分汊河段船閘引航道整治試驗(yàn)研究

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(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114； 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410200;3.長沙理工大學(xué) 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114)

1 研究背景

對于山區(qū)河流，航道寬度不足和水流紊亂是妨礙船舶安全航行的兩大因素，河床地形復(fù)雜以及水流湍急是產(chǎn)生礙航流態(tài)的兩大原因[1]。船閘引航道口門區(qū)、連接段是連接引航道與主航道的重要航段，其通航水流條件直接影響船舶能否安全進(jìn)出引航道。當(dāng)前，針對口門區(qū)、連接段通航水流條件的措施，國內(nèi)外學(xué)者已有相當(dāng)多的研究成果，如調(diào)整航線及隔流堤長度[2-6]，改變導(dǎo)航墻型式[7-8]，設(shè)置導(dǎo)流墩[9-10]、丁潛壩[11]，河道疏浚[12-14]等。許多措施已成功應(yīng)用于實(shí)際工程，但是針對不同的地形河道，特別是山區(qū)分汊河道，其整治難點(diǎn)主要是在已建成的樞紐工程上采取工程措施或者非工程措施來改善通航水流條件，且不影響已有建筑物、電站發(fā)電以及上游泄洪。不同河段具有不一樣的地質(zhì)、水文、水流、泥沙特征，其整治效果需要充分考慮并整合當(dāng)?shù)靥厥獾沫h(huán)境要素，論證整治措施對工程的可行性。

根據(jù)大洑潭樞紐整體物理模型及船舶試驗(yàn)，本文對上下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件、整治措施及整治后可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行綜合分析，這對該航道工程的改建具有較重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也可為其他類似工程提供借鑒與參考。

2 樞紐概況與模型設(shè)計(jì)

沅水是長江第3大支流，同時(shí)也是湖南省第2大河流，是國家規(guī)劃的全國高等級航道布局的主要通道之一。大洑潭樞紐位于懷化市辰溪縣修溪鄉(xiāng)境內(nèi)，屬沅江干流中游，距辰溪縣城8.5 km。樞紐總平面布置從左至右依次為：左汊左岸混凝土重力壩、左汊12孔泄洪閘、右岸土壩段、船閘、右汊8孔泄洪閘、發(fā)電廠房、右汊右岸連接建筑物(圖1)。本樞紐共5臺(tái)發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組額定流量480 m3/s，通航建筑物按IV級航道標(biāo)準(zhǔn)，通航500 t船舶。大洑潭樞紐作為沅水梯級水利樞紐中的第12級樞紐，能有效加強(qiáng)前后2級水利樞紐的渠化作用，使許多礙航灘險(xiǎn)淹沒于河底，改善通航水流條件。

圖1 大洑潭樞紐整體布置Fig.1 Layout of the Dafutan navigation-hydropower juncture

現(xiàn)階段上游口門區(qū)及連接段存在問題：①船閘位于木洲中間，船舶進(jìn)出引航道易受水流分汊產(chǎn)生斜流作用的影響；②引航道導(dǎo)航墻掩護(hù)作用有限，兩汊同時(shí)泄流時(shí)口門區(qū)橫流較大，船舶易偏離航道，撞擊岸坡。

下游口門區(qū)及連接段存在問題：①引航道導(dǎo)航墻對橫流的削弱有限，口門區(qū)出堤頭處河道過水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，使河道水流向外擴(kuò)散，流線彎曲變形，產(chǎn)生流速梯度，產(chǎn)生斜流，加上口門區(qū)前方存在凸嘴邊坡，對水流產(chǎn)生頂沖作用，使該區(qū)域水流流態(tài)變得更加復(fù)雜；②口門區(qū)位于左側(cè)泄水閘下泄的動(dòng)水與引航道靜水的交匯位置，兩者之間的紊動(dòng)切應(yīng)力作用，產(chǎn)生回流區(qū)域；③洲尾右汊水流與左汊航道交角較大，斜流較強(qiáng)；④人工挖采砂石、局部沖刷等原因，口門區(qū)及連接段航槽凸凹不平，沙丘、深槽錯(cuò)落，通航水深不足。近幾年木洲險(xiǎn)灘及洲尾左岸險(xiǎn)灘的面積擴(kuò)大，礙航情況進(jìn)一步惡化，航道通航水流條件和尺度的不足，嚴(yán)重影響船舶正常安全地進(jìn)出引航道。

