窄深河道急彎下游樞紐上引航道布置及通航水流條件試驗

劉亞輝，王云莉，張紹培，張緒進

(重慶交通大學(xué) 西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

河道特性是影響船閘口門區(qū)通航水流條件關(guān)鍵因素之一，樞紐通航建筑物一般布置在順直、穩(wěn)定和開闊的河段上[1]。然而，隨著我國山區(qū)內(nèi)河航道的發(fā)展、航道規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的提高，原有狹窄、多彎的山區(qū)河道嚴(yán)重制約航電樞紐的擴能升級，限制新增通航建筑物的通航能力。因此，如何在合理利用山區(qū)河道天然河勢條件上改善特殊河段的通航水流條件，使其滿足通航水流標(biāo)準(zhǔn)(Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)水流縱向流速限值為2.0 ms，橫向流速限值為0.3 ms，回流流速限值為0.4 ms)，這對提高通航能力至關(guān)重要[2-3]。

上引航道通航水流試驗研究大多集中在寬淺河道，其口門水流條件改善措施常采用優(yōu)化引航道長度、夾角或透空方式[4-5]。若是布置在彎道內(nèi)或附近的引航道，則根據(jù)主流流向，適當(dāng)對引航道側(cè)地形局部開挖或口門區(qū)設(shè)置潛壩挑流等措施。目前，對窄深河道急彎下游通航水流研究較少。水流通過窄深河道急彎后，主流偏向河道凹岸。原船閘引航道若與主流流向同側(cè)，則擴能升級后的過長引航墻將位于河段深泓區(qū)，占據(jù)較大過流面積，導(dǎo)致其口門附近流速較大，通航水流條件極差。

因此，本文針對窄深河道急彎下山秀水利樞紐的上游引航道的平面布置與通航水流條件問題，開展樞紐通航水流條件物理模型試驗和船模試驗，研究并優(yōu)化船閘上游航道通航水流條件，提出了技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的推薦引航道布置方案，為窄深河道急彎下游的通航建筑物擴能升級布置研究提供重要的技術(shù)支撐。

1 工程概況

山秀水利樞紐壩址位于廣西壯族自治區(qū)扶綏縣境內(nèi)的左江干流下游，壩址以上控制流域面積為29 562 km2，天然落差35.70 m，河道坡降0.165‰，是左江綜合利用規(guī)劃中的第3個梯級，上距先鋒電站130 km，下距郁江老口電站約84 km。其正常蓄水位為86.50 m，水庫總庫容6.06億m3，電站裝機容量78 MW。工程主要建筑物有右岸河床式廠房、泄洪閘壩和左岸船閘。樞紐位于窄深河段上，左岸為陡峭山體，右岸為小階地。在壩址上游約1.50 km處存在一個急彎河段，彎曲角度約120°，該處槽窄、彎急、水深且多泡漩和回流。

根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)的批復(fù)》(國函〔2013〕37號)，左江(龍州—宋村三江口)規(guī)劃為Ⅲ級航道。為充分發(fā)揮崇左港作為國家一類口岸的積極作用，有必要建設(shè)山秀電站船閘擴能工程，以適應(yīng)Ⅲ級航道要求。山秀船閘擴能工程按Ⅲ級船閘標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，設(shè)計代表船型為一頂2×1 000噸級船隊，尺度為160 m×10.8 m×2 m(船長×寬×吃水)。

2 模型設(shè)計與驗證

根據(jù)壩址河段河勢條件、樞紐布置和新建二線船閘布置特征，山秀船閘擴能工程整體物理模型模擬范圍是從壩上游3.4 km—壩下游3.2 km，見圖1。模型采用正態(tài)、按重力相似準(zhǔn)則進行設(shè)計，幾何比尺為1:100。

圖1 山秀樞紐物理模型試驗研究范圍

根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》，山秀樞紐Ⅲ級船閘設(shè)計最高通航流量為10 a一遇洪水流量，結(jié)合樞紐的調(diào)度運行方式，物理模型試驗主要流量工況Q為1 749、2 410 (壩前水位控制分界流量)、3 500(常年洪水)、5 000 (敞泄分界流量)、5 380(2 a一遇流量)、6 390 (3 a一遇流量)、7 440 (5 a一遇流量)、8 790 m3s(10 a一遇流量)，共8級流量。

