大洑潭已建船閘下游航道通航水流條件改善措施研究

王 能，張愛平，普曉剛

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200；2.交通運輸部天津水運工程科學研究院，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

通訊作者：普曉剛(1979—)，男，副研究員，從事樞紐和航道工程研究。E-mail： pxg0961@163.com。

船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件是影響船舶安全進出閘的重要因素，在船閘工程中受到廣泛關注。船閘與樞紐其他主要水工建筑布置可分為集中式和分散式2種方式。對于分散式布置的船閘，可根據(jù)河勢條件靈活布置，減小樞紐運行因素對于船閘的影響，建成后運行效果較好，如湘江大源渡樞紐船閘[1]、郁江桂平樞紐船閘[2]；集中式布置的船閘，為減小電站發(fā)電、樞紐泄洪等對船舶進出閘的影響，一般將船閘布置在靠岸側，再輔以航線優(yōu)化、調整導航墻長度、改變導航墻結構形式、采用導流墩群等措施改善船閘口門區(qū)通航水流條件，如長洲樞紐船閘[3]、長沙樞紐船閘[4]等。由于相關問題的復雜性，2種形式船閘的平面布置均需要在工程建設前期通過水工模型試驗研究確定。

目前，我國仍有部分船閘因建設前期缺乏必要的研究，在船閘建成運行后即存在較大的通航安全問題，如五強溪樞紐[5]、桃源樞紐[6]、大洑潭樞紐等。與新建樞紐不同的是，已建船閘的總體布置無法改變，工程限制性因素較多，通航水流條件的改善措施比較受限，是目前船閘工程整治的難點。本文以大洑潭樞紐船閘下游為例，采用1:80正態(tài)整體水工物理模型試驗，在研究分析現(xiàn)有船閘通航水流礙航特性的基礎上，研究已建江心洲側船閘下游通航條件改善措施，可為類似工程提供借鑒。

1 河段及樞紐概況

沅水屬于我國“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”高等級航道布局中的重要一線，是湖南省骨干航道之一。根據(jù)2007年《全國內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》，沅水三板溪—常德667 km航段為Ⅳ級航道，常德以下192 km航段為Ⅲ級航道。沅水三板溪以下共規(guī)劃建設13級樞紐，目前除魚潭樞紐未建外，其余樞紐均已建成。

大洑潭樞紐位于湖南省懷化市辰溪縣境內(nèi)，在常德上游約317 km，為桃源樞紐向上游的第5個梯級(魚潭樞紐未建)。大洑潭樞紐壩址處控制流域面積約4.6萬km2，占沅水流域面積的51.37%，樞紐正常蓄水位129.0 m，死水位127.5 m，庫容約2.62億m3，其中發(fā)電有效調節(jié)庫容0.345億m3，電站在左岸裝設有5臺單機容量40 MW的燈泡貫流式機組。

大洑潭樞紐是一個以發(fā)電為主兼顧航運等綜合利用的水電站，通航建筑物按IV級航道標準建設，通航500噸級船舶。船閘布置于分汊河段左汊的木洲左側(圖1)，船閘下游口門距離壩軸線約400 m，距離洲尾約1 000 m。木洲平面上接近菱形，長約2 000 m，平均寬約500 m，洲面高程125.0～143.6 m，洲體較高，船閘下游引航道口門區(qū)及連接段位于左汊下段和左、右兩汊道交匯處，來水情況極為復雜，口門區(qū)和洲尾連接段航道內(nèi)橫流較大，船舶通航存在較大問題。

圖1 大洑潭樞紐及壩區(qū)河勢

2 模型試驗

2.1 模型設計與驗證

模型試驗研究范圍為樞紐上游1.8 km、下游3.7 km，河段寬度500～1 100 m不等，根據(jù)2017年5月實測1:2 000河道地形圖，按照水流運動相似性基本原則建立1:80正態(tài)模型，模型相似比尺：流速比尺8.94，流量比尺57 243.34，糙率比尺2.07，水流運動時間比尺8.94。

