贛江井岡山航電樞紐船閘下游口門區(qū)及連接段通航水流條件試驗(yàn)研究

余 凱， 馬 駿， 王志鵬

(1. 江西省港航管理局吉安分局， 江西 吉安343000；2. 江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 江西 南昌330008)

引航道口門區(qū)位于動(dòng)靜水交界水域， 常形成斜向水流、 泡漩水等不良流態(tài)， 對(duì)進(jìn)出船閘引航道口門區(qū)船舶產(chǎn)生斜流效應(yīng)[1]， 引起船舶發(fā)生橫漂和艏揺， 影響通航安全和通航效率。 近年來(lái)， 隨著贛江高等級(jí)航道開發(fā)建設(shè)， 在寬淺河道上陸續(xù)建成低水頭航電樞紐， 由于河槽寬淺、 沙洲灘地存在， 造成引航道口門區(qū)通航水流條件更加復(fù)雜。

江西贛江井岡山航電樞紐為低水頭航電樞紐，壩址所在河道寬淺， 樞紐水庫(kù)基本利用原河床槽蓄， 總庫(kù)容較小。 樞紐布置見圖1， 從左岸至右岸依次為: 左岸土石壩、 船閘、 左區(qū)8 孔泄水閘、泄水閘導(dǎo)墻、 右區(qū)15 孔泄水閘、 廠閘導(dǎo)墻、 電站廠房、 安裝場(chǎng)、 魚道、 右岸土石壩， 壩軸線總長(zhǎng)1 070.3 m。 船閘位于河床左側(cè)， 船閘軸線與壩軸線正交， 船閘級(jí)別為Ⅲ級(jí)， 有效尺度為180 m×23 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)， 采用曲線進(jìn)閘、直線出閘的過(guò)閘方式。 船閘下游導(dǎo)堤左側(cè)為小港溪改道排水渠， 排水渠右側(cè)在天然地形上回填土石堤， 將小港溪與下游引航道隔開。 受左區(qū)8 孔泄水閘下游左側(cè)灘地疏挖及小港溪排水渠土石堤影響， 下游引航道口門區(qū)存在較明顯的橫流和較大回流區(qū)域， 通航條件亟待優(yōu)化。 因此， 對(duì)下游引航道的通航水流條件進(jìn)行模型試驗(yàn)研究， 利用工程措施改善船閘下游口門區(qū)通航水流條件， 以滿足船閘安全通航要求， 同時(shí)為類似工程提供參考。

圖1 井岡山航電樞紐總體布置

1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

井岡山航電樞紐水工整體定床模型幾何比尺為1∶100， 模擬范圍包括壩址上游2.0 km 至下游3.5 km 范圍內(nèi)的河道地形及樞紐建筑物， 模型總占地范圍為15 m×70 m(寬×長(zhǎng))。 模型天然河床地形根據(jù)2016 年實(shí)測(cè)的地形資料模擬， 依據(jù)水文推算的天然河道水位流量關(guān)系資料進(jìn)行模型河道糙率校正， 校正后同級(jí)流量下模型河道水面高程與水文推算值誤差均在0.1 m 以內(nèi)， 模型與原型的相似性較好， 滿足相關(guān)水工模型試驗(yàn)規(guī)程要求。

船模試驗(yàn)選取與水工整體模型相同的幾何比尺(λL=100)， 船型選用2×1 000 噸級(jí)分節(jié)駁船隊(duì): 157 m×10.8 m×2 m(長(zhǎng)×寬×吃水)。 因尚無(wú)本樞紐船隊(duì)實(shí)船操縱性能資料， 將船舶操縱性能進(jìn)行負(fù)修正， 總操縱性能指數(shù)降低21%， 以確保通航安全。

2 通航水流條件模型試驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究

2.1.1 船閘下引航道布置

下引航道設(shè)計(jì)航線與天然航線近似平行， 由690.1 m 的直線段， 接弧長(zhǎng)79.7 m、 彎曲半徑800.0 m、 圓心角5.71°的圓弧段， 再接185.9 m的直線段組成， 總長(zhǎng)1 158.7 m， 寬50 m。 口門區(qū)長(zhǎng)320.0 m， 底寬60.0 m。 靠船建筑物布置在引航道右側(cè)， 共布置17 個(gè)靠船墩， 軸線間距20.0 m，長(zhǎng)320.0 m。 船閘引航道與泄水閘之間采用鋼筋混凝土分水墻隔開。 平面布置見圖2。

