北江白石窯水利樞紐上游引航道布置及通航條件研究

楊文浩，費曉昕，張緒進

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通大學(xué) 西南水運工程科學(xué)研究所，重慶400016)

0 樞紐概況

白石窯樞紐位于廣東省英德市上游25 km處，是北江干流的第3個梯級，是以發(fā)電為主、兼顧航運等綜合開發(fā)利用的水利水電工程。電站總裝機容量92MW，屬大Ⅱ型工程。樞紐從左至右依次為：左岸土壩段、船閘、泄水閘檢修門儲門槽壩段、22孔泄水閘(左邊13孔、右邊9孔)，電站廠房及安裝間壩段、右岸變電站及土壩段等，壩軸線總長1 092 m，壩頂高程44.32 m，混凝土壩最大壩高38.5m[1]，已建通航建筑物采用單線一級船閘，船閘等級為Ⅴ級，閘室有效尺度140 m×14 m×2.5 m，可通行300 t級貨船。樞紐正常蓄水位37.32 m，日調(diào)節(jié)消落水位0.5m，設(shè)計最大通航流量3 860 m3/s。白石窯樞紐工程河段河勢見圖1。

圖1 白石窯樞紐工程河段河勢Fig.1 River regime of Baishiyao water conservancy

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，航運對航道尺度提出了更高的要求，已建的船閘已無法滿足規(guī)劃的Ⅲ級航道標(biāo)準和預(yù)測的貨運量需求。因此，根據(jù)白石窯樞紐布置和通航的實際情況，擬定拆除原已建的船閘、在原址新建一線船閘，同時增設(shè)二線船閘的改擴建工程，兩船閘均同時布置在左岸。其中，改建的一線船閘尺度為140 m×16 m×4.5 m，新建的2線船閘尺度為220 m×23 m×4.5 m，代表船型為1 000 t級貨船，船舶尺度為67.5 m×10.8 m×(2.1～2.4) m[2-3]，均按Ⅲ級標(biāo)準設(shè)計。上游引航道銜接處順直微彎，為保證引航道、口門區(qū)有良好的通航水流條件，筆者在原引航道設(shè)計方案的基礎(chǔ)上提出了5個修改方案，使得引航道、口門區(qū)的通航水流條件得到改善。

1 通航標(biāo)準

船閘設(shè)計最大通航流量采用10 a一遇洪水流量Q=7 860 m3/s，上游最高通航水位為水庫正常蓄水位37.32 m，最低通航水位為32.02 m(Q=3 860 m3/s，閘門全開敞泄時壩前水位)；口門區(qū)的最大縱向流速不超過2 m/s，橫向流速不超過0.3 m/s，回流流速不超過0.4 m/s；船閘引航道導(dǎo)航和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動段和停泊段的水面最大縱向流速≤0.5 m/s，橫向流速≤0.15 m/s[2]。

2 工程措施對通航水流條件的影響

2.1 模型設(shè)計與試驗流量

白石窯樞紐所在河段河勢微彎，河道相對順直，采取樞紐整體水工模型，設(shè)計為幾何比尺λL=λh=100的正態(tài)模型。模型范圍指：從壩軸線上游約2.7 km開始至壩軸線下游約3.6 km為止，模擬原型河道總長約6.3 km。

根據(jù)河段徑流特征和樞紐設(shè)計運行方式，選擇從Q=98～7 860 m3/s(P=10%)共7級流量上引航道口門區(qū)及連接段的通航條件，其中Q=98 m3/s為電站基流，Q=3 860 m3/s為敞泄分界流量。另外，Q=6 740 m3/s為5 a一遇洪水，試驗工況見表1。