根據(jù)大洑潭樞紐上下游河段河勢特點(diǎn)，考慮到模型上下游邊界對通航水流的影響，確定模擬范圍為從壩軸線上游約1.8 km處至下游約3.7 km。模型須滿足重力相似、阻力相似、水流連續(xù)性相似和幾何相似條件。綜合考慮，模型采用平面和垂直比尺均為1∶80的整體正態(tài)定床物理模型。

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)與《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 305—2001(2015年版))均對口門區(qū)水流控制主要參數(shù)做出了具體規(guī)定：縱向流速Vy≤1.5 m/s，橫向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V回≤0.4 m/s；連接段水流條件參數(shù)的確定，一般認(rèn)為連接段通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)介于口門區(qū)與內(nèi)河航道之間，本文采用縱向流速Vy≤2.5 m/s、橫向流速Vx≤0.45 m/s作為控制參數(shù)[2]。船模航行指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)為：口門區(qū)舵角應(yīng)<20°，漂角<10°；漂角大小與航道寬度有關(guān)，而本樞紐航道進(jìn)行了拓寬，連接段舵角應(yīng)<25°，漂角應(yīng)<20°，且不能長時(shí)間壓大舵角，以此來判別航行狀態(tài)的優(yōu)劣。

3 工程整治前試驗(yàn)結(jié)果與分析

船閘設(shè)計(jì)最大通航流量采用2 a一遇洪水流量9 630 m3/s，上游最高通航水位為正常蓄水位129 m，下游最低通航水位為113.3 m，最高通航水位為122.65 m，根據(jù)河段徑流特征和樞紐運(yùn)行方式，選擇從600～9 630 m3/s(P=50%)共4級流量來研究上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件特性，其中Q=600 m3/s為最低通航流量，Q=2 400 m3/s為下游最不利通航情況即中水常見流量，Q=5 500 m3/s為汛期常見流量，Q=9 630 m3/s為2 a一遇洪水流量。試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

3.1 上游引航道通航水流條件與船模試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.1 上游引航道通航水流條件

水流條件試驗(yàn)結(jié)果見表2。在主要由電站發(fā)電泄水(Q=600，2 400 m3/s)的情況下，上游右岸動(dòng)水帶動(dòng)左岸靜水，在口門區(qū)處形成局部回流，但由于引航道口門區(qū)位于木洲左側(cè)，受到右側(cè)動(dòng)水影響較小，橫向流速、回流流速均在限值內(nèi)。

表2 上游引航道口門區(qū)及連接段流速測量結(jié)果Table 2 Measured velocities in the entrance andconnection segment of upstream approach channel

從表2可知，流量Q=5 500 m3/s時(shí)，最大橫向流速均超過了限值0.3 m/s，最大回流流速0.60 m/s，超過限值0.4 m/s，口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速為0.32 m/s，船舶操縱有一定難度。在Q=9 630 m3/s時(shí)，口門區(qū)最大縱向流速和橫向流速均大范圍超過限值2 m/s和0.3 m/s，連接段內(nèi)橫流超過限值0.45 m/s，由于船閘引航道外側(cè)泄水閘泄水，且動(dòng)水流速較大，口門區(qū)內(nèi)幾乎沒有靜水，回流范圍及強(qiáng)度減小。分汊口水流方向與航道交角較大。