實測工程河段模型水位與原型水位均較為接近，其差值均在±0.10 m以內(nèi)，最大差值不超過0.08 m，基本達到了模型與原型相似要求，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 設(shè)計方案

3.1 平面布置

新建二線船閘主體段布置于左岸接頭壩下游，已建一線船閘的左側(cè)階地上，見圖2。一、二線船閘共用上游引航道，由長550 m的隔墻與主河道分隔而成。上引航道寬底80 m，底高程77.9 m，導(dǎo)航調(diào)順段長250 m，停泊段長300 m，在左側(cè)上段設(shè)15個靠船墩，兩墩間距20 m；口門處展寬至85 m。擋水前沿以下設(shè)通航連接段，連接段長108 m，船閘主體段長309 m。船閘下引航道采用曲進直出布置，總長485 m，底寬62 m，底部高程69.9 m，其中導(dǎo)航調(diào)順段長180 m，停泊段長240 m，設(shè)13個靠船墩。為改善通航水流條件并減小對行洪的影響，對壩上游右岸直線段，開挖高程為77.9 m，以擴大河道的過流面積。同時在上引航道口門以上左岸布置7座下挑潛壩，以調(diào)整和改善上游河道及上引航道口門區(qū)的通航水流條件，各潛壩頂高程均為75 m，潛壩長約95 m，兩壩中心間距85 m。

圖2 設(shè)計方案的山秀樞紐上游引航道平面布置(單位：m)

3.2 模型試驗結(jié)果

各級流量情況下，在上引航道分隔墻頭部均存在較強的繞流流態(tài)，主流明顯右移。不同特征流量下設(shè)計方案的上游口門區(qū)通航水流條件見表1。

表1 設(shè)計方案上游引航道口門區(qū)的通航水流流速 ms

表1 設(shè)計方案上游引航道口門區(qū)的通航水流流速 ms

位置流速類型Q=1 749 m3∕s(壩前水位86 m)Q=3 500 m3∕sQ=5 000 m3∕sQ=7 440 m3∕sQ=8 790 m3∕s 外導(dǎo)墻堤頭縱向流速0.02～0.380.07～1.000.07～1.130.10～1.230.34～1.37橫向流速0.01～0.210.04～0.460.08～0.620.05～0.750.06～0.80回流流速0.07～0.230.12～0.380.23～0.460.17～0.620.26～0.79 堤上25 m縱向流速0.03～0.330.07～0.780.03～0.780～1.200.02～1.55橫向流速0.02～0.320.07～0.760.07～1.000.06～1.380.12～1.67回流流速0.08～0.100000 堤上50 m縱向流速0.05～0.260.34～0.760.40～1.140.47～1.550.54～1.61橫向流速0.03～0.320.15～0.500.16～0.730.16～1.080.22～1.72回流流速0.030000 堤上100 m縱向流速0.29～0.410.74～0.890.94～1.341.41～2.001.59～2.08橫向流速0.08～0.180.02～0.190～0.150.17～0.400.09～0.97回流流速00000

在流量Q=1 749 m3s時，上引航道口門區(qū)及連接段的流速一般不超過0.7 ms，口門附近流速減小至0.3～0.5 ms。但在分隔墻頭部存在明顯的繞流流態(tài)，影響口門上游長60 m的水域，產(chǎn)生的斜流偏角較大，從而使口門區(qū)外側(cè)邊緣附近的橫流流速達到0.32 ms；在流量Q=2 410 m3s時，上引航道最大橫流流速為0.52 ms，超標(biāo)程度有所擴大。在流量Q=3 500 m3s時，最大橫流流速為0.76 ms，出現(xiàn)在口門附近水域，該處橫流已全面超標(biāo)；停泊段上部最大回流流速增加至0.58 ms，最大縱向流速達到1 ms。在流量Q≥5 000 m3s時，上引航道最大橫向流速達到1 ms，遠超出設(shè)計規(guī)范的要求；停泊段上段的最大回流流速和最大縱流流速也全面超出設(shè)計規(guī)范的要求。

