韓江南溪新建船閘通航水流條件試驗(yàn)研究

李 艷，張緒進(jìn)，劉 洋，周 勤，張春澤

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2.內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400016；3.重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016)

在通航河流上修建航電樞紐后，船閘上下游引航道、口門區(qū)及連接段是過閘船舶(隊(duì))進(jìn)出引航道的咽喉。船閘口門區(qū)及連接段水流條件的好壞直接關(guān)系到船舶(隊(duì))能否暢通過壩、安全運(yùn)行，是樞紐平面布置的關(guān)鍵問題之一。韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級工程全長約171 km，其中按通航內(nèi)河1 000 t級船舶標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)南溪船閘是韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級工程的重要組成部分。為研究南溪新船閘的平面布置與通航水流條件問題，開展了整體定床物理模型試驗(yàn)[1]，研究船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件，驗(yàn)證確定新建船閘平面布置方案的可行性及改善通航水流條件的措施，并在此基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，提出滿足要求的船閘平面布置方案。

圖1 工程附近樞紐位置示意圖Fig.1 Sketch of the upstream and downstream hub on research river

1 工程概況

韓江南溪橋閘位于廣東省汕頭市澄海區(qū)南溪分流口附近，上距南溪與東溪分流口約0.4 km。現(xiàn)有南溪橋閘自1965年4月建成以來至今已運(yùn)行約50 a，該閘于2012年被鑒定為四類險(xiǎn)閘，須進(jìn)行重建。目前南溪船閘已不能正常通航。

工程位于韓江潮州供水樞紐下游河網(wǎng)區(qū)，東溪上游16.7 km有潮州東溪供水樞紐，東溪下游6.5 km有蓮陽樞紐，南溪下游10.3 km有東里橋閘，見圖1。目前，南溪橋閘尚無明確的調(diào)度規(guī)則，僅根據(jù)東溪和南溪實(shí)際水位情況進(jìn)行調(diào)度。非泄洪期間，按東里橋閘梯級的綜合利用需水量要求運(yùn)行。洪水來臨時(shí)，在潮州供水樞紐及河口五閘供水體系聯(lián)合調(diào)度原則基礎(chǔ)上，為保證東里橋閘安全，南溪橋閘最大過閘流量應(yīng)控制在1 250 m3/s以內(nèi)。

為滿足韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級要求及符合南溪橋閘的實(shí)際情況，韓江新南溪船閘的總體設(shè)計(jì)思路是在拆除現(xiàn)有的老南溪橋閘基礎(chǔ)上，結(jié)合水利部門規(guī)劃的南溪橋閘重建工程，采取重建南溪橋閘(不含船閘部分)和新建南溪III級船閘方案，船閘布置于左岸，閘室有效尺度220 m×23 m×3.6 m，通行1 000 t級船舶，通航保證率98%。

2 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似和阻力相似的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用幾何比尺為1：80的正態(tài)模型。模擬河道范圍包括：東溪河段從南溪分流口以上約2.0 km開始至南溪分流口以下約2.3 km為止；南溪河段從南溪分流口開始至南溪老橋閘以下約2.4 km為止(南溪橋閘上距分流口約0.6 km)，模擬河道總長約7.4 km，見圖2。

圖2 模型試驗(yàn)研究范圍Fig.2 Range of model experimental research

船模試驗(yàn)代表船舶選用1 000 t級內(nèi)河貨船，試驗(yàn)時(shí)首先按比尺要求(與水工模型比尺一致)制作船模后在試驗(yàn)水池中進(jìn)行率定，后用遙控設(shè)備操縱船模在水工模型相應(yīng)航段航行。

根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ305-2001)[2]的規(guī)定，船閘上、下游引航道口門區(qū)水面最大縱向流速≤2.0 m/s、橫向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s；引航道導(dǎo)航和調(diào)順段內(nèi)應(yīng)為靜水區(qū)，制動(dòng)段和停泊段的水面最大縱向流速≤0.5 m/s、橫向流速≤0.15 m/s；引航道、口門區(qū)宜避免出現(xiàn)如泡漩、亂流等不良流態(tài)。

3 原設(shè)計(jì)方案通航水流條件試驗(yàn)

3.1 平面布置

圖3 南溪新建船閘設(shè)計(jì)方案平面布置Fig.3 Layout of design scheme

新建南溪船閘設(shè)計(jì)方案下游不占用基本農(nóng)田，船閘上、下閘首長均為38 m、寬均為47 m，船閘軸線與上游東溪及下游南溪河道斜交，交角分別為50°和48°。上引航道左側(cè)主導(dǎo)航墻采用兩段圓弧線，總長254 m。右側(cè)輔導(dǎo)航墻為直線導(dǎo)航墻，長67.5 m。上引航道口門寬58 m?？看ㄖ锊贾糜谏嫌伟哆叄L220 m，共布置12個(gè)靠船墩，可雙列?？?艘1 000 t級船舶。下引航道左側(cè)主導(dǎo)航墻采用三段圓弧銜接的布置形式，總長408 m。右側(cè)輔導(dǎo)航墻為圓弧段，長165 m。下引航道口門寬51 m?？看挝挥谙乱降揽陂T下游約910 m，長220 m，共布置12個(gè)靠船墩，可雙列?？?艘1 000 t級船舶。設(shè)計(jì)方案平面布置見圖3。

