峽江水利樞紐引航道通航水流條件改善措施試驗研究

鄔年華，羅 優(yōu)，丁晶晶，黃志文

（江西省水利科學研究院，江西 南昌330029）

引航道口門區(qū)是指引航道分水建筑物頭部外一定范圍內(nèi)的水域，處于河流動水與引航道靜水的交界處，是船閘進出口與河道自由航行河段起紐帶作用的區(qū)域［1］。上、下游引航道軸線通常與河槽主流方向存在一定交角，從而引起的引航道下游口門區(qū)及連接段的斜向水流和回流等不利通航水流條件，影響船舶航行［2-5］。此外，引航道口門區(qū)淤積也是工程中常見的問題［6-8］。針對這些工程問題，很多學者在引航道布置方案、口門區(qū)水動力特性及整流措施等方面做了大量研究［9-12］。

峽江水利樞紐工程地處贛江中游，是以防洪為主兼有發(fā)電、航運、灌溉、水庫養(yǎng)殖等綜合效益的大（一）型水利樞紐工程。樞紐總體布置（見圖1）從左到右為船閘、門庫段、泄水閘、廠房，左右壩頭采用混凝土重力壩連接，壩軸線總長864m。樞紐通航建筑物布置在左岸，上游引航道口門位于“S”形河段前半段彎道凸岸下游1 000m處，下游引航道口門區(qū)處于后半段下彎道凹岸河道主流頂沖點［13］附近，獨特的地理位置使得上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件更加復(fù)雜。

因此，開展物理模型試驗研究引航道布置優(yōu)化方案和樞紐通航水流條件改善措施，為安全通航創(chuàng)造有利的通航水流條件。

圖1 工程布置示意圖

1 模型設(shè)計及試驗工況

樞紐模型采用正態(tài)整體模型，按重力相似原則進行設(shè)計［14-15］，綜合考慮試驗場地、供水、量水設(shè)備及精度要求，選定模型幾何比尺為λl=110，相應(yīng)流速、流量、糙率和水流運動時間比尺分別為10.49、126905.9、2.19和10.49。

模型模擬范圍包括壩軸線上游1 700m，下游1 600m河道及擋水壩、泄水閘、廠房、船閘等建筑物。模型總長（包括進水前池及沉沙池）為35m，寬度9m～10m。

峽江水利樞紐工程運用調(diào)度方案分洪水調(diào)度和興利調(diào)度兩種運行方式，根據(jù)樞紐運行調(diào)度方式，確定試驗工況與試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗工況與試驗參數(shù)

2 設(shè)計方案條件下通航水流條件及存在的問題

（1）峽江樞紐船閘上游引航道采用了曲線進閘、直線出閘的不對稱布置型式（見圖2）：主導(dǎo)航墻（長162m）兼具調(diào)順和導(dǎo)航作用，停船段（長224 m，底寬55m）通過分水墻（轉(zhuǎn)彎半徑640m，轉(zhuǎn)角50°，底寬60m）與引航道口門區(qū)相連接?？陂T區(qū)位于上游左岸階地之上，通過直線連接段與上游左側(cè)主航道銜接。

圖2 上游引航道方案優(yōu)化示意圖

針對上游引航道布置方案，選取最大通航流量和上游最低通航水位工況（見表1），對引航道口門區(qū)及連接段水流流態(tài)和流速分布進行試驗研究。試驗結(jié)果表明，上游引航道中心線與河道主流方向夾角較大，口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標回流及橫流：其中最大通航流量工況下口門區(qū)最大回流流速達1.56 m／s，最大橫向流速達0.69m／s；上游最低通航水位工況下口門區(qū)最大回流流速達0.49m／s，最大橫向流速達0.3m／s，即設(shè)計方案下上游引航道大范圍超標回流及橫流將影響船舶的安全行駛。

