船閘下游引航道口門區(qū)急流礙航改善措施比選

彭偉，馮小香，普曉剛

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

船閘下游引航道口門區(qū)急流礙航改善措施比選

彭偉，馮小香，普曉剛

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

已建船閘口門區(qū)大流量礙航問題廣泛存在。研究以五強溪樞紐下游急流礙航問題為出發(fā)點，采用定床物理模型試驗和遙控自航船模試驗為技術(shù)手段，在對工程河段現(xiàn)狀通航水流條件分析的基礎(chǔ)上，從改善局部流速分布、減小口門區(qū)引流等角度，分別提出挖槽方案、導(dǎo)流墩方案、樁基透空式隔流堤方案和樁基透空式導(dǎo)流屏方案。通過各方案通航水流條件和船舶航行條件比選，創(chuàng)新性提出的樁基透空式導(dǎo)流屏方案可較好解決五強溪樞紐下游口門區(qū)通航條件改善難題，并已成功通過工程實踐的檢驗。

船閘口門區(qū)；導(dǎo)流墩；隔流堤；導(dǎo)流屏；通航條件

0 引言

在天然河道上修建水利樞紐后，船閘的上下游引航道與河流（或運河）相連接的口門區(qū)和連接段，是過閘船舶（隊）進出引航道的咽喉。船閘引航道口門區(qū)水流條件的好壞，直接影響到過閘船隊的航行安全和船閘的通過能力，改善船閘引航道口門區(qū)的水流條件具有重要的現(xiàn)實意義和實踐指導(dǎo)價值。從工程實用角度，國內(nèi)外工程技術(shù)人員對改善船閘引航道口門區(qū)通航水流條件的工程措施進行了大量研究，如調(diào)整導(dǎo)流堤堤頭形式[1]，堤身開孔[2]，浮式導(dǎo)流堤[3]等。上述措施對某一具體工程可能行之有效，但都有一定的局限性。

對具體樞紐船閘工程，其引航道口門區(qū)通航水流條件的改善，需要根據(jù)樞紐河段的河勢、河床地形、總平面布置、樞紐調(diào)度方式等，通常采用定床物理模型和遙控自航船模試驗相結(jié)合[4-5]，或三維水流數(shù)學(xué)模型和船舶操縱模擬器相結(jié)合[6-8]的技術(shù)手段，進行通航水流條件和船舶航行條件的多方案比選，最終提出改善措施的推薦方案。

受水資源開發(fā)側(cè)重于發(fā)電和防洪等目標(biāo)的限制，國內(nèi)一些樞紐船閘引航道口門區(qū)通航條件在建設(shè)期沒有得到充分的重視，運行后船閘通過能力及安全受到較大影響。比如沅水五強溪樞紐船閘，正式通航后受河道邊界條件、樞紐運行的影響，下游口門區(qū)及近閘段中洪水時橫流流速大，通航流態(tài)較差，僅流量在1 940 m3/s以下時，船閘下游口門區(qū)航道內(nèi)通航水流條件基本滿足通航要求，遠低于原設(shè)計最大通航流量10 000 m3/s標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有約束條件下，提出合理可靠的工程措施解決礙航問題、提高通航流量、保障通航安全至關(guān)重要。

1 模型設(shè)計與驗證

定床物理模型研究在1∶100正態(tài)整體模型上進行，模擬原型河道長度約5 km，其中壩址上游長約1.2 km，壩址下游長約4 km，寬度為400～900 m不等，模型平面布置見圖1。模型通過洪、中、枯三級典型流量下沿程水位和斷面流速分布的驗證。模型驗證試驗結(jié)果表明，模型水位與原型水位誤差均在允許范圍內(nèi)，滿足規(guī)程要求，模型達到了阻力相似要求；模型斷面流速分布趨勢與原型基本一致，模型達到了水流運動相似要求。

圖1 模型平面布置示意圖Fig.1 Layout of physical model

2 船閘下游口門區(qū)通航現(xiàn)狀

通過對五強溪水文站1998—2012年逐日平均流量進行分析，平均每年超過7 800 m3/s流量的天數(shù)僅為15 d（通航保證率95.86%），因此根據(jù)工程建設(shè)目標(biāo)和通航實際，將7 800 m3/s定為最大通航流量。

