彎曲河道上引航道口門區(qū)通航條件研究

張建寶，卿云

（1.交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.重慶交通大學，重慶 400016）

在國內外眾多水運工程中可以發(fā)現(xiàn)，船舶在航行時受水流流態(tài)的影響，其中以斜流和回流最為常見。船閘的口門區(qū)，是過閘船隊（船舶）進出引航道的咽喉，又是河流動水與引航道靜水交界的水域。受隔流堤和局部地形的影響，在口門區(qū)存在斜流和回流，為衡量水流對船隊（船舶）航行的影響程度，通常將斜流分解為平行于航線的縱向流速和垂直于航線的橫向流速，當這些水流要素過大時、會使船隊（船舶）發(fā)生橫漂和回轉，嚴重時會出現(xiàn)失控以致發(fā)生事故[1]。在《船閘總體設計規(guī)范》中對各等級船閘口門區(qū)最大流速限值有明確規(guī)定，且文獻[2][3]也提出了連接段的流速限值。其標準值見表1。

表1 口門區(qū)及連接段的流速限值 m/s

湄公河是一條流經中國和東南亞其它五國的國際河流，屬典型的山區(qū)河流，平面形態(tài)彎曲，局限了通航建筑物上下游直線段布置條件，其斜流和回流的水流流態(tài)也較復雜。如何依據工程河段的特點，確定通航建筑物的合理布置型式以滿足船舶通航安全要求是樞紐布置時需要研究的重要問題。本文以湄公河某船閘為對象，進行船閘工程所處彎曲河段引航道布置的工程措施的研究。

1 湄公河某航電樞紐工程概況

某水電站壩址距湄公河入?？诤拥谰嚯x約1737km，為徑流式電站，額定水頭13.5m，引用流量5500m3/s，總裝機容量660MW。

圖1 樞紐平面布置圖

工程河道屬急彎河道，枯水河寬300m左右，洪水期河寬可達550m，壩址接近彎道頂點，樞紐布置從左岸到右岸依次為（見圖1）：左岸混凝土副壩、船閘壩段、13孔泄洪閘壩段、河床式廠房壩段（12臺機組）、右岸5孔沖沙閘壩段、右岸魚道壩段、右岸混凝土副壩段等建筑物組成。

2 通航建筑物布置

船閘作為該樞紐的通航建筑物型式，布置在該河段的左岸，緊鄰泄洪閘布置。船閘為單級單線船閘，船閘級別為Ⅳ級500t，閘室有效尺度為120m×12m×4m（閘室有效長度、寬度、門檻水深）。上下引航道寬度均為40m，在上閘首右側邊墩前布置長115m的隔流堤，以減小泄洪閘泄流對口門區(qū)流速、流態(tài)的影響。在上引航道左側布置10個靠船墩方便船舶靠泊。由于壩上游左岸岸坡為凸岸，轉彎半徑較大，且與樞紐距離較近。若按常規(guī)引航道布置方式，口門區(qū)與連接段將完全處在彎道上，駕駛船舶進閘將會十分困難，威脅船舶安全。因此參照贛江石虎塘航電樞紐工程引航道布置[4]，將停泊段布置在堤頭外，無制動段，相對減少了引航道長度。

3 模型設計

模型范圍從距壩軸線上游2.5km開始至壩軸線下游1.7km共4.2km。模型幾何比尺為1:100的正態(tài)定床模型，按重力相似準則設計，采取樞紐整體水工模型、小尺度船模試驗相結合的方法。根據河段徑流特征和樞紐設計運行方式，選擇9000m3/s至17800m3/s的多級特征流量進行試驗研究(表2)。

表2 試驗1工況 m3/s

4 通航水流條件試驗成果與分析

該試驗共分為3個子試驗：試驗1研究在不同導流墻長度條件下上引航道口門區(qū)的流速、流態(tài)變化情況；試驗2研究改變口門寬度條件下上引航道口門區(qū)的流速、流態(tài)變化情況；試驗3是對試驗2的成果進行優(yōu)化，最終提出最優(yōu)的上引航道布置方式及口門區(qū)水流改善的措施。

試驗1隔流墻的長度分別為115m和215m，隔流墻到河岸距離為40m，口門220m范圍內的縱向、橫向及回流流速見圖2。試驗結果分析表明：

（1）當 L=115m時 ,15500m3/s≤ Q≤ 17800m3/s時， 樞紐控泄運行，主航道及連接段內主流流速在1.5～2.0m/s，口門區(qū)左岸岸邊有回流，最大回流流速0.57m/s，大于0.4m/s，最大橫向流速0.88m/s，大于0.3m/s，不能滿足規(guī)范要求。當Q=17800m3/s，電站停機，閘門敞泄時，上引航道口門區(qū)內縱向流速明顯大于2m/s、橫向流速明顯大于0.3m/s，流速指標全面超過規(guī)范要求。