3.2 通航水流條件分析

圖4 上引航道船舶進(jìn)閘情況(設(shè)計(jì)方案)Fig.4 Situation of ship lock in approach channel (design scheme)

根據(jù)試驗(yàn)成果，當(dāng)東溪上游來流量為Q≤1 754 m3/s(P=90%)時(shí)，設(shè)計(jì)方案新建南溪船閘上引航道口門區(qū)的最大縱向流速為0.72 m/s，最大橫向流速為0.25 m/s，水流條件基本滿足規(guī)范要求；當(dāng)東溪上游來流量分別增大至Q=2 842 m3/s(P=50%)、4 094 m3/s(P=20%)和5712 m3/s(P=10%)，相應(yīng)的南溪橋閘出閘流量均為Q=200 m3/s，下游蓮陽橋閘閘前水位仍按防洪限制2.8 m控制運(yùn)行時(shí)，實(shí)測口門區(qū)的最大縱向流速依次增加為1.03 m/s、1.32 m/s和1.56 m/s，最大橫向流速分別為0.40 m/s、0.55 m/s和0.65 m/s，橫向速度明顯超標(biāo)，超標(biāo)區(qū)域主要集中在口門區(qū)靠外一側(cè)。結(jié)合船模試驗(yàn)，由于設(shè)計(jì)方案船閘軸線與上游河道交角大，上引航道長度短，進(jìn)閘船舶一直受到橫流下推的影響，船舶難于調(diào)整航向并產(chǎn)生橫漂，極易碰撞下游導(dǎo)墻，尤其是在船舶直接從上游河道進(jìn)閘的情況更是如此，見圖4。

根據(jù)南溪橋閘上、下游樞紐實(shí)際運(yùn)行方式，在東溪上游來流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)等各級流量下，南溪橋閘下泄流量均為200 m3/s，下游東里橋閘均保持2.5 m水位運(yùn)行。由于下泄流量小，南溪橋閘下游整個(gè)河段水流均很平緩，流速總體在0.4～0.6 m/s。實(shí)測新建南溪船閘下引航道口門區(qū)的最大縱向流速為0.45 m/s，最大橫向流速為0.18 m/s。新建南溪船閘下引航道口門區(qū)、連接段及停泊段的水流條件均滿足規(guī)范要求，滿足船舶安全進(jìn)出閘航行要求。

3.3 存在的問題

前述船閘設(shè)計(jì)方案新建南溪船閘是以不占用下游基本農(nóng)田為控制條件，結(jié)合南溪橋閘重建工程位置的調(diào)整與周邊環(huán)境條件布置而成。該方案船閘布置空間尤其是引航道布置受到很大的限制，船閘軸線與上、下游河道交角大，上引航道短；中大流量時(shí)上引航道口門區(qū)的橫向流速全面超標(biāo)，船舶幾乎無法正常進(jìn)入上引航道和船閘閘室。為保證南溪下游防洪排澇任務(wù)的完成，南溪橋閘實(shí)際運(yùn)行下泄流量很小，最大下泄流流量僅200 m3/s，因此新南溪船閘下引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件總體較好?？偟膩砜?，新南溪船閘上游航道通航條件為控制條件。

4 修改方案通航水流條件試驗(yàn)

4.1 修改方案平面布置

由于新南溪船閘平面布置考慮了南溪橋閘重建工程的實(shí)施，受周邊環(huán)境條件的影響，船閘布置空間十分有限。參考相關(guān)文獻(xiàn)并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)[3-7]，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，本文主要從兩方面進(jìn)行優(yōu)化布置：(1)結(jié)合現(xiàn)場條件，在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，從而有效改善船舶進(jìn)出閘條件；(2)考慮下引航道可少量占用基本農(nóng)田，將船閘位置整體向左岸岸坡適當(dāng)移動(dòng)，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。在此基礎(chǔ)上，分別提出了修改方案一與方案二。

圖5 修改方案一平面布置Fig.5 Layout of revision plan 1

4.1.1 方案一平面布置

修改方案一是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，閘室平面尺度由220 m×23 m調(diào)整為150 m×34 m，上、下游引航道均采用向兩側(cè)拓寬的布置方式，以改善上、下游引航道船舶進(jìn)出閘條件。其中，上引航道口門采用傾向上游的喇叭口形狀，左側(cè)主導(dǎo)航墻采用圓弧線與直線組成，總長542 m；右側(cè)輔導(dǎo)航墻(兼隔流堤)為圓弧，長84 m；上引航道口門寬70 m。而下引航道采用傾向下游的喇叭口形狀，左側(cè)主導(dǎo)航墻采用直線+兩段圓弧+直線組合而成，總長587 m；右側(cè)輔導(dǎo)航墻(兼隔流堤)為圓弧段，長128 m。下引航道口門寬56 m。修改方案一平面布置見圖5。

