淺談引航道口門(mén)區(qū)導(dǎo)航墻型式及應(yīng)用

劉芷妍 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院

李艷 重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所

船閘是最為常用的通航建筑物，船閘的上下游引航道及其口門(mén)區(qū)的水流條件，是決定船舶能否安全順利過(guò)閘的關(guān)鍵因素。船閘引航道口門(mén)區(qū)處于引航道靜水和河道動(dòng)水的交匯處，樞紐采用集中式布置時(shí)，航道斷面在上游口門(mén)區(qū)變窄，在下游口門(mén)區(qū)放寬，河道水流的收縮(對(duì)上游）和擴(kuò)大（對(duì)下游），會(huì)在口門(mén)區(qū)形成斜向水流，加之該區(qū)域受泄水建筑物的影響，當(dāng)斜向水流達(dá)到一定強(qiáng)度后，會(huì)成為阻礙船舶（隊(duì)）進(jìn)出引航道的不良流態(tài)。在引航道及口門(mén)區(qū)布置導(dǎo)航墻是改善通航水流條件，保證船舶安全，快速進(jìn)出上下游引航道的主要工程措施之一。因此，對(duì)導(dǎo)航墻的型式及應(yīng)用進(jìn)行闡述并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，具有重要的工程實(shí)際意義。

1.引航道導(dǎo)航墻的型式分類

導(dǎo)航建筑物從結(jié)構(gòu)角度分類，可分為固定式結(jié)構(gòu)和浮式結(jié)構(gòu)。固定式結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)情況，有重力式、墩式、空箱式等，早期船閘引航道設(shè)計(jì)中，多采用固定式實(shí)體導(dǎo)航墻，狹窄的彎道急流河段導(dǎo)航墻宜選擇實(shí)體式。固定式實(shí)體導(dǎo)航墻的缺點(diǎn)在于基礎(chǔ)易被淘刷，需采取防護(hù)措施保護(hù)導(dǎo)航墻基礎(chǔ)，重力式實(shí)體導(dǎo)航墻存在船舶荷載產(chǎn)生的傾覆彎矩較大，結(jié)構(gòu)斷面較大，工程量較大等問(wèn)題。浮式結(jié)構(gòu)適用于水深或水位變幅較大的情況，相較于固定式實(shí)體導(dǎo)航墻，浮式結(jié)構(gòu)具有能適應(yīng)較大水位差，不受地質(zhì)和地形條件限制、工程量小造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但浮式結(jié)構(gòu)易受波浪影響而產(chǎn)生一定程度的搖擺。導(dǎo)流墩通?？膳c導(dǎo)航墻聯(lián)合使用，布置于口門(mén)區(qū)，可有效削弱導(dǎo)航墻堤頭的擾流問(wèn)題，如瓦村樞紐下引航道水流條件研究中，通過(guò)在右側(cè)導(dǎo)航墻末端增設(shè)4根導(dǎo)流墩，起到了良好的阻隔右側(cè)動(dòng)水影響及調(diào)順?biāo)鞯淖饔谩?/p>

2.導(dǎo)航墻的優(yōu)化研究

近年來(lái)，有不少專家學(xué)者對(duì)導(dǎo)航建筑物的優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)導(dǎo)航建筑物的優(yōu)化與船閘所在河道的河勢(shì)與水勢(shì)有關(guān)，難以得到普適性的優(yōu)化方法，但可通過(guò)借鑒及提煉將已有成功經(jīng)驗(yàn)用到新船閘引航道導(dǎo)航建筑物的設(shè)計(jì)和布置中。目前關(guān)于導(dǎo)航建筑物的研究方向主要集中在導(dǎo)航墻的透空形式、導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度、高度及弧度、導(dǎo)航墻的新型結(jié)構(gòu)型式等幾個(gè)方面。

2.1 導(dǎo)航墻的透空型式

透空式導(dǎo)航墻的優(yōu)點(diǎn)在于能使引航道內(nèi)外水域相通，從而有效減弱堤頭附近水體的波動(dòng)，加速波動(dòng)的擴(kuò)散與衰減，減弱回流的強(qiáng)度與范圍，從而獲得較好的通航條件。適宜布置在河面相對(duì)較窄、壩軸位于彎曲河段且洪枯水期水位波動(dòng)較大的區(qū)段。

陳桂馥等通過(guò)對(duì)綦江新灘船閘，嘉陵江新政船閘等四個(gè)樞紐工程的導(dǎo)航墻透空形式研究，提出導(dǎo)航墻透空高程宜控制在設(shè)計(jì)水位下1.5m至河床床面高程，透空方式采取每10米透空5.0～6.6m，開(kāi)孔方向與水流成30°至45°角，可起到調(diào)整口門(mén)及口門(mén)區(qū)內(nèi)流速分布，改善不良流態(tài)，增大口門(mén)區(qū)縱向流速，減少懸沙淤積的作用。王瑋等以多個(gè)采用透空式導(dǎo)航墻的嘉陵江船閘為例，總結(jié)出由于透空式結(jié)構(gòu)在減小引航道口門(mén)區(qū)橫向流速的同時(shí)會(huì)加大引航道內(nèi)縱向流速，因此選擇導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)型式除與樞紐所在河段的河勢(shì)與水勢(shì)有關(guān)，還需考慮船舶的操縱性能，開(kāi)孔方向與船閘軸線的夾角，宜大于口門(mén)區(qū)水流流線與船閘軸線的夾角。余雅雪等在五強(qiáng)溪水電站船閘下游引航道改造工程中采用深槽回填+樁基透空式導(dǎo)流屏技術(shù)，緊挨原導(dǎo)航墻從上游至下游分別平行錯(cuò)位布置11個(gè)連系墩和10段插板，各連系墩與原導(dǎo)航墻稍朝內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)19.1°，總長(zhǎng)218.523m，有效改善了斜流和橫流環(huán)流等不良流態(tài)。

