琵琶洲灘航道整治定床物理模型試驗(yàn)研究

程松 張文侃 孫文紅

摘 要：為研究湘江永州至衡陽三級航道改擴(kuò)建工程琵琶洲灘航道通航水流條件，通過定床物理模型試驗(yàn)方法開展相關(guān)工作，本文介紹了模型制作方法、測量方法和試驗(yàn)工況設(shè)置，分別對水面特征、流態(tài)和通航水流條件進(jìn)行分析，得到了整治工程實(shí)施前該航段通航水流條件，為航道整治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：定床試驗(yàn);航道整治;水動力;琵琶洲

中圖分類號：U617? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0114-03

1背景

湘江屬于長江流域洞庭湖水系，是長江七大支流之一，干流全長948km，流域面積94721km2，是湖南省最大河流，具有發(fā)展水運(yùn)的優(yōu)越自然條件和社會基礎(chǔ)。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《全國內(nèi)河航道及港口布局規(guī)劃》，確定湘江為全國內(nèi)河高等級航道網(wǎng)的一部分，屬長江水系高等級航道布局方案的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中的一線。建設(shè)湘江永州至衡陽三級航道改擴(kuò)建工程，連通湘江2000噸級航道建設(shè)的一、二期工程具有十分重要的意義。

琵琶洲彎道險(xiǎn)灘地處浯溪樞紐庫區(qū)，如圖1所示，位于浯溪大壩上游約15km，平面上為典型的回頭彎形態(tài)，水深較大但河道彎曲，河心自然彎曲半徑僅約360m，洪水流速大，掃彎水強(qiáng)烈，通航條件較差，對過往的船舶通航安全造成一定影響。因此，為了充分掌握各種工況下琵琶洲彎段通航水流條件，保障上下船只安全順利通行，因此有必要通過物理模型試驗(yàn)開展琵琶洲灘航道水流條件分析。

2 試驗(yàn)方法

模型制作依據(jù)2017年4月施測的1：1000 河道地形圖，同時(shí)參考2013年6月1：5000 地形測圖，采用斷面板法用水泥沙漿刮制而成。模型共布置了120個斷面，根據(jù)地形特點(diǎn)和重要性，斷面布置間距30～80cm，平均52cm。導(dǎo)線采用全站儀施放，經(jīng)緯儀和鋼尺校核。另外，采用局部斷面、交叉斷面等對凸咀、亂石、礁石、石梁、深潭等局部復(fù)雜地形進(jìn)行了精心塑造，以確保模型的幾何相似。流量控制系統(tǒng)主要包括蓄水池、水泵、電機(jī)、電磁流量計(jì)、電腦等控制軟件等組成，流量最大可施放300L/s。水位采用測針測量，精度為0.1mm，河段共布置19個水尺斷面，流速主要采用表面粒子成像系統(tǒng)量測，可較快速、準(zhǔn)確、全面測取表面流場。垂線流速主要采用旋槳流速儀測量。

試驗(yàn)開始前對模型進(jìn)行了枯水和洪水水面線、大斷面流速分布等內(nèi)容的驗(yàn)證。經(jīng)對模型水位、大斷面流速的驗(yàn)證試驗(yàn)，其結(jié)果滿足定床河工模型的相似性要求，可進(jìn)行水流特性、整治工程方案等下一步試驗(yàn)。

為了較為準(zhǔn)確地獲知各級流量的水流特性和通航水流條件，根據(jù)浯溪樞紐、瀟湘樞紐的主要運(yùn)行方式，結(jié)合主要特征通航流量等，模型擬定了較為密集的試驗(yàn)流量工況，具體見表1，開展8個流量工況的水流特性試驗(yàn)。

3水動力特性分析

3.1 水面特性

圖2給出了琵琶洲灘段航中相對水面線（以各自流量最后一個河心水尺的水位為零點(diǎn)換算），可以看出，河段的水面落差隨著流量的增大而增大，平均比降逐漸增大。水面線沿程雖然出現(xiàn)凸岸不平，局部坡度大小不一，甚至出現(xiàn)倒坡，但整體趨勢上水面坡度沿程分布基本均勻，沒有落差較為集中的河段。