圖2 縱向流速最大值與流量關系

圖3 橫向流速最大值與流量關系

（2）當L=215m時，隔流墻向上游延伸100m，各級流量條件下的流速流態(tài)均有明顯的改善（見圖3），距上引航道口門區(qū)220m范圍內幾乎無回流區(qū)。當Q≤17800m3/s時，最大縱向流速值為1.15m/s，最大橫向流速0.3m/s，流速指標滿足規(guī)范要求。

（3）隔流墻加長了100m以后，流速指標滿足規(guī)范要求,但由于口門寬度僅40m，相對較窄，船模試驗表明在最高通航流量時，標準船隊進入口門區(qū)時操作性較差。因此增加引航道口門寬度，并進一步優(yōu)化口門區(qū)流速條件的改善措施是試驗2的主要目的。

試驗2的特征流量和試驗1相同，在閘門開啟方式上較試驗1略有調整，這里不再詳細說明。

試驗2在引航道平面布置上也做了改進：調整左岸邊坡開挖的角度和方向以及將開挖邊坡的坡度由1:1.5增大為1:0.5，由此將引航道口門區(qū)寬度增加到119m；在上引航道右側修建275m的直線導墻與船閘進口相接，導墻內壁為直立式。

試驗2結果（見圖4）表明，在引航道導墻有效擋水的條件下，各級流量下最大縱向流速1.6m/s，最大橫向流速0.29m/s，流速指標符合相關規(guī)范的要求。

圖4 縱、橫向流速最大值與流量關系

將引航道口門寬度從40m增加到119m，增加了進出閘船舶航線選擇的余地，船模試驗結果表明船舶的最大舵角、最大漂角等航行指標有所改善，在一定程度上提高了船舶航行的安全性。但由于引航道導墻過長，減小了泄洪閘的泄流能力，上引航道出口處于彎道凸岸，容易產生泥沙淤積，縱向導墻過長不利于引航道內排沙。

試驗3將縱向導墻長度減少為256m，較試驗2中導航墻長度縮短19m。將船閘進口段的左岸邊坡修改為直立式擋墻，在縱向導墻末段下方設置4個排沙孔，孔口斷面為2m×2m的正方形，其斜角為45°，孔口中心與壩軸線距離分別為208m、220m和232m（見圖5）。

圖5 優(yōu)化方案上引航道布置

將試驗2中的邊坡改為直立式擋墻之后，經船模試驗論證，顯著增加進出船閘船舶的航行安全性，降低船舶操縱難度，提高通行效率，建議采用曲進直出的方式進出船閘。

按導航墻的不同布置方式，實測各級流量條件下距口門220m范圍內的流速大小（見圖6）。

圖6 縱、橫向流速最大值與流量關系

從圖6可以看出，在導墻末段設置排沙孔條件下，當L=275m和L=256m時，口門區(qū)內的最大縱向流速分別為1.6m/s和1.49m/s，最大橫向流速分別為0.29m/s和0.30m/s，均滿足規(guī)范要求。L=256m時，各級流量條件下的縱向流速、橫向流速變化梯度較L=275m時均較緩，說明流量的變化對L=256m時的口門區(qū)流速影響較小，各排沙孔在一定程度上減小了縱、橫向流速的變化范圍。

5 船模試驗成果與分析

船模試驗成果表明，船閘上游航道的航行難度隨流量加大而加大[5]。當流量Q≤17800m3/s，壩前保持正常蓄水位220m時，船隊上行最低航速為2.66m/s，明顯高于船模試驗最低航速限值（0.4 m/s），船隊上、下行的最大舵角為15.25°～24.05°，均未超過船模試驗安全舵角限值（25°），船隊上、下行最大漂角為7.37°～18.69°，船閘上游航道的通航條件可滿足2×500t船隊的通航要求，僅在Q=17800m3/s時，船舶出閘最大舵角為24.05°，已接近船模試驗安全舵角限值（25°），需謹慎駕駛，方能保證航行安全。

6 結語

通過對湄公河某船閘工程中引航道口門區(qū)通航水流條件試驗和船模試驗成果的分析可知，船閘引航道口門區(qū)及連接段位于彎道凸岸時，船隊的航行條件較難滿足。邊坡修建直立式擋墻和導航墻墻頭開孔透空的組合型式較好地改善了口門區(qū)水流條件并有利于解決口門區(qū)的泥沙淤積問題。因此，將該方案作為本研究船閘上引航道口門區(qū)水流條件改善措施的推薦方案。該工程所處河段是山區(qū)性河道的典型代表，將停泊段布置在堤頭外，無制動段的引航道布置型式對類似工程具有借鑒意義。