設(shè)計方案中的右岸直線段開挖范圍較小，不能有效降低壩上游河道主流流速和壅水高度。堤頭潛壩群改善通航條件的效果十分有限，產(chǎn)生了泡水等不利流態(tài)。潛壩頂面流速增大，其阻水作用使上游水位壅高。同時，增大了電站前池回流流速和范圍，對電站發(fā)電有所影響。

4 優(yōu)化方案

4.1 通航水流條件較差的原因分析

上引航道通航水流條件較差的原因：1)上游急彎段水動力軸線進入彎道后向凹岸過渡至彎頂稍上部，沿左岸深泓出來，偏向引航道一側(cè)；2)口門區(qū)河道過流面積仍然較小，導(dǎo)致斷面流速較大，水位壅高；3)堤頭附近水流發(fā)生局部收縮，水體發(fā)生分離，形成回流區(qū)，且在動靜水交換處，形成斜向流；4)潛壩群頂部水流分離，潛壩群局部存在泡漩水，流態(tài)較差。

4.2 優(yōu)化措施

優(yōu)化方案從對壩上游右岸的開挖范圍和線型布置等措施進行調(diào)整，對上游潛壩設(shè)置的必要性和引航道局部開孔引流等措施[6-7]進行多方案的對比優(yōu)化試驗：

1)進一步浚深和拓寬右岸(灘地)河床，適當(dāng)增大上引航道分隔墻束窄段河道的過流面積，減小該段的流速及對上游的壅水影響和隔流堤堤頭的繞流，利于洪水順利下泄。同時增加上引航道口門區(qū)及上游連接段的過流面積，減小上游彎頂凸嘴對水流的頂托，使出彎水流略向右岸擴散，初始斷面開挖方案見圖3。

圖3 右岸直線段開挖方案典型斷面(單位：m)

然而，圖3的2個開挖修改方案由于采取整段開挖，電站前池變?yōu)檎蜻M水，雖降低了前池回流強度，但使前池左側(cè)的分水隔墻頭部存在較強的繞流流態(tài)，閘門孔開泄流時靠近電站的1#閘前形成較強的回流，孔前水面跌落較大，影響樞紐運行安全。樞紐敞泄運行時1#、2#和3#孔前為斜流，泄流能力降低了近三分之二，壩前水位壅高較大。

因此，右岸壩前附近河段疏浚拓寬時，需要保持電站前池上游攔漂設(shè)施及附近岸線基本不變的條件且不影響右側(cè)1#泄洪閘的過流，同時引航道堤頭附近河段應(yīng)進行局部擴寬，以減小引航道口門以及堤頭下游附近河道內(nèi)的流速大小。

2)堤頭下挑單潛壩代替潛壩群，減少口門區(qū)泡漩，調(diào)整口門區(qū)附近的流速分布，減小水流流向與航線的交角，達到改善引航道及口門區(qū)通航條件的目的。

3)引航道分隔墻透空及堤頭口門寬度改變，局部調(diào)整口門流態(tài)。

4.3 優(yōu)化方案1

優(yōu)化方案1保持電站前池段岸線不變基礎(chǔ)上進一步浚深和拓寬右岸直線段開挖范圍，并開挖彎道凸嘴段(直線段階梯開挖兩級平臺，高程分別為72和78 m，坡比1:1；凸嘴段開挖一級平臺，高程78 m，坡比1:1)，潛壩群改為單潛壩(下挑潛壩向下游傾斜30°，潛壩頂高程75 m)，封堵口門處的深槽，同時優(yōu)化引航道分隔墻透空高度及位置(引航道分隔墻長550 m，口門寬度調(diào)整為80 m，分隔墻下游段分散設(shè)置6個透空段透空總面積約150 m2，透空頂高程不宜超過79 m)，優(yōu)化后方案布置見圖4。

圖4 優(yōu)化方案1平面布置

優(yōu)化方案1在各級流量情況下，束窄河段以上的水位較設(shè)計方案顯著降低，較設(shè)計方案明顯減小。在流量Q<3 500 m3s時，口門通航水流條件基本滿足要求。在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s、電站發(fā)電、水庫蓄水運行情況下，在距引航道口門約50 m范圍的外側(cè)邊沿橫流有所超標(biāo)，但影響范圍相對較?。划?dāng)流量Q≥5 000 m3s、全閘敞泄后，各項指標(biāo)均有不同程度的超標(biāo)，其中縱向流速超標(biāo)較小，且主要位于口門區(qū)上段，橫向流速超標(biāo)幅度相對較大，其影響區(qū)域主要在口門上游約100 m、航道中心線以外的范圍，停泊段超標(biāo)區(qū)域主要在上段1#～5#靠船墩前沿水域。