表1 整體模型試驗工況 Table 1 Test conditions of model experiments

2.2 原方案布置及試驗結(jié)果

設(shè)計原方案的兩線船閘采用共用上游引航道的方式，兩船閘引航道寬為98.4 m，底高程27.52 m，兩側(cè)主導(dǎo)航墻長均為85 m，頂高程均為39.32 m，在其上游127.5 m處的左右兩側(cè)各依次向上游布置12個靠船墩，靠船墩段長220 m，以上為半徑389.2 m(中心線)、中心角29°的圓弧過渡段向左轉(zhuǎn)彎，再以直線段與主航道銜接(圖2)。

圖2 原方案平面布置Fig.2 Layout of original project

按照擬定水庫調(diào)度運行方式及樞紐運行的實際情況：原方案在上游來流量Q<3 000 m3/s、蓄水運行時，船閘上引航道、口門區(qū)流速小，縱、橫向流速值不僅完全滿足上引航道口門區(qū)的要求，亦基本滿足引航道停泊段和調(diào)順段的要求；來流量Q≥3 000 m3/s時，隨著流量的增加，船閘上引航道、口門區(qū)流速逐漸增大，不能滿足引航道停泊段和調(diào)順段對流速的要求。當(dāng)流量3 000≤Q≤3 860 m3/s，一線船閘上引航道調(diào)順段基本為動水，右導(dǎo)墻頭部區(qū)域繞流有所增強，使導(dǎo)航段與調(diào)順段之間存在一定的橫流[4]，不能滿足規(guī)范要求。

表2是原方案船閘上引航道口門區(qū)縱橫向流速統(tǒng)計表。由表2可知，原設(shè)計方案在上游來流量Q>3 860 m3/s，全閘開啟敞泄洪水以后，上引航道停泊段的縱、橫向流速均超過規(guī)范要求，調(diào)順段亦處于動水之中，流量越大超標(biāo)幅度亦越大，同時在右導(dǎo)墻堤頭存在較明顯的繞流流態(tài)，對船舶進出閘的航行安全將造成嚴重影響[5]。

表2 船閘上引航道口門區(qū)縱橫向流速統(tǒng)計(原方案)

Table 2 Vertical and horizontal flow rate of entrance area (original project)

2.3 修改方案引航道布置及結(jié)果

原設(shè)計方案停泊段和調(diào)順段的水流條件遠不能滿足規(guī)范要求的原因之一是：上引航道口門區(qū)上段及上游連接段右側(cè)河床地形較高，使進入引航道的水流集中在一線船閘調(diào)順段區(qū)域向外分流，使得右導(dǎo)航墻堤頭的繞流影響范圍增大，繞流強度進一步的加強。因此修改方案在原設(shè)計的基礎(chǔ)上做了兩點改變：

1)上引航道口門區(qū)右側(cè)的河床地形開挖至28.82 m高程(圖3)。

圖3 修改方案Ⅰ平面布置Fig.3 Layout of modified programⅠ

2)按船閘總體設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的調(diào)順段與導(dǎo)航段之和的最小距離不小于設(shè)計代表船型的2.5倍船長，使上引航道調(diào)順段和導(dǎo)航段基本處于靜水之中，提出了5個修改方案(表3)。

表3 修改方案布置

Table 3 Layout of the modified programs

試驗在開挖口門區(qū)右側(cè)的河床地形的基礎(chǔ)上，對于5種導(dǎo)航墻修改方案均選擇了Q=3 860，4 990，6 740 m3/s共3級流量進行流速流態(tài)觀測，試驗效果見表4。典型工況流速分布見圖4，圖4中括號里面數(shù)字代表橫流。

表4 各修改方案效果分析

Table 4 Effectiveness analysis of the modified programs

(續(xù)表4)

圖4 修改方案Ⅱ流速分布(Q=3 860 m3/s、閘門控開)Fig.4 The velocity distribution in modified programⅡ(Q=3 860 m3/s, sluice gate open)