模型制作完成后，為了保證模型與原型水流運動相似，依據(jù)實測1 743、4 051和6 516 m3s 3個流量級進行水面線及流速分布驗證試驗，見圖2、3。

圖2 沿程水位驗證對比

圖3 典型流量(6 516 m3s)斷面流速驗證

驗證表明，模型與原型沿程各測點水位誤差均在±0.1 m內(nèi)，斷面流速分布趨勢與原型基本一致，典型斷面的流量閉合差均未超過±5%的允許偏差要求，滿足誤差要求，模型的水流運動與原型相似。因此，在此基礎上進行模型試驗，其成果是可靠的。

2.2 模型試驗典型流量選取

為了較準確地獲知壩區(qū)河段水流特性和船閘通航水流條件，根據(jù)大洑潭樞紐的主要運行方式，結合主要特征通航流量等，重點研究4種試驗流量工況(表2)。

大洑潭樞紐運行方式為：1)當Q≤2 400 m3s(電站最大引用流量)時，來流全部通過右汊下泄用于發(fā)電，左汊通航；2)當2 400 m3s 9 630 m3s 時，全部閘門開閘泄洪以降低水庫水位，電站停機，船閘停航。

表2 模型試驗工況

2.3 通航標準

按照《船閘總體設計規(guī)范》要求：IV級船閘，在引航道口門區(qū)的有效水域范圍內(nèi)，水流表面縱向流速vy≤2.0 ms，橫向流速vx≤0.3 ms，回流流速v0≤0.4 ms。一般認為連接段通航水流條件標準應介于口門區(qū)與內(nèi)河航道之間，采用縱向流速vy≤2.5 ms、橫向流速vx≤0.45 ms 作為控制參數(shù)[7]。

3 現(xiàn)狀條件下船閘下游礙航特性

現(xiàn)狀條件下已建大洑潭船閘下游航道通航水流條件試驗結果見表3。

表3 下游口門區(qū)及洲尾段通航水流條件

船閘下游口門區(qū)處于左汊河道的木洲左側，流量小于2 400 m3s時，僅有右汊靠右岸側電站出流，左汊河道及船閘下游口門區(qū)內(nèi)為靜水區(qū)，通航水流條件較優(yōu)。隨著流量增加，左汊泄水閘逐漸開啟，船閘下游引航道導航墻過短，其掩護作用偏弱，泄水閘出流過導航墻后在口門區(qū)擴散形成較大范圍的回流和斜流，在5 500 m3s流量下，回流流速達0.6 ms，超過規(guī)范要求的0.4 ms，右向橫流為0.38 ms，超過規(guī)范要求的0.3 ms；在9 630 m3s流量下，橫流進一步增大，達0.79 ms，回流有所減小，但均超過限值，船舶無法安全進出閘。因此，船閘下游口門區(qū)在流量大于2 400 m3s時，口門區(qū)出現(xiàn)較大的橫流及大范圍的回流，通航水流條件不能滿足要求。

洲尾段航道處于匯流區(qū)段，由于洲尾下端深槽位于河中偏左，在右汊單汊來流情況下，受左側深槽吸流影響，造成洲尾橫流大、流態(tài)差，且右汊泄流量越大，礙航越嚴重。在600、2 400 m3s兩級流量下，樞紐下游左汊不過流，水流出右汊，主流區(qū)在河心偏右岸并逐漸過渡到河中，并斜沖主航道，水流與航線交角分別達到42°和33°，最大橫向流速度分別達0.66、0.98 ms，嚴重影響船舶航行安全。流量大于2 400 m3s后，隨著流量的增大，左汊開閘泄水，左汊主流從開始的偏向左岸逐漸過渡到河中，流速分布逐漸均勻，由于左汊泄流，洲尾斜流與航線的交角有所減小，在5 500 m3s流量時，最大交角減至29°，橫向流速與2 400 m3s流量下相比有所減小，但仍達0.67 ms。隨著流量增加，下游主流逐漸調整至河心，橫流逐漸減小，在9 630 m3s流量時，最大橫向流速為0.61 ms。因此，洲尾段在右汊單側過流期及兩汊泄流期，洲尾航道內(nèi)船舶通航存在較大的安全問題。