4.4 優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2中下挑潛壩向下游傾斜45°，潛壩頂高程74.5 m；上引航道分隔墻長度縮短至462 m，口門寬度仍保持為80 m，引航墻透空位置不變，右岸靠近電站前池的開挖范圍增大，平面布置見圖5。與優(yōu)化方案1相比較，優(yōu)化方案2船閘上引航道及口門區(qū)的通航水流條件變差，主要原因是引航道分隔墻減短88 m后，墻頭部距束窄河段最窄處較近，受束窄河段水流流速增大的影響，堤頭繞流流態(tài)加強，致使口門前沿水域橫向流速有一定的增大。

圖5 優(yōu)化方案2平面布置

在2 410 m3s≤Q≤3 500 m3s時，最大橫向流速為0.39～0.53 ms，橫流超標(biāo)區(qū)主要集中在堤頭以上、口門區(qū)外側(cè)邊沿水域。在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s，最大橫向流速超標(biāo)區(qū)在堤頭以上約75 m水域范圍，影響航道寬度30～40 m；停泊段超標(biāo)區(qū)域也主要位于分隔墻內(nèi)側(cè)岸邊附近，影響長度約50 m。在樞紐下泄流量Q>5 000m3s、全閘敞泄后，上引航道口門區(qū)的最大橫向流速均超過1 ms，主要集中在口門前沿約100 m的水域，影響航寬40～60 m，影響停泊段長度約100 m，航寬約40 m。

4.5 優(yōu)化方案3

優(yōu)化方案3中下挑潛壩向下游傾斜恢復(fù)為30°，潛壩頂高程恢復(fù)為75 m，引航道分隔墻長調(diào)整為508.5 m，分隔墻透空位置及高度不變，口門寬度調(diào)整為84 m，右岸凸嘴段開挖范圍減小，直線段開挖范圍不變，平面布置方案見圖6。

圖6 優(yōu)化方案3平布置

在流量Q≤1 749 m3s時，在上引航道內(nèi)、引航道口門區(qū)及上游連接段的水流平緩，通航條件好。在2 410 m3s≤Q≤3 500 m3s時，上引航道口門區(qū)的最大縱向流速為0.58～1.05 ms，滿足規(guī)范要求；最大橫向流速為0.36～0.46 ms，橫流超標(biāo)區(qū)主要集中在堤頭附近水域；停泊段的最大縱向流速0.34～0.48 ms，滿足規(guī)范要求。在3 500 m3s5 000 m3s時，樞紐全閘敞泄，上引航道口門前沿約100 m的水域的最大橫向流速均超過0.9 ms，影響航寬40～60 m；口門區(qū)縱向流速也明顯增加。在樞紐下泄流量Q> 6 390 m3s時，上引航道口門區(qū)的最大縱向流速已接近或略超過2 ms，主要出現(xiàn)在口門區(qū)上段；停泊段的最大縱向流速0.86～1.05 ms，最大橫向流速在0.37～0.52 ms，影響停泊段長度約100 m，航寬約40 m。各級流量下，調(diào)順導(dǎo)航段基本均為靜水。

5 上游急彎段通航試驗分析

在距山秀電站壩址上游約1.5 km處為急彎河段，受河勢條件及主流頂沖凹岸的影響，船舶在此不易轉(zhuǎn)向和調(diào)順航向，特別是對一些尺度較大且操縱性較差的船型(如船隊)，操縱難度更大。

擴挖前水流入彎時主流靠右岸，流速較大，5 a一遇洪水時最大流速可達3 ms左右；過彎后主流中偏左，水流垂向調(diào)整作用較顯著，流速逐漸減小至2.5 ms左右。受左岸(凹岸)岸線內(nèi)凹影響，其沿岸均為大范圍的回流，并伴有泡漩水流態(tài)，通航水流條件及通視條件差，是船舶航行控制河段。為了增大該彎道的彎曲半徑和航寬，試驗擬定在上彎道右側(cè)凸岸開挖(范圍見優(yōu)化方案1)，開挖后的彎段的流速分布變化較大，水流入彎時明顯向右側(cè)凸岸匯聚，使得流向右偏，過彎頂后流向左偏，同時流速普遍增大，橫流增強，通航水流條件有所變差。