3 結(jié) 論

研究表明，合適的右導(dǎo)墻長度是確保引航道內(nèi)靜水區(qū)與外側(cè)河床動水分隔、保障船舶的靠泊、調(diào)順和導(dǎo)航的關(guān)鍵所在[6]；其次，開挖調(diào)整上引航道口門區(qū)右側(cè)河床高程，對消除或減緩右導(dǎo)墻堤頭附近的擾流流態(tài)、改善口門區(qū)的通航水流條件具有重要作用。

原設(shè)計方案由于上引航道右導(dǎo)墻較短(85 m)，使上引航道停泊段和調(diào)順段處在動水之中，在各級較大流量、特別是全閘開啟敞泄洪水情況下，上引航道停泊段的縱橫向流速明顯超標(biāo)，調(diào)順段亦處于動水之中，不能滿足規(guī)范要求；且右導(dǎo)墻堤頭出現(xiàn)較明顯的繞流流態(tài)，進一步威脅著船舶進出閘的航行安全。5個修改方案通過適當(dāng)開挖降低上引航道口門區(qū)右側(cè)的河床地形高程，增加右導(dǎo)墻長度兩方面措施，使上引航道、口門區(qū)的通航水流條件均有較明顯改善。另外，考慮到工程量和庫區(qū)深水施工的難度等實際情況，修改方案IV上引航道右導(dǎo)墻長度適中(長392.5 m)，在各級通航流量情況下，無論是水庫保持壅水運行還是全閘開啟敞泄洪水情況下，上引航道內(nèi)均為靜水、口門區(qū)通航水流條件均較好，建議作為推薦方案，此工程措施也可作為類似船閘引航道布置的借鑒。

[1] 王云莉,劉洋,張緒進，等.白石窯水利樞紐通航建筑物整體定床及防洪模型試驗研究報告[R].重慶:重慶西南水運工程科學(xué)研究所,2012.Wang Yunli,Liu Yang,Zhang Xujin.Report on Experience of Fixed Bed and Flood Model of Baishiyao Hydraulic Project [R].Chongqing:The Southwest Waterway Engineering Institute,2012.

[2] JTJ 305—2001船閘總體設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.JTJ 305—2001 Code for Master Design of Shiplocks [S].Beijing:China Communications Press,2001.

[3] JTJ 312—2003 航道整治工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2003.JTJ 312—2003 Technical Code of Regulation Works for Navigation Channel [S].Beijing:China Communications Press,2003.

[4] 趙志洲,徐紅,彭凱.烏江銀盤電站下游引航道布置及口門區(qū)通航條件研究[J].水運工程,2008(3):82-86.Zhao Zhizhou,Xu Hong,Peng Kai.On arrangement of downstream approach channel and navigation condition in the entrance area of Yinpan power station on the Wujiang River [J].Port and Waterway Engineering,2008(3):82-86.

[5] 趙健.富金壩樞紐船閘引航道布置及通航條件研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.Zhao Jian.Research on Layout for the Approach Channel of Ship Lock and Navigation Conditions in Fujinba Junction [D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2009.

[6] 譚先澤，郝嶺，吳文鳳.山區(qū)河流船閘引航道布置型式[J].水運工程,2006(4):69-72.Tan Xianze,Hao Ling,Wu Wenfeng.Arrangement of ship lock approach channel in mountainous rivers [J].Port and Waterway Engineering,2006(4):69-72.

[7] 黃碧珊，張緒進，舒榮龍，等.新政電航樞紐船閘引航道口門區(qū)通航條件研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2003,22(3):120-124.Huang Bishan,Zhang Xujin,Shu Ronglong,et al.Study on the flow conditions at the entrance area of shiplock approach channel in hydro-power station [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2003,22(3):120-124.

[8] 李焱，鄭寶友，盧文蕾，等.引航道與河流主航道的夾角對通航條件影響試驗[J].水道港口,2009,30(1):42-48.Li Yan,Zheng Baoyou,Lu Wenlei,et al.Test on navigation condition influenced by the angle between approach channel and main channel [J].Journal of Waterway and Harbor,2009,30(1):42-48.