模型試驗成果顯示：船閘下游引航道口門區(qū)最小通航流量下航深在5 m以上，說明下游航道航深富裕，礙航主要由水流流態(tài)所導(dǎo)致。當(dāng)Q＜1 500 m3/s時，船閘下游口門區(qū)內(nèi)通航水流條件較優(yōu)，能夠滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q=2 500 m3/s時，導(dǎo)航墻堤頭下100～200 m航中線右側(cè)航道內(nèi)橫向流速超出規(guī)范的限值要求；當(dāng)Q＞3 500 m3/s時，船閘下游引航道口門區(qū)航道內(nèi)橫向流速較大，口門區(qū)內(nèi)船模進出口門區(qū)較困難，航行過程中船模使用舵角及漂角較大，航態(tài)較差，不能滿足船舶安全航行要求；Q≥5 000 m3/s時，沅水大橋橋區(qū)航段內(nèi)流速較大。尤其在Q=7 800 m3/s流量時，船舶上行困難。

3 礙航特性及相應(yīng)對策思路

3.1 調(diào)整局部地形

現(xiàn)狀條件下，導(dǎo)流堤堤頭附近為深槽段，最深處槽底高程30.0 m，而下游引航道設(shè)計底高程為45.5 m，由于深槽吸流作用，水流向下游口門區(qū)集中導(dǎo)致口門區(qū)內(nèi)水流流速、斜流強度較大，通航水流條件較差。因此需要考慮調(diào)整局部河床地形，減小深槽吸流作用，形成以下兩種思路：

1）疏挖：通過對樞紐下游河床進行局部疏挖（炸礁），調(diào)整樞紐下游河段斷面流速分布，以減小口門區(qū)內(nèi)水流流速，達到改善口門區(qū)通航水流條件的目的。為此，提出了左槽疏挖方案和右槽疏挖方案。

各挖槽方案研究成果表明，單純的挖槽方案對引航道口門區(qū)水流條件改善效果并不理想，右槽方案改善效果優(yōu)于左槽方案，在挖槽底標(biāo)高為42 m情況下，Q≤3 500 m3/s時口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求。而在洪水流量下，挖槽對樞紐下游斷面流速分布調(diào)整作用逐漸減弱，挖槽方案對口門區(qū)水流條件改善效果不佳。

2） 填槽：通過回填深槽，減小深槽吸流作用，改善口門區(qū)通航水流條件。由于中洪水導(dǎo)航墻外側(cè)水流流速較大，因此實際施工過程中應(yīng)采用大體積混凝土塊體或直接澆筑水下混凝土的回填方式，防止回填區(qū)的沖刷破壞。物理模型共進行了回填標(biāo)高至35 m、40 m、45 m的方案試驗。試驗結(jié)果表明，單一填槽方案實施后，由于過水面積的減小，口門區(qū)縱向流速較天然情況下普遍增大，使得口門區(qū)的水流條件不但沒有改善，反而有所惡化。

由此可見，單純進行局部地形的調(diào)整對改善口門區(qū)急流礙航特性效果不理想，可考慮作為輔助措施使用。

3.2 新建導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)

現(xiàn)狀條件下，船閘下游導(dǎo)流堤堤頭，僅275 m。而泄洪壩出流距下導(dǎo)流堤堤頭僅約700 m，造成船閘下游導(dǎo)流堤無法阻隔主流斜穿口門區(qū)，同時受下游河寬逐漸收縮的河勢和河道左側(cè)為深槽、右側(cè)為邊灘的河床形態(tài)綜合影響，口門區(qū)航道與主流流向交角較大，造成口門區(qū)橫流及回流流速過大。因此，延長導(dǎo)堤可能是較好的改善措施。

由于下游導(dǎo)流堤堤頭下游約1 000 m就是沅水?dāng)堊訛炒髽?，若采用實堤方案口門區(qū)會相應(yīng)下移，造成口門區(qū)距離大橋太近，口門區(qū)及連接段與橋區(qū)航道銜接更加困難，船舶航行難度增加，且因為深槽的存在，實堤方案的工程量也會比較大。另外，雖有學(xué)者提出浮式導(dǎo)流堤方案，但限于浮式建筑物維護成本高難度大，設(shè)計采納并實施的可能性較小。由此提出菱形導(dǎo)流墩群、樁基透空式隔流堤、樁基透空式導(dǎo)流屏三種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)形式，各導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The structural style of the diversion buildings