3.1.2 上游船舶航行試驗(yàn)分析

選取航行試驗(yàn)困難的特征流量來進(jìn)行分析，并與通航水流試驗(yàn)結(jié)果互為驗(yàn)證。當(dāng)流量為5 500 m3/s時(shí)，船模以3.5 m/s的航速(靜水航速，下同)下行至距堤頭200 m受到右汊斜流作用，最大需操28°舵角完成轉(zhuǎn)向，船尾向右偏移，漂角最大為-17.4°。船模以4.5 m/s航速上行，距堤頭150 m處，受到左汊斜流作用，最大需操25°舵角來調(diào)整船態(tài)，最大漂角為-9.3°。當(dāng)流量為9 630 m3/s時(shí)，船模以3.5 m/s的航速下行經(jīng)過連接段和口門區(qū)過渡段時(shí)，右汊斜流作用強(qiáng)烈，此時(shí)舵角已打滿(滿舵為30°)，偏出航道。船模以4.5 m/s的航速上行，距堤頭70 m處，受到左汊斜流作用，船頭左偏，整體偏離航道，此時(shí)舵角已打滿。

在流量>5 500 m3/s后，由于左右汊同時(shí)開閘泄水，引航道口門區(qū)及連接段位于洲頭兩汊分汊口，同時(shí)上下行分別受到左右汊斜流的影響，船模通行困難，航行指標(biāo)超過限值。

3.2 下游引航道通航水流條件與船模試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 下游引航道通航水流條件

下游引航道口門區(qū)及連接段流速測量結(jié)果見表3。 在Q=600 m3/s最低通航流量下， 由于樞紐泄量減小， 水流經(jīng)由右汊過流， 左汊引航道口門區(qū)內(nèi)水流為靜水， 洲尾連接段處水流與航道交角達(dá)到42°， 最大橫向流速超出限值0.45 m/s。 在Q=2 400 m3/s電站滿發(fā)流量下， 此時(shí)船模處于最不利通航情況下， 洲尾連接段處最大橫向流速大幅度超過限值。 在Q=5 500 m3/s下， 由于左汊開閘泄水， 引航道口門區(qū)最大回流流速為0.58 m/s， 超過0.4 m/s， 不利于船模通航。 原因之一為左汊船閘下游引航道連接段河槽深坑錯(cuò)落， 水流集中于串溝與航槽成較大交角沖入航槽(圖2)， 而且洲尾處連接段內(nèi)局部范圍測點(diǎn)超出限值， 這是由于左汊的出流對右汊過水產(chǎn)生頂托作用， 水流與航道交角減小。 在Q=9 630 m3/s下， 口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速達(dá)到0.96 m/s， 大幅度超過0.3 m/s， 最大縱向、 回流流速也超出限值。

3.2.2 下游船模航行試驗(yàn)分析

當(dāng)流量為600 m3/s時(shí)，船模以2 m/s的航速下行至堤頭以下300 m時(shí)，由于航槽水深不足，需左轉(zhuǎn)繞過此處，舵角超標(biāo)，在洲尾處同樣水深不足需調(diào)整舵角偏離航線進(jìn)入下游右側(cè)，上行情況相同。當(dāng)流量為2 400 m3/s時(shí)，船舶以3.5 m/s的航速下行經(jīng)過洲尾匯流口，受右汊斜流作用，向左偏離航線，舵角已打滿，最大漂角為29.8°，船模以4.5 m/s的航速上行至洲尾處，同樣偏離航線，最大漂角為31.9°。當(dāng)流量為5 500 m3/s時(shí)，船舶以2.5 m/s的航速下行經(jīng)過引航道口門區(qū)航段，受左側(cè)橫流作用，最大舵角為22.8°，最大漂角-17.7°，通過洲尾匯流處，受右汊斜流影響，最大舵角為25.7°，上行情況相同位置舵角及漂角與下行時(shí)的類同。當(dāng)流量為9 630 m3/s時(shí)，船模以3.5 m/s的航速下行經(jīng)過口門區(qū)時(shí)，最大舵角28°，最大漂角24.2°，橫流強(qiáng)度大，船模偏離航線撞擊右岸。船模以4.5 m/s的航速上行至洲尾匯流處，最大舵角25°，最大漂角19.8°。