圖2 下游引航道平面布置(單位: m)

2.1.2 模型試驗(yàn)工況及通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)

為了解設(shè)計(jì)方案船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件， 結(jié)合泄洪消能對(duì)下引航道水流影響，選取6 個(gè)特征通航流量進(jìn)行試驗(yàn)， 共計(jì)8 個(gè)試驗(yàn)工況， 其中6 000、 8 000 m3∕s 進(jìn)行泄洪閘敞泄及局部開啟兩種工況試驗(yàn)， 試驗(yàn)工況見表1。

表1 水流模型試驗(yàn)工況

本工程航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)， 根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[2]， 船閘引航道口門區(qū)水流表面最大流速限值為: 引航道口門區(qū)縱向流速vy≤2.0 m∕s； 橫向流速vx≤0.3 m∕s； 回流流速vh≤0.4 m∕s； 無(wú)其他影響船舶安全航行的泡漩水、亂流等不良流態(tài)。 引航道內(nèi)調(diào)順段和導(dǎo)航段宜為靜水區(qū)， 制動(dòng)段和停泊段表面流速限值: 縱向流速vy≤0.50 m∕s， 橫向流速vx≤0.15 m∕s。

2.1.3 模型試驗(yàn)成果分析

設(shè)計(jì)方案下， 當(dāng)Q=2 250 m3∕s 時(shí)， 口門區(qū)航線中心線右側(cè)25 m 水域水流夾角約15°， 橫向流速0.32～0.33 m∕s， 口門近岸側(cè)為260 m 長(zhǎng)回流區(qū)域， 最大為-0.42 m∕s。 連接段航道流速逐步增大， 水流流向與航跡線基本一致， 滿足通航要求；當(dāng)Q=4 000 m3∕s 時(shí)， 右區(qū)單號(hào)孔均勻控泄， 引航道口門區(qū)流速較6 臺(tái)滿發(fā)Q=2 250 m3∕s 時(shí)有所減小， 口門區(qū)水流條件滿足規(guī)范要求， 引航道最大橫向流速為0.38 m∕s， 位于土石堤下游引航道近岸側(cè)。 當(dāng)Q=6 000 m3∕s 控泄時(shí)， 口門區(qū)近土石堤側(cè)為回流， 最大為-0.43 m∕s， 連接段水流向左偏向較大， 口門區(qū)末端至土石堤下游50 m 內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向流速超標(biāo)， 最大橫向流速為0.54 m∕s。 當(dāng)Q=6 000 m3∕s 敞泄時(shí)， 水流與航跡線夾角小于10°， 引航道口門區(qū)水流條件可滿足通航要求； 當(dāng)Q=8 000 m3∕s 控泄時(shí)， 除口門區(qū)末端至土石堤下游50 m 內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向流速超標(biāo)， 其余區(qū)域滿足通航要求； 當(dāng)Q=8 000 m3∕s 敞泄時(shí)， 口門區(qū)末端至下游200 m 航線上橫向流速輕微超標(biāo)， 基本滿足通航要求。 在Q=11 800 m3∕s(保證率P=20%)敞泄條件下， 口門區(qū)水流向下游逐步向左側(cè)擴(kuò)展，航道中心線附近橫向流速略微超標(biāo)， 近岸靠土石堤側(cè)為回流區(qū)， 最大為-0.77 m∕s。 連接段航道右側(cè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向流速輕微超標(biāo)， 僅有左側(cè)40 m 寬航道基本滿足通航要求。 在Q=14 100 m3∕s(P=10%)敞泄條件下(圖3)， 口門中間個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速略微超標(biāo)， 最大為0.41 m∕s， 近岸靠土石堤側(cè)回流最大值為-0.48 m∕s。 連接段航道右側(cè)流速水流表面流速超2.00 m∕s， 最大為2.84 m∕s。 航道左側(cè)水流向左側(cè)偏向較大， 左側(cè)較大區(qū)域橫向流速超標(biāo)， 最大為0.51 m∕s， 引航道水流條件難以滿足通航要求。 綜上分析， 須對(duì)原設(shè)計(jì)方案下游引航道布置進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 Q=14 100 m3∕s 敞泄下游引航道流速(單位: m/s)

