洪江樞紐擴建船閘下游通航條件試驗研究

楊 峰，普曉剛，金 輝，王 鑫，閆 濤

(1.湖南省交通運輸廳規(guī)劃與項目辦公室，長沙 410116；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

通航樞紐是內(nèi)河水運中實現(xiàn)河流渠化、溝通不同水系的重要形式，也是控制航道貨運能力的節(jié)點，在水路交通中占有重要的地位。隨著我國水運事業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河航道等級逐漸提高，現(xiàn)階段有許多航運樞紐中已建船閘的等級和通過能力已不能適應要求，亟待擴能升級改造，即對樞紐已建船閘進行改建和擴建[1-4]。在已有船閘的基礎上進行高等級的船閘改建和擴建，受水利工程、航運規(guī)劃、征地拆遷、工程投資以及實施難易等眾多因素制約，其技術難度比同期新建的樞紐船閘大得多。在改擴建船閘方案論證工作中，通常通航水流條件是關注的重點。研究人員針對長洲樞紐三線四線船閘[5]、韓江東山樞紐船閘[6]、山秀船閘擴能工程[7]、五強溪樞紐船閘[8]等不同的改擴建工程存在的問題，采用整體物理模型或數(shù)學模型開展了方案論證與優(yōu)化研究，并取得了一定的成果。

本研究建立了洪江樞紐整體物理模型，采用定床水流模型與遙控自航船模試驗相結合的手段，針對洪江樞紐所處的壩下微彎并逐漸收縮的河段，擴建船閘在老船閘下游接建新船閘閘室較長，在直線順延后，閘室及其下游引航道大幅壓縮河床寬度，主河道流速急，對下游引航道口門區(qū)及連接段通航條件造成威脅的問題，開展了多組方案試驗研究，提出了滿足通航要求的優(yōu)化方案，可為類似工程設計提供參考。

1 洪江樞紐概況

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級開發(fā)的第8級電站，下距洪江區(qū)4.5 km。工程以發(fā)電為主，兼顧航運、灌溉等綜合效益。水庫總庫容3.2億m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，調(diào)節(jié)庫容0.75億m3，屬周調(diào)節(jié)水庫。樞紐于1998年3月正式開工，2002年12月下閘蓄水。

洪江樞紐主要建筑物從左至右布置為：電站、泄水閘及船閘。電站廠房布置在河床左側主河槽，6臺機組滿發(fā)流量為1 470 m3/s；泄水閘布置在河床右側礁灘上，為9孔開敞式溢流堰；船閘位于右岸階地，中心線與壩軸線交角為90°。

洪江樞紐調(diào)度運行方式：當來流小于滿發(fā)流量時，泄水閘關閉，電站發(fā)電。當來流大于滿發(fā)流量時，泄洪閘的運行原則為先啟用左泄洪閘(3孔)，次啟用右泄洪閘(6孔)，最后為左、右閘聯(lián)合運行。

目前船閘等級為300 t級，為一線二級船閘，閘室有效長度長64.2 m×寬12 m×門檻水深2.5 m，目前該船閘最大設計通航流量為3 800 m3/s，船閘年通過能力單向不足100萬t，無法滿足該段航道貨運量需求和500 t級船舶過閘需求，需對其進行擴建。

2 試驗成果與分析

采用1:80正態(tài)整體水工模型試驗與遙控自航船模航行試驗相結合的研究手段，對洪江擴建船閘平面布置方案開展了試驗研究，模型模擬原型河段長約5.4 km，其中壩上1.9 km，壩下3.5 km。模型主要選取1 470 m3/s(電站滿發(fā)流量)、3 820 m3/s(常年洪水、電站與泄水閘聯(lián)合調(diào)度)、7 820 m3/s(2 a一遇洪水，設計最大通航流量)三級典型流量開展試驗研究。按照《船閘總體設計規(guī)范》(JTJ305-2001)要求，口門區(qū)長度為2.0～2.5倍船長，設計代表船型為500 t級貨船(船長67.5 m×型寬10.8 m×設計水深1.6 m)，船閘下引航道口門區(qū)及連接段布置為：導流堤堤頭至堤頭下200 m為口門區(qū)，連接段為堤頭下200～400 m范圍內(nèi)航道，定義400 m以下為連接段下游河段。

2.1 設計方案

(1)擴建船閘布置難點。洪江擴建船閘布置主要受到以下三個方面因素的制約。①受到壩址自然條件制約，壩址河段不具備建設二線船閘的條件。洪江樞紐所處河段兩岸山體雄厚，河道狹窄，樞紐建設期沒有預留二線通航設施的位置，擴建船閘也不具備布置二線通航設施的陸域條件；②受到大壩壩體的安全制約。已建低等級老船閘不可拆除重建。已有船閘上閘首與大壩壩體為整體澆注混凝土，老船閘拆除重建施工勢必影響大壩安全和電站正常運行，即現(xiàn)有船閘不能拆除重建；③受到壩下河道形態(tài)制約因素，壩下河道沿程收縮。在該類型河段擴建船閘，船閘及下游引航道實體導流堤向下游直線順延后，導致下游引航道實體導流堤頭部附近有效河道過流寬度大幅縮窄，勢必造成船閘引航道口門區(qū)流速急、流態(tài)復雜。

