支流入?yún)R對潮汐河段通航的影響及整治措施研究

張艷艷 張康 王建平 胡曉張 張金明

摘要：對于有通航要求的感潮河段，閘泵聯(lián)用將使內(nèi)江排澇時間延長，排澇流量增大，導(dǎo)致排入外江的水流橫向流速增大，影響通航。以中順大圍白花頭水利樞紐為例，采用物理模型試驗的手段模擬閘泵聯(lián)調(diào)的情況下內(nèi)江排澇對外江通航的影響，并提出了適用于漲潮、落潮及轉(zhuǎn)潮不同工況下的整治措施。根據(jù)試驗結(jié)果提出：在內(nèi)外江交匯口設(shè)置兩排導(dǎo)流墩，靠內(nèi)江的一排導(dǎo)流墩作用是將內(nèi)江出來的水流均勻分成若干股，第2排導(dǎo)流墩與第1排交錯布置，并呈45°交角，作用是將分散的水流打散，利用多股水流碰撞的原理將能量消散掉，從而達到降速的目的。該整治技術(shù)具有普適性，可應(yīng)用于類似工程河段，對促進珠江三角洲航運事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān) 鍵 詞：內(nèi)江排澇; 整流措施; 物理模型試驗; 導(dǎo)流墩; 外江通航：中順大圍白花頭水利樞紐

中圖法分類號： TV147 ? 文獻標志碼： A

0 引 言

珠江三角洲地處中國南部，廣東省中南部，是中國經(jīng)濟較發(fā)達的幾個地區(qū)之一。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市防洪排澇問題凸現(xiàn)，為解決內(nèi)澇問題，珠江三角洲早在20世紀50年代已經(jīng)開始大規(guī)模聯(lián)圍筑閘[1]。近些年由于極端氣候頻現(xiàn)，城市內(nèi)澇問題進一步凸顯，這將加大各大圍排澇壓力。因此，在內(nèi)外江交匯處新建了許多水閘和泵站，以達到降低圍內(nèi)洪澇災(zāi)害風險的目的。雖然閘泵聯(lián)用能有效降低內(nèi)江洪澇災(zāi)害發(fā)生幾率，但是對外江影響較大[2]，尤其在有通航要求的感潮河段，對河段通航影響很大。它將使內(nèi)江排澇時間延長，排澇流量增大，導(dǎo)致排入外江的水流橫向流速增大，影響通航。因此，有必要專門針對內(nèi)江排澇對潮汐河段通航影響及整治措施開展研究，消減內(nèi)江排澇對外江通航的影響。

以往在關(guān)于泵站出水對外河通航的研究中，曾有采用導(dǎo)流墩調(diào)整水流方向的成果[3-5]，也有采用降低交匯口門區(qū)灘面高程的方式降低橫向流速，從而達到滿足通航要求的目的[5-6]，還有將2種方法結(jié)合使用的[4]。雖然以上方案的實施都能改變水流方向，達到降低橫向流速的目的，但是對于外江是潮汐河段，水流方向在漲落潮不斷變換的情況下入?yún)R水流方向也會發(fā)生變化，以上方案就不再適用。因此，針對潮汐河口這種特殊的水流條件，有必要開展專門研究，提出相應(yīng)的整治措施。

本文擬采用物理模型試驗的手段，以中順大圍白花頭水利樞紐工程為例，模擬閘泵聯(lián)調(diào)的情況下內(nèi)江排澇對外江通航的影響，并提出適用于漲潮、落潮及轉(zhuǎn)潮不同工況下排澇對通航影響的整治措施。主要原理是采用導(dǎo)流墩將內(nèi)江口門區(qū)水流分散、打亂，利用水流之間的撞擊將能量消耗掉。

1 工程簡介

中順大圍位于珠江出?？跈M門和磨刀門之間，大圍東側(cè)自上而下緊鄰東海水道、小欖水道和橫門水道;西側(cè)瀕臨西江主流西海水道、海州水道和磨刀門水道，地處廣東省中山市的西北部和佛山市順德區(qū)的南部，跨中山、佛山兩個行政區(qū)[7-8]。全圍總集雨面積779.21 km2，是廣東省五大重要堤圍之一，主要功能是防洪、擋潮、灌溉、排澇、改善航運和水環(huán)境。近年來，由于上游洪水和下游風暴潮的襲擊，大圍地區(qū)洪、澇、暴潮等自然災(zāi)害交錯頻繁出現(xiàn)，給大圍內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅[9]。