表3 下游引航道口門區(qū)及連接段流速測量結(jié)果Table 3 Measured velocities in the entrance andconnection segment of downstream approach channel

圖2 左汊下游引航道連接段復(fù)雜地形Fig.2 Complex terrain of the connecting segment ofdownstream approach channel in the left branch

在主要由右汊泄流的情況下，由于洲尾匯流處右汊水流與左汊航道存在較大交角，斜向水流作用明顯，在流量為2 400 m3/s時(shí)，右汊斜流影響最大，此時(shí)為船模最不利通航情況，上下行船舶均不能安全通過洲尾連接段；在流量>5 500 m3/s后，由于下游引航道導(dǎo)航墻對船模的掩護(hù)作用較小，在堤頭處存在較大橫向水流以及回流，導(dǎo)致船模操縱性變差，易偏離航道，撞擊右側(cè)凸嘴。

4 整治方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 初步整治方案與船模試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 上、下游引航道通航水流條件整治措施

針對上述引航道口門區(qū)及連接段存在礙航問題及原因，采取整治工程和優(yōu)化引航道導(dǎo)航墻布置長度的工程措施：①上游引航道新建158 m導(dǎo)航墻與洲頭平齊，加強(qiáng)導(dǎo)航墻掩護(hù)作用，減弱橫流影響；②下游引航道新建300 m導(dǎo)航墻，開挖深度為1.9 m的2條航槽，航線1和航線2，寬度分別為70 m和50 m，調(diào)順口門區(qū)及連接段內(nèi)水流，提高航道尺度，改善通航水流條件，航線2較航線1遠(yuǎn)離右汊出口位置，靠近左側(cè)岸線。洲尾建2座挑流丁壩，束窄水面寬度，改善洲尾處通航水流條件，減小斜流對左汊船模航行影響。采取上述工程措施，針對航線1、航線2分別形成優(yōu)化方案①、優(yōu)化方案②。調(diào)整后的工程布置見圖3。

圖3 優(yōu)化方案①，優(yōu)化方案②布置圖Fig.3 Optimized arrangements in scheme ① andscheme ②

采取整治措施后的通航水流試驗(yàn)結(jié)果見表4。上游導(dǎo)航墻建成后，相應(yīng)流量下的口門區(qū)及連接段水流條件有明顯改善。但是在流量Q=9 630 m3/s下，連接段范圍內(nèi)最大橫向流速仍>0.45 m/s。為了確定船模安全通行的最大通航流量，不斷下調(diào)流量并同時(shí)結(jié)合船模試驗(yàn)以及水流流速測量結(jié)果可知，當(dāng)Q=8 800 m3/s時(shí)，水流條件和船模試驗(yàn)結(jié)果均在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

通過采取多種整治措施，下游口門區(qū)通航水流條件得到明顯改善，能夠滿足規(guī)范要求。但洲尾連接段水流條件改善效果有限，當(dāng)Q=2 400 m3/s時(shí)，最大橫向流速為0.72 m/s，超過限值，其余當(dāng)Q=600,5 500 m3/s時(shí)，局部最大橫向流速分別為0.48，0.46 m/s，與限值0.45 m/s相差不大，基本滿足要求。當(dāng)Q=9 630 m3/s，連接段局部最大橫向流速為0.5 m/s，大于限值0.3 m/s。由于航線2位于航線1左側(cè)，故航線2較航線1受右汊斜流的影響稍小。

表4 優(yōu)化方案①引航道口門區(qū)及連接段流速測量結(jié)果Table 4 Measured velocities in the entrance andconnection segment of approach channel in scheme ①