2.2 優(yōu)化方案1

2.2.1 方案布置

結(jié)合設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果分析， 由于設(shè)計(jì)方案隔流墻較長(zhǎng)， 口門區(qū)末端位于土石堤頭， 水流出隔流墻向口門區(qū)內(nèi)擴(kuò)散后左偏向堤頭， 引起水流夾角較大， 造成口門區(qū)橫流及回流流速超標(biāo)。 同時(shí)在大流量級(jí)泄洪閘敞泄條件下， 引航道口門區(qū)右邊緣區(qū)域縱向流速過(guò)大情況。 鑒于此， 首先考慮縮短隔流墻， 則口門區(qū)向上移動(dòng)至土石堤頭上游， 擬定了隔流墻縮短300、 450 m 兩個(gè)方案， 對(duì)應(yīng)隔流墻縮短距船閘下閘首分別為854、 704 m。

2.2.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

選 取Q= 2 250、 4 000、 8 000、 11 800、14 100 m3∕s進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)， 結(jié)果見表2。 分析可知， 由于隔流墻縮短， 口門區(qū)上移， 口門區(qū)水域水流表面流速較原設(shè)計(jì)方案有所減小， 縮短450 m方案減幅較大。 但在機(jī)組滿發(fā)和右區(qū)泄洪閘控泄條件下， 引航道口門區(qū)受電站來(lái)水及右區(qū)泄水和左區(qū)8 孔泄洪閘下游灘地影響明顯， 口門區(qū)反而出現(xiàn)大面積回流且回流較大超過(guò)規(guī)范要求， 回流最大值達(dá)0.64 m∕s， 縮短300 m 方案回流區(qū)長(zhǎng)度約為縮短450 m 方案的2∕3， 回流超標(biāo)值較縮短450 m方案小。 因水流流速小于2.0 m∕s， 橫向流速超標(biāo)較少。 在機(jī)組不運(yùn)行、 敞泄條件下， 左區(qū)泄洪閘開啟， 上述影響減弱， 水流更加平順與航跡線夾角較小， 縮短隔流墻方案橫向流速減小明顯，在Q=14 100 m3∕s 時(shí)， 僅有少量測(cè)點(diǎn)橫向流速超標(biāo)，最大值為0.34 m∕s。 縮短隔流墻方案回流較設(shè)計(jì)方案有所減小， 在縮短300 m 方案下回流輕微超標(biāo)0.03 m∕s， 回流長(zhǎng)度約為縮短450 m 方案的3∕4。 綜上可見， 縮短300 m 方案優(yōu)于縮短450 m 方案。

表2 隔流墻縮短前后口門區(qū)水流表面流速變化

2.3 優(yōu)化方案2

2.3.1 方案布置

由優(yōu)化方案1 試驗(yàn)成果可知， 雖然縮短了隔流墻長(zhǎng)度， 口門區(qū)水流條件得到一定改善， 但受下泄尾水及地形影響， 口門區(qū)仍存在大范圍回流區(qū)， 口門區(qū)右側(cè)邊緣縱向流速仍較強(qiáng)勁， 口門區(qū)的通航水流條件未得到根本改善。 參照類似工程經(jīng)驗(yàn)， 采取工程措施進(jìn)一步減小口門區(qū)斜流、 削弱回流強(qiáng)度[3-5]。 在縮短隔流墻方案基礎(chǔ)上增設(shè)透水墻， 提出優(yōu)化方案2， 即: 隔流墻縮短至船閘下閘首下游560 m之后， 向右偏轉(zhuǎn)2°設(shè)置長(zhǎng)260 m 透水墻， 透水墻兩個(gè)墩軸線間距為20 m， 透水孔長(zhǎng)17 m、 高1.5 m， 孔底高程60 m。 透水墻平立面布置見圖4，優(yōu)化方案2 平面布置見圖5。