圖3分三段進(jìn)行了平均比降的統(tǒng)計(jì)，可看出各段平均比降均隨流量增大而增大，增大的趨勢也基本一致。相對比較而言，上游直段（CS5-CS43）比降最大，下游直段（CS76- CS117）次之，中間彎道段（CS43-CS76）最小，不過它們之間的差異不明顯，最大相差不超過0.1‰，不存在落差比較集中的河段。

3.2 流態(tài)分析

圖4給出了工程前代表流量的流跡線圖片，主流區(qū)基本無特殊流態(tài)，上下游順直段也基本不存在，特殊流態(tài)主要出現(xiàn)在彎道河段，主要有：

（1）掃彎水：彎道主流進(jìn)口靠左側(cè)凸岸，出口則貼緊右側(cè)凹岸，左、右過渡形成顯著的掃彎水，各級流量均較明顯。

（2）回流：回流主要有兩個區(qū)域，出現(xiàn)在右側(cè)凹岸。第一個回流區(qū)范圍較小，長寬約200m和30m，強(qiáng)度較弱，一般<0.2m/s，最大不超過0.4m/s，位于彎頂稍上的CS54～57。第二個回流區(qū)范圍較大，長約240m，寬度超過130m，強(qiáng)度也較強(qiáng)，Q=2000～11730 m3/s，回流最大為0.29～1.34m/s。

（3）泡漩水：泡漩水出現(xiàn)在兩個回流區(qū)與主流的交界面區(qū)域，上游區(qū)強(qiáng)度大于下游區(qū)，但總體強(qiáng)度不大，范圍較窄，僅局限在主、回流交界面水域。

3.3 通航水流條件分析

琵琶洲灘段雖然為急彎，但滿足2.4m航深的寬度較大，最窄處約200m，通航水域較為寬闊。因此，為了較好分析航槽內(nèi)水流條件，共預(yù)設(shè)了5個航槽進(jìn)行分析，航槽預(yù)設(shè)布置見圖5。

（1）航槽R480A：航槽按彎曲半徑480m（內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)三級航道的基本要求）靠右岸布置，左邊距岸（水邊）最小距離留足約30m。由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，只是彎道右岸進(jìn)口和出口航槽邊距離岸邊偏近，可通過適當(dāng)切嘴加以彌補(bǔ)。

（2）航槽R480B：航槽仍按彎曲半徑480m，但靠左岸布置，右邊距岸最小距離留足約30m。由圖可見，除左側(cè)彎頂下段不滿足航深要求外，其余部分均滿足，不滿足部分可通過適當(dāng)切嘴加以解決。

（3）航槽R440：航槽按彎曲半徑440m于河中布置，留足右邊距岸距離。由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離基本可行。

（4）航槽R400：航槽按彎曲半徑400m布置，由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離有一定富裕。

（5）航槽R360：航槽按彎曲半徑360m（稍大于本工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)4倍船長340m）布置，由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離富裕較大。

從圖中可以看出，預(yù)設(shè)航槽R360與主流的符合性最好。

4結(jié)論

（1）彎道流速和比降隨流量增加而增大。Q<2000m3/s時(shí)，琵琶洲航段庫區(qū)特性明顯，水面近水平，彎道流速不超過0.9m/s;Q=4000～6000m3/s時(shí)，彎道具有庫區(qū)與天然河道雙重特性，航槽比降<0.5‰，流速不到2.3m/s;Q=7550～11730m3/s，彎道體現(xiàn)為天然河道特性，航槽最大比降約1.0‰，流速可達(dá)2.8～3.9m/s。

（2）彎道主流進(jìn)口靠左側(cè)凸岸，出口緊貼右側(cè)凹岸，體現(xiàn)出強(qiáng)烈的掃彎水特性。主流線彎曲半徑總體趨勢約320～360m，而最小半徑僅約210～250m，流路曲度明顯大于幾何曲度。

（3）船舶航行彎道河段不宜采用固定的彎曲半徑，宜采用沿程動態(tài)彎曲半徑，即“上行抱凸岸、下行走河心”的航法航行，推薦了合理的上、下行航線，航槽內(nèi)Q≤7550 m3/s的橫流不超過1m/s。

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