4.1.2 上、下游船模航行試驗(yàn)分析

上游采取新建158 m導(dǎo)航墻，在流量>5 500 m3/s后口門區(qū)通航水流條件改善明顯，并且口門區(qū)及連接段內(nèi)的通航情況有較好改善；當(dāng)流量為5 500 m3/s時(shí)，船模以2.5 m/s的航速下行，最大舵角為19.3°，最大漂角為-9°，滿足航行指標(biāo)要求；船模以3.5 m/s的航速上行時(shí)，最大舵角為18.1°，最大漂角為6.7°，滿足航行指標(biāo)要求；當(dāng)流量為9 630 m3/s時(shí)，船模以4.5 m/s的航速上行至距堤頭140 m航道時(shí)，最大舵角為24.2°，最大漂角13.8°，由于上游水深充足，船模駛出引航道，水面寬度較大，無礙航情況。船模以3.5 m/s的航速下行至距堤頭90 m航道時(shí)，最大舵角為24.7°，最大漂角16°，航行參數(shù)超標(biāo)。

下游新建300 m導(dǎo)航墻后，口門區(qū)的航行狀態(tài)得到改善，但是洲尾連接段處的船模航行依然存在困難。當(dāng)流量為600 m3/s時(shí)，船模以2 m/s的航速下行至洲尾航道時(shí)，最大舵角26.7°，最大漂角為17.7°，船模偏離至上行航道；當(dāng)流量為2 400 m3/s時(shí)，船模以3.5 m/s的航速下行至洲尾航道時(shí)，最大舵角為29.1°，最大漂角為19.9°，船模偏離航道；當(dāng)流量為5 500 m3/s時(shí)，船模以3 m/s的航速下行經(jīng)過洲尾航道，最大舵角為25.6°，最大漂角為-9.3°，通過洲尾匯流處，最大舵角為25.1°，最大漂角11°；當(dāng)流量為9 630 m3/s時(shí)，船模以3.5 m/s的航速下行經(jīng)過連接段航道內(nèi)，最大舵角25°，最大漂角為-11.1°。船模以5.0 m/s的航速上行經(jīng)過洲尾匯流處，最大舵角為22.9°，最大漂角為11.4°，經(jīng)過口門區(qū)最大舵角21.3°，最大漂角為-12.3°。

根據(jù)通航水流及船模試驗(yàn)結(jié)果可知：①上游除了流量9 630 m3/s時(shí)，其余流量下通航水流條件得到較好改善，船模能夠正常進(jìn)出引航道。由于船閘建于木洲中部上游，不可避免地受到水流分汊帶來的斜流影響。②下游由于航槽的開挖和導(dǎo)航墻的延長，解決了通航水深不足的問題和加強(qiáng)導(dǎo)航墻的掩護(hù)作用，口門區(qū)的通航水流條件有一定改善，船模航行參數(shù)滿足規(guī)范要求。③丁壩對減弱斜流以及減小水流與航道交角的作用有限，本質(zhì)上把洲尾連接段問題下移。④航線2的通航水流條件及船模試驗(yàn)結(jié)果較航線1的通航水流條件及船模試驗(yàn)結(jié)果稍好。

4.2 下游通航進(jìn)一步優(yōu)化措施及船模試驗(yàn)

根據(jù)初步整治措施試驗(yàn)結(jié)果，擬對依然存在通航問題的下游洲尾采取進(jìn)一步優(yōu)化措施。在洲尾新建一座順壩，以減小右汊主流與航線交角，從而降低斜流的影響。在優(yōu)化方案①、優(yōu)化方案②的基礎(chǔ)上用順壩代替丁壩，順壩長度300 m，高9 m，寬4 m，形成優(yōu)化方案③、優(yōu)化方案④(圖4)。在洲尾處增加一座順壩，相當(dāng)于延長了左右汊匯流的距離，使得現(xiàn)洲尾形成彎道邊界條件，從電站出水到順壩壩根近似看成“s”型彎道，該河段可看作彎道水流。洲尾處增加一座順壩，束窄河流水面寬度，改變水流流向，減小右汊主流與航道交角，降低右汊水流產(chǎn)生的橫流強(qiáng)度大小以及該拐彎處水流的彎道半徑和線型，從而達(dá)到改善洲尾處通航水流條件的目的。