（2）針對下游引航道設(shè)計布置方案，選取5a一遇洪水工況（見表1）對下游引航道口門區(qū)及連接段水流特性的進行試驗研究。研究結(jié)果表明：引航道中心線與河道主流流向夾角較大，口門區(qū)存在小范圍回流；樞紐下泄形成直沖下引航道口門區(qū)的斜向水流，造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大，口門下游150m處最大橫向流速1m／s，最大縱向流速2.08m／s，即設(shè)計方案下下游引航道橫流和縱流超過規(guī)范標準［1］，影響船舶的安全行駛。

設(shè)計方案下上、下游引航道回流、橫流和縱流超過規(guī)范標準，影響船舶的安全行駛，因此，有必要對上游引航道布置方案進行優(yōu)化調(diào)整，研究改善引航道口門區(qū)及連接段通航水流流態(tài)的工程措施。

3 航道布置調(diào)整及整流措施優(yōu)化

3.1 上游引航道

上游引航道口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標回流及橫流主要由上游引航道中心線與河道主流方向較大夾角引起，因此改善措施需要調(diào)整上游引航道中心線，以縮小其與河道主流流向的交角，同時在航道左邊界加設(shè)導(dǎo)流堤，調(diào)整上游引航道口門區(qū)及連接段，開挖左邊界。上游引航道中心線調(diào)整有兩套優(yōu)化方案，優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ及航道中心線布置見圖2，方案Ⅱ比方案Ⅰ更靠近左岸。

不同工況條件下試驗結(jié)果表明：優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ引航道口門區(qū)通航水流條件均較原設(shè)計方案大為改善，除最大通航流量工況外，上游引航道口門區(qū)縱、橫向流速基本能夠滿足規(guī)范要求，綜合考慮到工程設(shè)計的經(jīng)濟和施工難度，選取相對較優(yōu)布置方案Ⅰ布置為推薦方案。

優(yōu)化方案Ⅰ時，總體上表1各工況口門區(qū)及連接段水流縱橫向流速分布基本能夠滿足規(guī)范要求，較原方案有較大的改善。但在最大通航流量工況下，上引航道口門區(qū)回流范圍及回流強度較大，局部回流流速大于1.0m／s；受彎道凸岸地形影響，在上引航道口門上游800m～900m處，航道中心線右側(cè)局部橫向流速大于0.3m／s。

因此需要進行進一步整治措施，比如對上游引航道口門區(qū)右側(cè)突出高地進行整治開挖，削弱由此處突出地形引起的回流，同時，在此處設(shè)置擋船墩群，擴大上引航道口門張角，延長船舶駕駛反應(yīng)時間，一定程度上能夠保證繞過“S”形河段前半段凸岸的船舶穿過河道主流安全進入引航道口門區(qū)。

3.2 下游引航道

設(shè)計布置方案下，樞紐下泄水流形成直沖引航道口門區(qū)的斜向水流是造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大的主要原因，對此提出了四套整流方案（圖3）：整流措施1主要是取消原轉(zhuǎn)彎段弧形分水導(dǎo)流墻，使得處于下泄主流頂沖點附近的口門位置上移，避免水流直沖引航道口門區(qū)；整流措施2在整流措施1的基礎(chǔ)上，進一步拆除一半直線段分水導(dǎo)墻，并將拆除的原分水導(dǎo)墻用導(dǎo)流墩群代替，以利用導(dǎo)流墩群引入水流來削弱口門區(qū)回流；措施3采取布置伸向河道中心的棱形導(dǎo)流墩群代替原方案中轉(zhuǎn)彎段分水墻，此外，平順下游引航道口門區(qū)及連接段左岸邊界；整流措施4采用伸向河道中心更遠的底部透空導(dǎo)流隔墻代替原導(dǎo)流墩群，調(diào)整引航道口門區(qū)及連接段左邊界，底部透空導(dǎo)流隔墻結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 下游引航道整流比選措施