圖1 洪江擴建船閘設計方案布置圖Fig.1 Layout plan of Hongjiang expansion lock design plan

(2)設計方案布置。設計擴建船閘方案(圖1)保留原有船閘上閘首、一閘室，在其下游重新建造一座Ⅳ級標準船閘，原有船閘部分作為上游引航渠道。設計最大水頭為27.0 m，采用單線單級船閘，設計單向年過壩運量為540.06萬t。船閘有效尺度采用長215 m×寬(12～23) m×門檻水深4.0 m。船舶進、出閘方式采用曲線進閘、直線出閘方式。

上游引航道由直線連接段航道、220 m直線停泊段、204.25 m直線導航調(diào)順段組成。利用原已有建筑物做為進上游引航渠道導航措施，延長158 m上游外側導流堤。

下游引航道由127.5 m直線導航調(diào)順段、220 m直線停泊段、直線連接段航道組成。引航道河側利用原已有114 m做為導流堤，并將其延長80 m；導流堤下游每隔10 m布置單長10 m的8個導流墩。下游引航道底寬50～65 m。下游局部河床形態(tài)調(diào)整，對船閘河段河床開挖，開挖標高160.5 m，疏挖深度一般在0.5～2.5 m。

(3)試驗成果分析。設計方案通航水流條件試驗成果(圖2)表明：Q≤1 470 m3/s時，電站發(fā)電，泄水閘關閉，電站出流順主槽由左岸側逐漸過渡至河道中部，水流逐漸擴散，水流過船閘下游導流堤堤頭后，經(jīng)導流墩調(diào)流作用，口門區(qū)及連接段航道內(nèi)水流右偏角度不大，一般在10°以內(nèi)，橫向流速在0.28 m/s以內(nèi)；堤頭下600～850 m航道段，航線由靠右側河道過渡至河道中部偏左，水流流向與航線夾角偏大，最大為19°，致使該區(qū)域橫流稍大，最大橫流為0.56 m/s。Q=3 820 m3/s、7 820 m3/s(圖3)時，電站與泄水閘聯(lián)合調(diào)度，靠近河道中部及右側泄水閘逐漸開啟，壩下河段主流與僅有電站發(fā)電流量時相比，主流逐漸向河道中部過渡，船閘下游導流堤的束水、挑流影響效果逐漸增強，過導流堤后水流向右擴散明顯，下游航道內(nèi)水流流速逐漸增加，兩級流量下口門區(qū)級連接段航道內(nèi)最大橫向流速分別達0.60 m/s、0.79 m/s；堤頭下550～900 m航道段，水流流向與航線夾角偏大，橫向流速較大，兩級流量下最大橫流分別達0.90 m/s、1.30 m/s。

船模航行試驗結果表明：當流量Q≥3 820m3/s時，受泄水閘泄流影響，船閘下游口門區(qū)航道內(nèi)斜流較大，船舶航行過程中，在該段航道內(nèi)漂角較大；距下游口門600 m處時，設計航線由右岸向左岸過渡，航道內(nèi)橫向流速較大，船舶行經(jīng)此段航道時，漂角較大，船舶下行時易漂出航線。

圖2 設計方案船閘下游航道內(nèi)最大橫向流速變化Fig.2 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the shiplock in the design scheme圖3 設計方案樞紐下游流場及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Design hub downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

前述試驗成果可以看出，洪江樞紐擴建船閘設計方案條件下，船閘下游航道存在兩處礙航段，一是口門區(qū)及連接段擴散水流礙航，二是堤頭下550～900 m航道段斜流礙航。分析其形成原因，前者受擴建船閘下游新建直線段導流堤布置影響，加之下游河勢向右微彎，致使堤頭附近有效河道過流寬度縮窄，水流流速大，過堤頭后擴散強度大，大流量時航道內(nèi)橫流大礙航；后者受航線布置由靠右側河道過渡至河道中部偏左，與順直微彎的河勢不一致，致使水流流向與航線夾角偏大，造成斜流流速大礙航。因此，可考慮從調(diào)整船閘下游引航道導流建筑布置和下游航線平面布置兩方面開展相應的優(yōu)化試驗研究。

圖4 洪江擴建船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.4 Layout plan of Hongjiang expansion lock optimization plan