因此在滿足彎道的彎曲半徑和航寬前提下，對上彎道右側(cè)凸岸擴挖方案見圖7。在適當(dāng)增大彎段航道尺度的同時，盡可能避免對彎段水流條件的影響。

6 船模試驗結(jié)果

根據(jù)河段通航要求，船模采用1 000噸級機動貨船和1+2×1 000噸級船隊，選取Q為1 442、2 410、3 000、5 000、5 853、6 390、7 440、8 790 m3s共8組流量進行試驗。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化方案3可將最高通航流量提高至5 a一遇洪水。

對1 000噸級機動貨船，在流量Q<2 410 m3s、樞紐正常蓄水發(fā)電時，船舶可通過上引航道口門區(qū)順利進出閘；在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s、樞紐正常蓄水發(fā)電時，出閘船舶可通過上引航道口門區(qū)順利上行，進閘船舶在進入上引航道口門時須提前降檔減速，并順利在引航道停泊段上?？?，但不能在口門附近會船。在5 000 m3s

對1+2×1 000噸級船隊，在流量Q≤1 749 m3s、樞紐正常蓄水發(fā)電時，船隊可通過上引航道口門區(qū)順利進出閘；在1 749 m3s

7 優(yōu)化方案綜合比選

為選擇能有效改善二線船閘上游通航水流條件的優(yōu)化方案布置措施，綜合考慮上游口門區(qū)水流條件及布置對通航影響。

1)河段的流速流態(tài)：3個優(yōu)化方案束窄段的流速分布基本一致?？傮w來看，優(yōu)化方案2和3束窄段的流速均較設(shè)計方案明顯減小，5 a一遇洪水時，最大流速減小約1.5 ms。

2)沿程水位變化：優(yōu)化方案2和3在30 a一遇洪水及以下流量時其束窄河段以上的水位降低幅度與優(yōu)化方案1基本相同，見圖8(未列出優(yōu)化方案3)。在10 a和50 a一遇洪水時，優(yōu)化方案3最大壅水高度較設(shè)計方案分別降低約0.50和0.40 m。

圖8 各方案沿程水位變化對比

3)通航水流條件：不同方案下口門區(qū)最大流速指標(biāo)對比見表2，優(yōu)化方案3通航水流條件介于優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2之間。但優(yōu)化方案1上引航道分隔墻較長，且占據(jù)主河道，施工難度較大；而優(yōu)化方案3上引航道分隔墻僅較優(yōu)化方案1縮短了41.5 m，引航道通航條件略有變化，口門寬度與微彎航段的適應(yīng)性較好。雖然在口門區(qū)占主導(dǎo)作用的最大橫向流速指標(biāo)在敞泄臨界流量以上仍超出規(guī)范規(guī)定，但超標(biāo)區(qū)域的長度在5 a一遇流量時最大不超過40 m，見圖9，可滿足1 000噸級機動貨船靠左岸水域通航。

圖9 上引航道堤頭口門區(qū)100 m長度水域橫向流速分布

表2 不同方案下口門區(qū)最大流速指標(biāo)對比

綜上，優(yōu)化方案3能有效改善口門通航水流條件，降低壩前河道流速和河段壅高水位，提高通航流量，改善彎道通航條件且工程量較少。

8 結(jié)語

1)受樞紐壩上游河段河勢條件的影響，船閘擴能工程實施后，上引航道口門區(qū)及停泊段的通航水流條件隨著流量的增加而逐漸變差，停泊段存在著回流較強，橫流流速較大，影響停泊段范圍較長等問題。

2)窄深急彎河道下游樞紐上引航道通航水流條件可采用浚深和拓寬岸線，設(shè)置下挑單潛壩封堵口門深槽，減小分隔墻長度等措施改善。

3)窄深河道樞紐通航建筑物布置受已建樞紐泄洪影響較大，經(jīng)過方案比選，優(yōu)化方案3作為推薦方案較好地解決了上引航道通航水流條件較差的問題，且對樞紐的行洪影響較小。