融江麻石船閘改擴(kuò)建工程下引航道通航水流條件模型試驗(yàn)*

陳 明，段黎明,王多銀,吳 信,麥建清,陳明棟,黃海津

(1.重慶交通大學(xué)，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530000)

為加快西江黃金水道發(fā)展，根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)人民政府關(guān)于印發(fā)廣西西江水運(yùn)建設(shè)和管理體制改革實(shí)施方案的通知》，其總投資近2億元，開(kāi)工建設(shè)西南水運(yùn)出海通道中線起步工程廣西段。該工程自紅水河曹渡河口—橋鞏樞紐航道總長(zhǎng)450 km，按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)代表船型為500噸級(jí)貨船，全線按一類航標(biāo)配布。隨著船舶的大型化發(fā)展，麻石已建船閘無(wú)法適應(yīng)未來(lái)航運(yùn)發(fā)展要求，需要建設(shè)新的通航建筑物作為過(guò)壩設(shè)施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和河勢(shì)等因素，有必要在舊船閘同一側(cè)擴(kuò)建新船閘。同時(shí)研究船閘上、下游引航道口門區(qū)水流條件能否滿足通航安全非常必要。眾所周知，船閘引航道口門區(qū)水流條件是影響船舶安全進(jìn)出閘的關(guān)鍵。融江麻石改擴(kuò)建工程所處河段較為順直，但其規(guī)劃航線偏向河心，加之河床左高右低，下泄洪水和電站出流斜沖引航道口門區(qū)，流態(tài)較為復(fù)雜。目前改善口門區(qū)水流條件的措施主要有兩類：1)修筑建筑物，如導(dǎo)流墩[1]、隔流堤[2-5]、導(dǎo)航墻[6-7]等；2)優(yōu)化疏浚，如調(diào)整河流與主航道線夾角、清淤、浚深和優(yōu)化導(dǎo)航建筑物尺寸、拓寬航道等。由于麻石樞紐右岸連接高山，開(kāi)挖疏浚困難，故需要尋求一種有效解決復(fù)雜水流的導(dǎo)航建筑物。透空式隔流堤[8-10]是常用于改善口門區(qū)斜向水流的導(dǎo)航建筑物，并具有引流和阻擋表流的特性，即引進(jìn)穩(wěn)定水流抵消部分回流，削弱開(kāi)孔部位表流動(dòng)蕩，對(duì)改善斜流和回流較大及振蕩性水流的效果較為明顯。

因此，本文依托麻石樞紐船閘改擴(kuò)建工程，采用1:100整體水工模型，著重分析透空式隔流堤改善下引航道口門區(qū)通航水流條件的效果。

1 工程概況

麻石已建船閘為單級(jí)船閘[11]，所處河段原航道等級(jí)為Ⅶ級(jí)，按通行60 t機(jī)動(dòng)駁船或2個(gè)20 m×6 m(長(zhǎng)×寬)的過(guò)壩木排尺寸設(shè)計(jì)，船閘等級(jí)為Ⅵ級(jí)，布置在電站右岸，舊船閘閘室有效尺度為40.5 m×8.0 m×1.1 m(長(zhǎng)×寬×檻上水深，下同)。整個(gè)船閘由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首及下游引航道組成，全長(zhǎng)212.4 m。麻石船閘設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量6.0萬(wàn)t，其中上行3.7萬(wàn)t。

融江麻石船閘改擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)為：通航500噸級(jí)船舶(兼顧1 000噸級(jí)單船)。新船閘仍布置在樞紐右岸，與壩軸線呈85°夾角，平面位置右移約50 m。推薦方案閘室有效尺度由原來(lái)的40.5 m×8.0 m×1.1 m增大為130 m×23 m×4.5 m。上、下游引航道采用不對(duì)稱布置，設(shè)計(jì)寬度為55 m。引航道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為：上游導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)150 m，停泊段長(zhǎng)130 m，口門區(qū)長(zhǎng)300 m；下游引航道導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)150 m，停泊段長(zhǎng)130 m，口門區(qū)長(zhǎng)320 m。上游錨泊地距離上游引航道口門區(qū)約570 m，下游錨泊地距離下游引航道口門區(qū)約800 m。新建船閘投入使用后舊船閘停止使用。下游總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)方案的總體布置

2 模型設(shè)計(jì)