4 工程方案及效果比選

4.1 方案1挖槽方案

通過不同范圍、不同底標(biāo)高等方案試驗，結(jié)合導(dǎo)流墩輔助措施，形成疏挖填槽為主，導(dǎo)流墩為輔的方案1（圖3），簡稱“挖槽方案”。即：疏挖區(qū)位于電站至攬子灣大橋處，挖槽總長1 490 m，底寬75 m，底標(biāo)高45 m，邊坡1∶1；對原導(dǎo)航墻外側(cè)沖溝及堤頭附近深槽回填，回填標(biāo)高45 m；口門區(qū)新建4個長20 m、間距20 m的菱形導(dǎo)流墩。

通航水流條件試驗結(jié)果表明：當(dāng)Q≤6 500 m3/s時，口門區(qū)通航水流滿足規(guī)范要求，當(dāng)Q=7 800 m3/s時，口門區(qū)僅個別測點橫向流速超出規(guī)范要求，最大橫向流速0.33 m/s。

自航船模試驗結(jié)果表明：各流量條件下，船模經(jīng)過口門區(qū)最大漂角為-8.6°，船模最大舵角為-18.8°，航行條件能夠滿足船模安全航行要求。當(dāng)流量Q≥6 500 m3/s時，沅水大橋橋區(qū)航段縱向流速較大，船模以4.5 m/s靜水航速上行時，對岸航速不能滿足船舶自航上灘要求。但通過提高船模靜水航速，船模能夠安全通過研究河段。

圖3 方案1平面布置圖Fig.3 Layout of plan 1

4.2 方案2導(dǎo)流墩方案

通過不同導(dǎo)流墩數(shù)量、不同間距、不同布置方向的系列試驗研究，形成導(dǎo)流墩為主、回填為輔的方案2，簡稱“導(dǎo)流墩方案”。即堤頭下游共布置9個長20 m、厚3 m的菱形導(dǎo)流墩，1號—6號墩間距10 m，6號—9號墩間距20 m，同時將堤頭附近深槽回填至45.0 m高程。方案2平面布置見圖4。

圖4 方案2平面布置圖Fig.4 Layout of plan 2

通航水流條件試驗結(jié)果表明：當(dāng)Q≤3 500 m3/s時，口門區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求；Q＞3 500 m3/s時，口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速超出規(guī)范限值，通航水流條件不能滿足規(guī)范要求。

4.3 方案3樁基透空式隔流堤方案

方案3：通過不同插板底高程、插板高度的系列試驗改善效果，形成樁基透空式隔流堤、填槽和潛壩的組合方案3，簡稱“樁基透空式隔流堤方案”。樁基透空式隔流堤總長307 m，分為15段。最上游的樁基連系墩1號墩與原有導(dǎo)航墻緊密銜接，依次向下游每20 m中心距布置一樁基連系墩，分別為2號—16號墩。各連系墩上設(shè)有插槽，插槽在標(biāo)高48.50～58.50 m通長布置，在插槽范圍內(nèi)布置插板，1號—8號墩間插板底標(biāo)高為48.5 m，9號—16號墩間插板底標(biāo)高為51.5 m。同時，對原導(dǎo)航墻堤頭以下130 m范圍深槽進行回填，回填標(biāo)高至45 m，在原導(dǎo)航墻外側(cè)新建2條潛壩，距離堤頭分別為150 m、75 m，潛壩軸線與導(dǎo)航墻夾角為45°，壩長78 m，壩頂高程為53 m。方案3平面布置見圖5。

圖5 方案3平面布置圖Fig.5 Layout of plan 3

通航水流條件試驗結(jié)果表明：枯水流量下，電站下泄水流水動力軸線成“S”形，導(dǎo)致口門區(qū)100～250 m范圍內(nèi)斜流強度較大，最大橫向流速0.43 m/s。中洪水流量下，潛壩挑流作用減弱，主流仍集中于河道左側(cè)，口門區(qū)內(nèi)橫向流速一般超過0.3 m/s?？陂T區(qū)內(nèi)通航水流條件仍不能滿足規(guī)范要求。