圖4 引航道口門區(qū)設(shè)置透水墻布置(單位: m)

圖5 引航道口門區(qū)設(shè)置透水墻布置(單位: m)

2.3.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明， 由于隔流墻開孔， 部分表層水流進(jìn)入引航道口門區(qū)內(nèi)， 有效地壓縮了口門區(qū)回流。 同時(shí)， 由于隔流墻由順直型改為頭部外挑，減小了水流斜穿口門區(qū)角度， 使得在增設(shè)透水墻方案條件下， 下游引航道口門區(qū)回流區(qū)段縮短至約120 m 范圍內(nèi)， 自透水段100 m 處起， 引航道內(nèi)水流與航跡線基本一致， 且流速比單純縮短隔流墻方案減小明顯。 在Q=14 100、 11 800 m3∕s 敞泄條件下， 除透水墻段最大回流分別為0.48、 0.43 m∕s，略微超標(biāo)。 其他區(qū)域水流條件均滿足通航要求。 在其他更小流量工況條件下， 透水墻段及引航道口門區(qū)最大回流及最大橫向流速均較未超標(biāo)。

3 船模航行試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究船閘引航道的通航水流條件，在優(yōu)化方案2 定床模型試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上， 選取Q=2 250、 1 534+103(3 臺(tái)機(jī)組+小港溪)、 5 500、8 000、 11 800、 14 100 m3∕s 通航特征流量進(jìn)行船模航行試驗(yàn)。 根據(jù)葛洲壩、 三峽等樞紐的試驗(yàn)成果及國(guó)內(nèi)學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)[6-8]， 參照《三峽船舶航行標(biāo)準(zhǔn)》， 本次試驗(yàn)船模進(jìn)出口門航行標(biāo)準(zhǔn)為: 上水航行對(duì)岸瞬時(shí)航速vL≥0.5 m∕s， 平均航速vLp≥1.0 m∕s； 舵角δ≤25°； 漂角β≤10°； 船隊(duì)與河岸最小安全距離B=10.8 m。 各通航流量級(jí)船模試驗(yàn)主要航行參數(shù)見表3。

表3 各通航流量級(jí)船模試驗(yàn)主要航行參數(shù)

上述試驗(yàn)結(jié)果表明， 各級(jí)工況條件下， 船隊(duì)進(jìn)出下游引航道口門， 上、 下行航行指標(biāo)均滿足船隊(duì)安全進(jìn)、 出口門區(qū)的航行標(biāo)準(zhǔn)， 航行姿態(tài)較好， 優(yōu)化方案2 滿足船舶的通航要求。 從各級(jí)工況最大舵角分析可知， 船隊(duì)上行難度大于下行，主要由于船隊(duì)上行是從引航道較寬水域操舵平衡斜流效應(yīng)進(jìn)入較窄口門區(qū)水域， 并操舵轉(zhuǎn)彎進(jìn)入停泊段。

4 結(jié)論

1)井岡山航電樞紐原設(shè)計(jì)方案下游引航道布置隔流墻較長(zhǎng)， 口門區(qū)末端位于岸側(cè)小港溪土石堤頭， 口門區(qū)大范圍回流超標(biāo)， 大流量級(jí)下橫向流速超標(biāo)， 表面水流強(qiáng)勁， 水流條件不滿足通航要求。

2)僅通過(guò)縮短隔流墻， 口門區(qū)橫向流速及縱向流速雖得到有效減小， 但存在較大范圍強(qiáng)勁回流區(qū)。 縮短隔流墻至船閘下閘首560 m 后輔以增設(shè)260 m 透水式隔流墻， 并透水段向河心側(cè)外挑，壓縮回流區(qū)域， 解決了口門區(qū)回流較大的問題，改善口門區(qū)通航水流條件， 可保證較寬水域滿足船舶安全通航要求。

3)在優(yōu)化方案2 條件下， 船隊(duì)進(jìn)出下游引航道口門航行參數(shù)指標(biāo)均滿足航行標(biāo)準(zhǔn)， 引航道口門區(qū)通航水流條件滿足船舶安全通航要求。