樞紐整體水工物理模型比尺為1:100，為正態(tài)模型[12]。河道模型的制作以斷面板法為主，同時(shí)輔以等高線法相配合。在模型平面上用三角網(wǎng)進(jìn)行控制，高程由水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)定。制模過(guò)程中嚴(yán)格控制精度，確保模型平面誤差小于5 mm，高程誤差小于1 mm，且不存在系統(tǒng)誤差，從而保證了模型與原型達(dá)到幾何相似的要求(圖2)，達(dá)到了JTS/T 231-4—2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的幾何相似精度控制指標(biāo)。流速由重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的HD-4B電腦測(cè)速儀進(jìn)行觀測(cè)。模型上游進(jìn)口選取在大浪鄉(xiāng)衛(wèi)生所附近，距壩軸線長(zhǎng)約3.05 km，下游出口選取焦花塘渡口附近，距壩軸線長(zhǎng)約1.85 km，模擬原型河道長(zhǎng)度約為5 km，在上、下游引航道制動(dòng)段和口門區(qū)各布置了10個(gè)統(tǒng)計(jì)斷面(XSC1～10)，見(jiàn)圖3。由于實(shí)測(cè)資料匱乏，模型針對(duì)典型枯水流量(Q=560 m3/s)下沿程水位和沿程主流流速進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，僅下游存在一個(gè)測(cè)點(diǎn)水位誤差相對(duì)較大，原因?yàn)樵擖c(diǎn)距泄洪閘出口較近，出流十分紊亂，水面波動(dòng)較大所致，其余各測(cè)點(diǎn)水尺水位與原型水位的誤差均在±0.1 m允許范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求，即模型達(dá)到了阻力相似要求；斷面流速分布趨勢(shì)與原型基本一致，差值基本控制在10%以內(nèi)，即模型達(dá)到了水流運(yùn)動(dòng)相似要求。模型試驗(yàn)放水條件見(jiàn)表1。

圖2 水工模型

圖3 方案布置

表1 麻石樞紐水工模型試驗(yàn)放水條件

圖4 Q=560 m3/s時(shí)水面線及流速驗(yàn)證

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案

下游引航道原設(shè)計(jì)方案布置有導(dǎo)航墻、靠船墩和導(dǎo)流墩，頂高程均為129.3 m，航道底高程107.5 m。引航道導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)150 m，停泊段長(zhǎng)130 m、寬50 m。其中共設(shè)置7個(gè)靠船墩和8個(gè)導(dǎo)流墩，其連線總長(zhǎng)121 m，導(dǎo)流墩縱軸與導(dǎo)航墻中心線呈15°夾角，彎曲半徑400 m。

根據(jù)表1的工況，試驗(yàn)觀測(cè)了出庫(kù)流量Q≤13 800 m3/s時(shí)，各級(jí)流量情況下的船閘下引航道流速分布，結(jié)果表明：Q=720 m3/s時(shí)口門區(qū)橫向流速0.77 m/s，已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的0.3 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)口門區(qū)及制動(dòng)段內(nèi)出現(xiàn)大面積回流，最大回流流速0.47 m/s，超過(guò)規(guī)范規(guī)定的0.4 m/s的標(biāo)準(zhǔn)；尤其是Q=2 500 m3/s時(shí)，受河勢(shì)影響，船閘下游引航道形成振蕩性回流，口門區(qū)縱向流速范圍為0.24 ～2.25 m/s(規(guī)范規(guī)定的限值為2.0 m/s)，制動(dòng)段縱向流速范圍為0.24 ～1.10 m/s，均不滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q≥7 540 m3/s時(shí)，口門區(qū)及制動(dòng)段縱、橫向流速均超過(guò)規(guī)范要求，口門區(qū)最大縱向流速為2.86 m/s，最大橫向流速為0.77 m/s，制動(dòng)段最大縱向流速為1.30 m/s，最大橫向流速為0.67 m/s，口門區(qū)及制動(dòng)段靠右岸側(cè)還存在大面積回流，口門區(qū)最大回流流速為0.70 m/s，均超過(guò)規(guī)范要求。限于篇幅，本文重點(diǎn)給出典型流量Q=7 540 m3/s時(shí)原設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖5 Q=7 540 m3/s時(shí)原設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)(單位：m/s)

出現(xiàn)上述不良水流現(xiàn)象，其原因在于：1)引航道彎曲半徑較小，從而引航道中心線與主流交角較大。同時(shí)，導(dǎo)流墩擺向迎向河心，盡管彎曲半徑較小，挑流能力依然較差，且使得引入引航道的流量增大，容易造成流速超標(biāo)。2)獨(dú)立導(dǎo)流墩對(duì)表流削弱能力弱，在引航道內(nèi)易形成振蕩性水流。

3.2 優(yōu)化方案1

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在橫、縱向流速過(guò)大，導(dǎo)流墩改善斜流不佳等問(wèn)題。優(yōu)化方案1將下游引航道導(dǎo)流墩更換為透空式隔流堤，其布置長(zhǎng)度為120 m，中心連線曲率半徑為940 m。過(guò)流孔寬12 m、高8 m、孔間距20 m。同時(shí)，下游引航道寬度由50 m調(diào)整為55 m，航道中心線整體偏向右岸。方案布置見(jiàn)圖3，剖面見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化方案1的1-1剖面(單位：m)

當(dāng)720 m3/s≤Q≤7 540 m3/s時(shí)，各流量下口門區(qū)縱向流速均滿足要求，其中最大縱向流速為1.45 m/s。但口門區(qū)均出現(xiàn)大面積回流，通航條件較差，最大回流流速為0.77 m/s，超過(guò)規(guī)范要求，見(jiàn)圖7。其中，Q=2 500 m3/s時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)泄洪閘開(kāi)孔數(shù)小于9孔時(shí)，水流條件不滿足通航要求；開(kāi)孔數(shù)達(dá)到9孔后，基本滿足通航要求。當(dāng)Q=13 800 m3/s時(shí)，流速分布均勻，主流方向基本沿航道走向發(fā)展，各項(xiàng)水流指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖7 Q=7 540 m3/s時(shí)優(yōu)化方案1流場(chǎng)(單位:m/s)