圖4 優(yōu)化方案③，優(yōu)化方案④布置圖Fig.4 Optimized arrangements in scheme ③ and ④

洲尾改建順壩后，匯流處連接段的通航水流條件得到明顯改善，當(dāng)Q分別為600，2 400，5 500 m3/s時(shí)，洲尾最大橫向流速均小于限值0.45 m/s，滿足安全通航要求(表5)。當(dāng)Q=9 630 m3/s，口門上游220～400 m連接段內(nèi)最大橫向流速>0.45 m/s，超過限值，口門區(qū)回流流速0.42 m/s，超過限值0.4 m/s，但超過的幅度較小，應(yīng)結(jié)合船模通行試驗(yàn)結(jié)果分析。

順壩的布置束窄了水面過流寬度，導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，造成壩頭凹岸在枯水時(shí)淤積和在洪水時(shí)沖刷，此處應(yīng)做好護(hù)岸、護(hù)底措施，提高抗沖刷強(qiáng)度，做好防淤和減淤措施。

表5 優(yōu)化方案③下游引航道口門區(qū)及連接段流速測量結(jié)果Table 5 Measured velocities in the entrance andconnection segment of downstream approach channelin scheme ③

優(yōu)化方案①和優(yōu)化方案③航段航行參數(shù)變化見表6。

表6 優(yōu)化方案①和優(yōu)化方案③航段航行參數(shù)變化Table 6 Change of navigational parameters ofscheme ① and ③

由表6可知，下游洲尾丁壩改為順壩后，匯流處連接段船模試驗(yàn)結(jié)果得到明顯改善。流量分別為600，2 400，5 500，9 630 m3/s時(shí)，對應(yīng)船模航行參數(shù)均得到不同程度的改善，優(yōu)化方案①與優(yōu)化方案③口門區(qū)航行參數(shù)相差較小，但優(yōu)化方案③洲尾航道航行參數(shù)較優(yōu)，且均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

沅水大洑潭樞紐受眾多因素制約，船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流復(fù)雜，不利于船舶通航。采用1∶80幾何比尺的整體物理模型對樞紐通航水流開展試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)大洑潭樞紐布置存在缺陷，船閘上游引航道口門區(qū)及連接段位于木洲中部，水流分為左右兩汊，與航線交角較大，橫流較強(qiáng)。下游口門區(qū)及連接段的航槽深坑與沙丘錯(cuò)亂，凹凸不平，通航水深不足，洲尾斜流較強(qiáng)，且水流與航道交角較大，需采取整治措施改善通航水流條件。

(2)根據(jù)本文提出的整治措施的模型試驗(yàn)結(jié)果，在優(yōu)化方案④下，上游引航道通航水流條件可得到較大改善，整治后最大通航流量約為8 800 m3/s。對下游航槽開挖及新建導(dǎo)航墻可較好地改善口門區(qū)通航水流條件；洲尾順壩減小水流與航道夾角并減弱右汊斜流影響；航槽開挖及拓寬后航線2的洲尾連接段通航水流條件及航行參數(shù)更優(yōu)，且左汊通行時(shí)不易撞擊江心洲。本樞紐綜合整治優(yōu)化方案對其他類似工程具有一定參考價(jià)值。

(3)分汊河段水流分汊與交匯時(shí)水流方向與航線的交角是影響船舶安全通航的一個(gè)關(guān)鍵要素，可以通過設(shè)置丁壩、順壩來調(diào)整水流與航線交角；船閘不宜布置在分汊河道江心洲中部且航線盡可能布置或靠近順直河段一側(cè)，減輕斜向水流帶來的影響。

(4)順壩的布置束窄了水面寬度，流速增大，會(huì)造成壩頭凹岸在枯水時(shí)淤積和在洪水時(shí)沖刷，應(yīng)做好護(hù)岸、護(hù)底、防淤和減淤措施。