2.2 優(yōu)化方案

(1)優(yōu)化思路及措施。針對洪江樞紐擴建船閘設計方案船閘下游航道通航存在的問題，基于以下思路開展了多組次優(yōu)化方案試驗。①充分利用船閘下游彎道河段右岸河道存在大范圍的緩流區(qū)，突破《船閘總體設計規(guī)范》要求的工程布置與結構思路，將下游引航道長直堤設置為折線型，減少導流堤對主河道過水斷面的壓縮，降低河道流速，改善口門區(qū)及連接段水流條件；②順應下游河勢向右岸調(diào)整航線，減少水流與航線夾角，以達到平順水流并改善船閘下游航道通航條件目的。

最終確定的折線形導流堤優(yōu)化方案(圖4)：①原老船閘導流堤位置、長度與走向不變，緊接原導流堤頭新建260 m實體直立導流堤，其走向朝岸側偏轉(zhuǎn)，與原導流堤夾角10°，較設計方案擴大了主河道過水面積；②將下游引航道停泊段向右岸側移動并與船閘中心軸線10°夾角，同時下移，在平面上超出折線型導堤堤頭，增大船舶進閘水域?qū)挾群驼{(diào)順段長度；③將設計方案連接段下游由河道右側向河道中部偏左過渡的航線，調(diào)整為順右岸河勢及水流方向。

(2)優(yōu)化方案試驗成果。設計方案通航水流條件試驗成果(圖5)表明：導流堤向右岸側偏移后，對水流擠壓強度減弱，且導流墩改為實堤后，對引航道口門區(qū)內(nèi)掩護作用增大，水流越過堤頭受右岸緩流區(qū)頂托以及右岸下游凸咀影響，向船閘口門區(qū)及連接段擴散強度較小。Q≤1 470 m3/s時，口門區(qū)及連接段最大橫向流速為0.21 m/s；連接段下游航線順河勢向右岸調(diào)整后，航道內(nèi)水流較平順，航道內(nèi)橫向流速均在0.35 m/s以內(nèi)。隨流量增加，河道內(nèi)流速逐漸增加，Q=3 820 m3/s時，口門區(qū)最大橫向流速為0.24 m/s；連接段最大橫向流速為0.28 m/s；連接段下游航線順右岸河勢調(diào)整后，航道內(nèi)橫向流速由工程前0.90 m/s降至0.50 m/s，結合船模試驗成果，該流量級下通航條件基本滿足船舶安全航行要求。Q=7 820 m3/s時(圖6)，口門區(qū)最大橫向流速為0.30/s；連接段大多在0.3 m/s以內(nèi)，僅在堤頭下300～400 m航線左側部分測點稍大，最大為0.37m/s。連接段下游航線順右岸河勢調(diào)整后，航道內(nèi)橫向流速由工程前1.30 m/s降至0.68 m/s，結合船模試驗成果，該流量級下通航條件基本滿足船舶安全航行要求。

圖5 優(yōu)化方案船閘下游航道內(nèi)最大橫向流速變化Fig.5 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the optimized plan ship lock圖6 優(yōu)化方案樞紐下游流場及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.6 Hub optimization downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

可以看出，由于導流堤進一步向右岸側偏移，對水流擠壓強度減弱，并且由于導流墩改為實堤，對引航道口門區(qū)內(nèi)掩護增大，水流越過堤頭受右岸緩流區(qū)頂托以及右岸下游凸咀影響，向船閘口門區(qū)及其連接段擴散強度較小。在最大通航流量(Q≤7 820 m3/s)以下的各級流量，船閘下游口門區(qū)及其連接段內(nèi)通航水流條件基本能滿足要求，船舶能夠安全進出口門區(qū)及連接段航道。船舶模擬試驗表明船閘下游口門區(qū)及其連接段航道內(nèi)通航水流條件較好，船舶均能夠安全通過口門區(qū)段航道，航行參數(shù)能夠滿足安全航行要求。

3 結語

(1)洪江樞紐擴建船閘設計方案條件下，受下游向右微彎河勢、下游新建直線段導流堤布置影響，大流量時口門區(qū)及連接段擴散水流礙航；受連接段下游航線布置由靠右側河道過渡至河道中部偏左，與順直微彎的河勢不一致，致使水流流向與航線夾角偏大，造成斜流流速大礙航；(2)優(yōu)化方案從調(diào)整船閘下游引航道導流堤布置和航線平面布置兩方面入手，充分利用船閘下游彎道河段右岸河道存在大范圍的緩流區(qū)，將下游引航道長直堤設置為折線型，減少導流堤對主河道過水斷面的壓縮，降低河道流速，改善口門區(qū)水流條件；同時順應下游河勢向右岸調(diào)整航線，達到了改善船閘下游航道通航條件目的；(3)項目研究針對擴建船閘在老船閘下游新建船閘的閘室較長、樞紐下游河型微彎并逐漸收縮的特點，提出的導流堤折線布置方案，可以較好解決擴建船閘下游口門區(qū)及連接段航道的通航條件問題，可為同類船閘擴建項目提供借鑒參考。