4.4 方案4樁基透空式導(dǎo)流屏方案

方案4：結(jié)合樁基隔流堤與導(dǎo)流墩各自優(yōu)勢，提出一種新型導(dǎo)流建筑物——樁基透空式導(dǎo)流屏，該結(jié)構(gòu)可通過插板限制表層斜向水流，通過插板底部透空孔引入底部水流分擔(dān)部分引流量，通過插板間豎向?qū)Я魍ǖ老蛞降纼?nèi)引入部分表層水流壓縮口門區(qū)內(nèi)回流及泡水，以改善口門區(qū)通航水流條件。

通過不同導(dǎo)流屏長度的系列試驗，最終提出樁基透空式導(dǎo)流屏和回填相結(jié)合的方案4，簡稱“樁基透空式導(dǎo)流屏方案”。樁基透空式導(dǎo)流屏總長220 m，分為10段。沿航道右邊線平行布置。每隔20.8 m中心間距布置1個承臺，承臺尺度為4.5 m×11 m×3 m（長 ×寬 ×高），底標(biāo)高45 m，最上游的承臺與原有導(dǎo)航墻緊密銜接，深水區(qū)2號—5號承臺底部設(shè)6根直徑2.5 m、間距為3 m的灌注樁，淺水區(qū)承臺底部設(shè)4根直徑2.5 m、間距為3 m的灌注樁，承臺上部為2根直徑3 m、間距2.5 m混凝土樁，樁上設(shè)有插槽，插槽在標(biāo)高48～58 m通長布置，在插槽范圍內(nèi)布置插板，插板分為10塊等高分層排列，每塊插板高1 m、寬0.8 m、長20 m。同時，對堤頭附近深槽進行回填，回填標(biāo)高至45 m。方案4平面布置見圖6。

圖6 方案4平面布置圖Fig.6 Layout of plan 4

通航水流條件試驗結(jié)果表明：各流量級下，引航道口門區(qū)回流范圍及回流強度較工程前有所減小，最大回流流速0.37 m/s；口門區(qū)內(nèi)橫向流速較工程前明顯減小，當(dāng)Q≤6 500 m3/s時，引航道口門區(qū)最大橫向流速在0.3 m/s以內(nèi)，Q=7 800 m3/s時，僅口門區(qū)150～200 m范圍內(nèi)航中線右側(cè)個別測點橫向流速超出規(guī)范要求，最大橫向流速為0.33 m/s。綜上所述，導(dǎo)流屏方案下引航道口門區(qū)通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。

自航船模試驗研究結(jié)果表明：最大通航流量以下，船模在下游引航道口門區(qū)段航行過程中的漂角及舵角滿足船舶安全航行需求。

4.5 綜合比選

1）以挖槽為主的方案1和以樁基透空式導(dǎo)流屏為主的方案4對船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件起到較好的改善效果，兩方案最大通航流量以下引航道口門區(qū)通航水流條件均能夠滿足規(guī)范要求。

2）以導(dǎo)流墩為主的方案2和以樁基透空式隔流堤為主的方案3，改善效果不能達到規(guī)范要求。

3）方案1和方案4相比，方案1水下施工作業(yè)量較大（大范圍爆破），工程投資較高；方案4隨著鋼圍堰及鉆孔樁施工工藝的不斷成熟，具有施工便利，施工期不斷航等優(yōu)點。因此，將樁基透空式導(dǎo)流屏方案作為研究推薦方案。

目前該方案已被設(shè)計單位采用，并順利實施。工程實施后，有關(guān)部門組織了實船觀測，觀測期間的流量為5 000～6 000 m3/s，船舶可以順利通過船閘引航道口門區(qū)，方案成功通過了工程實踐的檢驗。

5 結(jié)語

采用整體水工模型試驗與自航遙控船模試驗相結(jié)合的研究手段，對現(xiàn)狀條件下五強溪樞紐船閘下游引航道口門區(qū)存在的礙航問題，開展了挖槽回填方案、導(dǎo)流墩方案、樁基透空式隔流堤方案和樁基透空式導(dǎo)流屏方案等改善措施的研究。其中挖槽回填方案和樁基透空式導(dǎo)流屏方案均能達到改善效果，而以研究提出的新結(jié)構(gòu)形式——樁基透空式導(dǎo)流屏結(jié)構(gòu)為主的平面布置方案被推薦為工程優(yōu)選方案，成功地解決了五強溪樞紐船閘下游口門區(qū)通航條件改善的難題。

[1]孫保虎，李君濤.漢江雅口航運樞紐船閘通航條件試驗研究[J].水運工程，2017（1）：94-97.SUN Bao-hu,LI Jun-tao.Experimental study on shiplock navigation condition of Yakou hydro-junction in Hanjiang river[J].Port&Waterway Engineering,2017(1):94-97.