4.1.2 方案二平面布置

圖6 修改方案二平面布置Fig.6 Layout of revision plan 2

修改方案二是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，考慮下引航道可少量占用下游基本農(nóng)田，將船閘整體向左岸適當(dāng)移動(dòng)，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。該方案船閘軸線與上游河道主流交角約36°，閘室平面尺度為220 m×23 m。并通過調(diào)整上、下引航道導(dǎo)航墻線型，將上引航道進(jìn)口及下引航道出口分別調(diào)整為向上游、下游擴(kuò)展的喇叭口形狀，以改善船舶進(jìn)出閘條件。上引航道長97 m，下引航道長137 m，上、下引航道口門寬均為60 m。修改方案二平面布置見圖6。

4.2 修改方案模型試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 方案一通航水流條件

修改方案一通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大了引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，有效改善了船舶進(jìn)出閘條件。結(jié)合水流條件及船模試驗(yàn)，在東溪上游來流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)時(shí)，上引航道口門區(qū)最大縱向流速僅0.97 m/s，最大橫向流速僅0.32 m/s，口門區(qū)無回流；連接段的最大縱向流速為1.03 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s。上引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件基本能夠滿足船舶安全進(jìn)出閘要求；當(dāng)東溪上游來流量Q>2 842 m3/s以后，口門區(qū)外側(cè)橫向流速有所超標(biāo)，最大橫向流速達(dá)0.60 m/s，船舶無法安全進(jìn)出閘。由于南溪橋閘實(shí)際下泄流量小，實(shí)測在東溪上游來流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)、相應(yīng)的南溪橋閘出閘流量Q≤200 m3/s時(shí)，新南溪船閘下引航道口門區(qū)、連接段及停泊段的水流條件均滿足規(guī)范要求，滿足船舶安全航行要求。修改方案一上引航道口門區(qū)流速分布見圖7。

圖7 修改方案一上引航道口門區(qū)流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.7 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 1圖8 修改方案二上引航口門區(qū)道流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.8 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 2

4.2.2 方案二通航水流條件

在東溪上游來流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)時(shí)，上引航道口門區(qū)最大縱向流速為0.81 m/s，最大橫向流速為0.30 m/s，口門區(qū)無回流；連接段的最大縱向流速為0.85 m/s，最大橫向流速為0.24 m/s。上引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件滿足規(guī)范要求。結(jié)合船模試驗(yàn)，船舶能夠安全進(jìn)出閘；當(dāng)東溪上游來流量2 842 m3/s(P=50%)

4.2.3 小結(jié)

受周邊環(huán)境條件及工程所在河勢條件的影響，新南溪船閘布置空間尤其是引航道的布置受到了極大的限制。船閘閘室軸線與河道交角較大，導(dǎo)致引航道口門區(qū)橫流較大，對船舶通航不利。根據(jù)工程河段上游的潮安水文站近20 a(1997～2016年)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究河段流量大于2 842 m3/s(P=50%)的天數(shù)僅42 d，滿足通航保證率98%的要求。

從通航水流條件來看，修改方案一與修改方案二船閘的通航條件均滿足船舶安全進(jìn)出閘要求，最高通航流量均能達(dá)到2 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，滿足Ⅲ級航道通航保證率98%的要求。由于方案二占用了一定的永久基本農(nóng)田，因此從工程實(shí)施難易程度而言，方案一優(yōu)于方案二。

5 結(jié)語

由于新建南溪船閘平面布置考慮了南溪橋閘重建工程的實(shí)施，受周邊環(huán)境條件及工程所在河勢條件的影響，船閘布置空間尤其是引航道的布置受到了極大的限制。新南溪船閘設(shè)計(jì)方案船閘閘室軸線與河道交角較大，導(dǎo)致引航道口門區(qū)存在較大橫流，通航條件較差。

修改方案一是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場條件，通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，從而有效改善船舶進(jìn)出閘條件；修改方案二則考慮下引航道可少量占用基本農(nóng)田，將船閘位置整體向左岸岸坡適當(dāng)移動(dòng)，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。兩方案船閘的通航條件均滿足船舶安全進(jìn)出閘要求，最高通航流量均能達(dá)到2 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，滿足Ⅲ級航道通航保證率98%的要求。

根據(jù)船閘布置方案的水流條件、船舶進(jìn)出閘航行條件、項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境條件(移民征遷、土地利用、永久基本農(nóng)田占用情況及船閘運(yùn)行管理等)和工程投資等方面綜合分析，建議新建南溪船閘修改方案一作為推薦方案。