試驗研究表明，措施1條件下，口門區(qū)縱、橫流流速超標現(xiàn)象較設(shè)計方案下有所改善，但口門區(qū)回流范圍相對增大、強度相對變強；措施2條件下，部分水流導(dǎo)入引航道內(nèi)，口門區(qū)回流范圍有所減小，但引入流量偏大，導(dǎo)致停船段內(nèi)橫向流速大于0.3m／s（Q=14 800m3／s）；措施3條件下，導(dǎo)流墩引導(dǎo)樞紐左側(cè)下泄水流進入引航道口門區(qū)，減小了回流強度和口門區(qū)橫向流速，但是即使在相對較優(yōu)的導(dǎo)流墩擺放布置條件下，口門區(qū)橫向流速雖有減小，但是仍不能滿足要求；措施4條件下，航道水流與下泄主流流向的交角減小，下泄水流進入引航道口門區(qū)更加平順，除個別點橫向流速略大于0.3m／s，口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，回流范圍及回流強度相對較小。

圖4 方案4透空導(dǎo)流隔墻布置（單位：m）

總體上，措施1、措施2和措施3在一定程度上減小了口門區(qū)回流強度，口門區(qū)縱、橫流超標得到一定改善，但是口門區(qū)部分斷面的回流及橫流流速仍然超出規(guī)范允許值，措施2和措施3使用導(dǎo)流墩后出現(xiàn)間歇性旋流，影響口門區(qū)通航水流條件的穩(wěn)定性；措施4相對于前三種措施引航道流態(tài)明顯平順，沒有因?qū)Я鞫债a(chǎn)生間歇性旋流，回流范圍及回流強度均有所減小，口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，整流效果最好，因此選取措施4為推薦方案。

不同水庫泄水方式（見表2）試驗結(jié)果表明，在推薦方案下，峽江水利樞紐在下泄流量Q＜10 800 m3／s時，優(yōu)化布置方案的水流流態(tài)和流速分布可滿足通航要求；在2a一遇洪水流量即Q=10 800m3／s時，水庫泄水開右邊12孔泄洪時引航道水流可滿足通航要求；在Q=14 800m3／s下，引航道水流基本能滿足通航要求；但當泄洪流量Q≥17 400m3／s時，即使采用整流措施，引航道水流也無法滿足通航要求，此時應(yīng)禁航，以利安全。

表2 水庫泄水方式

4 整流最終方案及通航條件改善效果

綜合上下游引航道推薦方案，結(jié)合相關(guān)輔助措施，比如高地開挖、擴大上引航道口門張角、航道左邊界調(diào)整等，得到了引航道最終布置方案（圖5）。圖6和圖7為原設(shè)計方案以及最終布置方案在通航流量Q=14 800m3／s條件下上、下游引航道口門區(qū)流速分布。

圖5 引航道布置最終方案示意圖

由圖6可見，原設(shè)計方案上引航道口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標回流及橫流，最大橫向流速大于0.3 m／s；另外，彎道斷面流速分布不均，最大流速位置偏向左岸，水流條件相對較差，不利于船舶航行安全；通過優(yōu)化，最終布置方案口門區(qū)回流現(xiàn)象基本消除，縱向流速沿斷面分布相對均勻，橫向流速也得到很大程度減小，均在0.15m／s以下，基本滿足規(guī)范要求。

由圖7可見，原設(shè)計方案下引航道口門區(qū)存在小范圍回流，樞紐下泄形成直沖下引航道口門區(qū)的斜向水流，造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大，口門下游150m處最大橫流流速1m／s，最大縱向流速2.08m／s，均超過規(guī)范標準，影響船舶的安全行駛。通過優(yōu)化，最終布置方案口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，僅個別點橫向流速略大于0.3 m／s，且位于航道中心線右側(cè)的航道邊線上，對船舶運行影響較小。同時回流范圍及回流強度均有所減小，口門區(qū)整體流態(tài)更加穩(wěn)定。

圖7 下游引航道流速分布圖

5 結(jié) 論

“S”形彎曲河段水流條件復(fù)雜，在該河段內(nèi)布置引航道受到多方面因素限制，包括引航道長度、入流中心線方向等。針對峽江水利樞紐船閘引航道，本文提出了在上游減小引航道中心線與河道主流夾角，在下游采用伸向河道中心的底部透空導(dǎo)流隔墻等措施來改善通航水流條件。彎曲河段水流條件復(fù)雜，河床演變難以預(yù)測，因此需要進一步研究所提改善措施對該類型河段河床調(diào)整的適應(yīng)性。

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