[2] 陳桂馥，張曉明，王召兵.船閘導(dǎo)航建筑物透空形式對通航水流條件的影響[J].水運工程，2004（9）：56-58.CHEN Gui-fu,ZHANG Xiao-ming,WANG Zhao-bing.Influence of open-type guide works on flow condition for navigation of shiplock[J].Port&Waterway Engineering,2004(9):56-58.

[3] 普曉剛，郝品正，李金合，等.已建樞紐船閘下游引航道口門區(qū)急流礙航改善措施的研究[J].水道港口，2007，28（2）：119-125.PU Xiao-gang,HAO Pin-zheng,LI Jin-he,et al.Study on improvement measures of jet flow navigation obstruction for the lower approach entrance area of existed lock[J].Journal of Waterway and Harbor,2007,28(2):119-125.

[4] 李君濤，普曉剛，張明.導(dǎo)流墩對狹窄連續(xù)彎道樞紐船閘引航道口門區(qū)水流條件改善規(guī)律研究[J].水運工程，2011（6）：100-105.LI Jun-tao,PU Xiao-gang,ZHANG Ming.On improvement laws of flow conditions at the entrance of ship approach channel in narrow continuous meandering river by diversion pier[J].Port&Waterway Engineering,2011(6):100-105.

[5] 李君濤，鄭旺，李樺.內(nèi)河航電樞紐擴建二線船閘軸線選擇研究[J].水道港口，2014（1）：62-65.LI Jun-tao,ZHENG Wang,LI Hua.Study on axis selection of the second-line ship lock extension project of navigation power junction in inland river[J].Journal of Waterway and Harbor,2014(1):62-65.

[6] 馮小香，李丹勛，張明.樞紐船閘引航道口門區(qū)三維水流數(shù)值模擬應(yīng)用研究[J].水運工程，2012（1）：122-126.FENG Xiao-xiang,LI Dan-xun,ZHANG Ming.Application research on 3D flow numerical model in entrance area of ship lock approach channel[J].Port&Waterway Engineering,2012(1):122-126.

[7] 張明，郝媛媛，馮小香，等.船舶操縱模擬技術(shù)在壩區(qū)河段航線選擇中的應(yīng)用[J].水道港口，2014（4）：175-179.ZHANG Ming,HAO Yuan-yuan,FENG Xiao-xiang,et al.Application of ship maneuvering simulation technology for shipping route selection near reach of dam area[J].Journal of Waterway and Harbor,2014(4):175-179.

[8] 孔憲衛(wèi)，李金合，馮小香，等.船舶操縱器在引江濟漢工程與長江交匯口布置中的應(yīng)用[J].水道港口，2010（4）：276-281.KONG Xian-wei,LI Jin-he,FENG Xiao-xiang,et al.Applying of ship handling simulator in junction layout of the Yangtze River and water diversion project from the Yangtze River to Hanjiang River[J].Journal of Waterway and Harbor,2010（4）:276-281.

Comparison and selection of improvement measures for jet flow navigation obstruction in outlet area of shiplock downstream

PENG Wei,FENG Xiao-xiang,PU Xiao-gang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The problems of navigation obstruct in the outlet area of shiplock are widespread when discharge is great.Take the jet flow navigation obstruction downstream of Wuqiangxi hydropower station as the starting point,using the technology of physical model test and remote-control ship model test,on the basis of analyzing the navigation flow condition,we presented the programs such as excavate riverbed,build diversion pier,pile foundation open-type partition dikes and pile foundation submerged vanes to improve the local velocity distribution,and reduce the discharge of the outlet area of shiplock.By analyzing the navigation flow condition and ship sailing conditions of each program,we put forward the innovative program of pile foundation submerged vanes,which can improve the outlet area of shiplock navigation condition of Wuqiangxi hydropower station downstream,and was verified by engineering practice.

outlet area of shiplock;diversion pier;partition dikes;submerged vanes;navigation condition

U641

A

2095-7874（2017）10-0047-06

10.7640/zggwjs201710010

2017-04-11

2017-06-07

彭偉（1985— ），男，安徽宿州人，碩士，助理研究員，主要從事港口海岸及近海工程研究。E-mail：amon_ud@qq.com