相比原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案1通航水流條件有所改善，口門區(qū)內(nèi)縱向流速明顯變小，振蕩性水流問(wèn)題消失，但受地形條件的限制，當(dāng)上游來(lái)流量Q< 13 800 m3/s時(shí)，口門區(qū)均存在大面積回流，不滿足通航要求。導(dǎo)致水流條件改善不佳的主要原因在于隔流堤曲率半徑調(diào)整過(guò)大，從而未能達(dá)到較好的引流和挑流效果。

3.3 優(yōu)化方案2

針對(duì)優(yōu)化方案1存在回流過(guò)大的問(wèn)題，優(yōu)化方案2將航道寬度改回50 m。下游隔流堤仍采用透空形式，隔流堤平面布置與優(yōu)化方案1不同的是，隔流堤長(zhǎng)度為126 m，其曲率半徑縮小為500 m。其中過(guò)流孔高8 m、寬13 m、孔間距21 m。方案布置見(jiàn)圖3，2-2剖面見(jiàn)圖8。

圖8 優(yōu)化方案2的2-2剖面(單位：m)

試驗(yàn)結(jié)果表明，Q≤13 800 m3/s時(shí)除極個(gè)別點(diǎn)流速出現(xiàn)超標(biāo)外，基本滿足船舶通行要求，回流現(xiàn)象基本消除，如圖9所示。其中，Q=2 500 m3/s時(shí)，流態(tài)與優(yōu)化方案1相似，隨著泄洪閘開(kāi)孔數(shù)增加逐漸變好，開(kāi)孔數(shù)達(dá)到9孔后，滿足通航要求。由此說(shuō)明，曲率半徑由優(yōu)化方案1的940 m改變至500 m，孔寬和孔高分別取13和8 m后，制動(dòng)段和口門區(qū)流態(tài)得到進(jìn)一步改善，引流和挑流效果比較理想。

圖9 Q=7 540 m3/s時(shí)優(yōu)化方案2流場(chǎng)(單位：m/s)

3.4 優(yōu)化方案3

鑒于優(yōu)化方案2的過(guò)流孔高達(dá)8 m，會(huì)對(duì)船行安全造成一定影響，本文對(duì)優(yōu)化方案2進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)，即優(yōu)化方案3。將過(guò)流孔高度由8 m降低為4 m，孔頂高程由115.5 m降低為111.5 m，其他結(jié)構(gòu)尺寸均未改變，見(jiàn)圖10。

圖10 優(yōu)化方案3的2-2剖面(單位：m)

優(yōu)化方案3條件下，下游引航道在Q≤13 800 m3/s和開(kāi)孔數(shù)在9孔及以上時(shí)基本滿足通航要求。與優(yōu)化方案2相比，優(yōu)化方案3回流現(xiàn)象較為明顯，通航水流條件不如優(yōu)化方案2，如圖11所示。原因在于：降低過(guò)流孔高度后，進(jìn)入引航道的水體量減少，從而未能充分發(fā)揮縱向水流對(duì)回流形成的削弱作用。

綜合比較各優(yōu)化方案，優(yōu)化方案3的過(guò)流孔高度減小至4 m后，造成引流能力減弱，容易在口門區(qū)形成回流區(qū)域，其水流條件不如優(yōu)化方案2。但總體而言，優(yōu)化方案2和3的水流條件均優(yōu)于優(yōu)化方案1，且基本滿足Q≤13 800 m3/s條件下的通航要求。因此，為保障船舶安全進(jìn)出閘，建議至少應(yīng)按優(yōu)化方案3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖11 Q=7 540 m3/s時(shí)優(yōu)化方案3流場(chǎng)(單位：m/s)

4 結(jié)論

1)鑒于麻石船閘改擴(kuò)建工程下引航道的原設(shè)計(jì)方案水流條件較差的情況，通過(guò)1:100整體水工模型試驗(yàn)研究，采用系列工程措施進(jìn)行優(yōu)化，推薦采用透空隔流堤形式，隔流堤長(zhǎng)度126 m，曲率半徑500 m，過(guò)流孔高至少4 m、孔寬13 m、孔間距21 m。

2)根據(jù)本文系列優(yōu)化試驗(yàn)成果，研究發(fā)現(xiàn)采用透空隔流堤形式時(shí)，同步優(yōu)化隔流堤彎曲半徑，能有效改善引航道制動(dòng)段和口門區(qū)的斜流、振蕩性水流和回流等水力學(xué)問(wèn)題，該優(yōu)化思路可為類似工程提供技術(shù)參考。

3)本階段尚未進(jìn)行閘門不同開(kāi)啟方式和不同運(yùn)行水位組合的系列試驗(yàn)，建議下階段進(jìn)行更深入的研究，同時(shí)可開(kāi)展下引航道三維水流分布研究，以進(jìn)一步保障本工程建設(shè)方案的合理性和試驗(yàn)成果的豐富性。