4 通航水流條件改善措施及效果

結合樞紐的現(xiàn)狀情況及相關航道整治經(jīng)驗，提出“適當將原導航墻向下游延伸，調順下游引航道口門區(qū)附近流態(tài)；洲尾采取工程措施，延長兩汊匯流范圍，減緩洲尾匯流強度”的整治思路。結合模型試驗初步設計了以下4組方案(表4)，各方案整治效果情況見表5。

表4 方案對比

表5 各方案最大流速對比

試驗結果表明，方案1、2采用口門區(qū)延長實體導航墻+洲尾導流墩的方案，未能有效改善口門區(qū)段水流過堤頭后斜流集中擴散而形成的橫向流速較大的礙航問題；洲尾段布置導流墩亦未能有效減小右汊主流與航線交角、達到降低斜流影響的目的。方案3、4通過將延長的導航墻做成透空式，有效減小口門區(qū)橫向流速流，達到改善通航條件的目的；在洲尾新增1座順壩，并將下游段做成透空式，可有效降低洲尾處橫流；其改善水流條件的原理為：在洲尾處修建順壩，相當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”形彎道，該河段可看作彎道水流；洲尾處增加順壩，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)生的橫流以及該拐彎處水流的彎道半徑和線型，從而達到改善洲尾處通航水流條件的目的。

口門區(qū)及洲尾段通航水流條件改善效果，與導航墻及順壩的透空孔有關，多方案試驗結果表明：口門區(qū)適當增加透空孔有利于增加水流擴散范圍，降低口門區(qū)橫流和縱向流速；洲尾區(qū)透空孔達到6孔以上時，對航道內(nèi)橫流強度范圍改善效果明顯，但透空孔增加過多，加大了引流，航道內(nèi)縱向流速增加；須合理選擇導航墻及順壩的透空孔。為此，在上述方案基礎上提出優(yōu)化方案5，結構見圖4，即對于口門區(qū)導航墻，延長180 m并做成透空式，開8孔，透空孔尺寸8 m×6 m(高×寬)，與縱軸線成45°；對于洲尾順壩，延洲脊布置長300 m，下游段150 m做成透空式，透空8孔，透空孔尺寸5 m×5 m，與縱軸線成45°，墻頂2‰斜坡。

圖4 下游洲尾順壩(單位：m)

選取典型流量對方案5開展改善效果研究，試驗成果見表6。由表6可知，各流量級下，口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，口門區(qū)內(nèi)橫向流速較工程前明顯減小，最大減小幅度橫流達到0.46 ms、回流達到0.3 ms，僅Q=9 630 m3s堤頭以下100 m范圍內(nèi)航中線左側個別測點橫向流速超出規(guī)范要求。洲尾航道內(nèi)橫向流速較工程前明顯減小，最大減小幅度達到0.55 ms，當Q=600、2 400、5 500 m3s流量時，洲尾航道最大橫向流速均小于限值0.45 ms，滿足安全通航要求。當Q=9 630 m3s時，僅在小范圍內(nèi)航中線右側個別測點橫向流速大于0.45 ms，但超過的幅度較小，通航條件基本滿足要求。因此，本工程采用方案5作為最終推薦改造方案。

表6 推薦方案5改善效果

5 結語

1)分汊河道交匯段存在大范圍斜流與交匯水流，已建船閘布置于河中江心洲側時，匯流區(qū)段航道水流條件是影響船舶通航安全的一個關鍵部位，對于新建樞紐工程，不宜將船閘布置在分汊河道江心洲側，宜將船閘布置于順直河汊靠岸側。

2)大洑潭已建船閘位于分汊河段江心洲上段左側，船閘口門區(qū)仍處于洲段岸線范圍內(nèi)，船閘下游口門區(qū)通航條件的因素與單一河段樞紐船閘布置時相差不大，主要對大回流和橫流強度較大區(qū)域采取導、透措施，擴大區(qū)域，將其強度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，各級流量下口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速由工程前0.79 ms減至0.33 ms。

3)洲尾航道水流條件比較復雜，尤其是僅有單一汊道過流時，水流斜沖航道，嚴重影響船舶航行安全，其通航水流條件改善措施可考慮在洲尾采取工程措施延長兩汊匯流范圍，減緩洲尾匯流強度，以達到改變水流流向、減小主流與航道交角、改善洲尾處通航水流條件的目的。其通航水流條件的改善措施可供類似工程借鑒。