI Y B，JIANG S Q,LI F P.On Standard of Flow Conditions for Navigation in Transitional Reach Outside Entrance［J］.Journal of Waterway and Harbor,2004（4）：179-184.

［6］黎國森,劉俊濤,程小兵.郁江口及羊欄灘匯流段航行水流條件改善措施研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所,2008.