2.2 導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度、高度及弧度

導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好，其往往僅改變了橫流影響區(qū)域，對(duì)橫流幅值和梯度的改變影響不大，在急彎河段過(guò)長(zhǎng)的引航道導(dǎo)航墻反而可能惡化口門(mén)區(qū)水流條件。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常需根據(jù)閘布置方式，樞紐所在河段河勢(shì)與水勢(shì)對(duì)上下游引航道通航水流條件進(jìn)行物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，以得到較為合適的導(dǎo)航墻長(zhǎng)度。

葉雅思等結(jié)合躍洲水電樞紐工程研究發(fā)現(xiàn)，在彎曲河道上，弧形長(zhǎng)導(dǎo)航墻較直線導(dǎo)航墻設(shè)計(jì)能有效減少口門(mén)區(qū)的縱橫向水流流速并改善回流情況，加大導(dǎo)航墻弧度可進(jìn)一步改善口門(mén)區(qū)水流條件，但弧度過(guò)大將束窄引航道寬度。增大導(dǎo)航墻張角會(huì)使縱向流速增大，橫向流速減小，其最佳值可能與河道參考點(diǎn)的曲率有關(guān)。吳越等在已有的弧形導(dǎo)航墻研究基礎(chǔ)上，通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)一步研究了弧形導(dǎo)航墻對(duì)水流結(jié)構(gòu)改變的規(guī)律，提出在直導(dǎo)航墻末端加設(shè)弧形短導(dǎo)航墻段對(duì)船閘引航道口門(mén)區(qū)水流結(jié)構(gòu)的改善有良好的效果，保護(hù)長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng)。五里亭水利樞紐工程采用400m半透水曲線隔流導(dǎo)航墻，導(dǎo)航墻下游段向左岸順勢(shì)彎曲，墻頂高程設(shè)置為31.8m，高水位時(shí)導(dǎo)航墻會(huì)被淹沒(méi)，可以起到改善引航道水流條件的同時(shí)不妨礙電站處理和河道泄洪的作用。

2.3 導(dǎo)航墻的新型結(jié)構(gòu)型式

嘉陵江草街船閘采用浮囤潛水渡洪的方案，將導(dǎo)航墩的高度限制在最高通航水位要求的高度，通過(guò)在導(dǎo)航墩頂部設(shè)置止浮卡及設(shè)置一定數(shù)量的浮囤進(jìn)水管控制其浮力，使浮囤可安全潛水度洪，可節(jié)約較大工程量，減少管理難度。水口電站壩下工程為改善下游引航道水流條件及泥沙淤積問(wèn)題，在靠船墩上加裝隔流掛板，與攔沙底坎形成高4m、長(zhǎng)15m的9個(gè)透水孔，其透水量較好的弱化了口門(mén)區(qū)斜流，使停泊段由靠船墩間的孔口進(jìn)水產(chǎn)生的斜向流速在規(guī)范允許值之內(nèi)。李元禮等在楊林船閘下游主導(dǎo)航墻的研究中，考慮到其位于太湖平原，地質(zhì)較軟，如果采用重力式結(jié)構(gòu)需進(jìn)行地基處理，采用樁柱式結(jié)構(gòu)，樁基入土比較深。創(chuàng)新性提出“箱式與浮筒相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式”，結(jié)合了箱式結(jié)構(gòu)和浮式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有造價(jià)低，維修方便，抗撞擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）目前對(duì)引航道導(dǎo)航墻的優(yōu)化方向主要集中在導(dǎo)航墻的透空形式、導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度、高度及弧度、導(dǎo)航墻的新型結(jié)構(gòu)型式等幾個(gè)方面。

（2）透空式導(dǎo)航墻相比實(shí)體式導(dǎo)航墻，能一定程度上減小引航道內(nèi)橫流和回流，減少引航道內(nèi)泥沙淤積，是目前較為常用的導(dǎo)航墻形式；對(duì)導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度和高度優(yōu)化與具體工程河段的河勢(shì)與水勢(shì)關(guān)系較大，常需通過(guò)物理模型和數(shù)學(xué)模型來(lái)得出較優(yōu)的布置方案，在直導(dǎo)航墻末端設(shè)置一段弧形短導(dǎo)航墻可起到改善水流結(jié)構(gòu)的作用，淹沒(méi)式長(zhǎng)導(dǎo)航墻對(duì)電站取水及河道泄洪的影響較小，可進(jìn)一步研究；新型式的導(dǎo)航墻研究成果大多可以更節(jié)省工程投資，便于施工以及管理。

（3）對(duì)導(dǎo)航墻的優(yōu)化研究目前多以工程實(shí)例為依托，立足于具體某個(gè)工程，雖有進(jìn)展但得到的規(guī)律性經(jīng)驗(yàn)較少，缺乏通用性，在借鑒以往工程中的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，更迫切需要以實(shí)際工程為依托進(jìn)行進(jìn)一步理論研究，總結(jié)出更具有普適性的導(dǎo)航墻優(yōu)化措施及方法。