擬建白花頭水利樞紐位于白花頭涌與小欖水道交匯處（見圖1），小欖水道洪季受徑流控制，枯季受潮汐影響比較明顯，洪季的平均流量為1 785 m3/s，多年平均流量約為555 m3/s。小欖水道最高潮位發(fā)生于6～9月，歷年最高潮位為4.66 m，最低潮位發(fā)生于枯水期1～3月，為-0.90 m。洪水期水面比降大，徑流作用強，枯水期水面比降小，潮流作用強，落潮潮差大于漲潮潮差，歷年最大落潮潮差自上游往下游遞增，落潮歷時比漲潮歷時長，一般漲潮平均歷時約為5 h，而落潮平均歷時為7 h。

小欖水道現(xiàn)狀維護等級為Ⅲ級，通航1 000 t級船舶，維護尺度為：航道水深4 m，航寬80 m，最小彎曲半徑480 m。規(guī)劃的航道等級為內(nèi)河Ⅰ級，維護尺度為4 m×80 m×480 m（水深×航寬×彎曲半徑）。

該河段典型船舶主要技術(shù)指標包括：長約56 m，寬約10 m，型深3.5 m，設(shè)計吃水深2.85 m，航速13.2 km/h，靜水率定航速4 m/s，最小對岸航速5 m/s。

2 模型試驗介紹

2.1 模型范圍

本次研究采用物理模型試驗的方法進行，擬建白花頭水利樞紐位于中順大圍東干堤白花頭涌出口，樞紐建成后將與小欖水道相接。模型范圍：小欖水道取至上游約1.2 km、下游約1.4 km，白花頭涌取至上游約0.7 km處，如圖2所示。

2.2 試驗條件

（1） 模型比尺。為提高模型試驗觀測精度，選擇較小的模型幾何比尺，根據(jù)模型場地及供水條件，確定該試驗采用正態(tài)模型，比尺為1∶70。

（2） 試驗工況。小欖水道目前為Ⅲ級航道，可通行500～1 000 t級船舶，根據(jù)《大飛洋游艇碼頭通航論證報告》（廣東正方圓工程咨詢有限公司），小欖水道工程段最高通航水位為3.29 m（20 a一遇），最低通航水位為-0.85 m（98%保證率）。

樞紐排澇對小欖水道通航影響隨小欖水道漲落潮流態(tài)變化而變化，且水位越低影響可能會越大。為此，試驗選取了小欖水道一個完整的枯季代表潮型（“012”），配合水閘設(shè)計自排流量（Q=319.9 m3/s），分別進行了24組試水試驗，最終確定以下5種典型工況作為本次試驗研究工況（見表1）。

3 初設(shè)方案試驗結(jié)果

3.1 流態(tài)變化

小欖水道為感潮河段，其流向隨漲落潮變化而變化。工程實施前各試驗工況下，小欖水道不受排澇影響，工程段流態(tài)平順，主流位于深槽位置，小欖水道走向基本平行于主流，航道內(nèi)無明顯不利流態(tài)。圖3為白花頭水利樞紐建成后，不同工況下排澇對小欖水道影響下的流態(tài)圖。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

由圖3可見：工程實施后白花頭水利樞紐口門區(qū)出水主流集中，且主流位置隨外江漲落潮變化而變化。具體來看，當小欖水道以洪為主時，口門區(qū)出水主流主要集中在小欖水道下游5，6號導(dǎo)流孔（自小欖水道上游至下游導(dǎo)流孔依次編號為1，2，…，6），如圖3（a）所示;當小欖水道以潮為主且處于落憩、轉(zhuǎn)流以及漲潮時，口門區(qū)出水主流集中在3，4號導(dǎo)流孔，如圖3（b）～3（d）所示;當小欖水道以潮為主且處于漲急時，口門區(qū)出水主流集中在口門上游1，2號導(dǎo)流孔。

進一步結(jié)合小欖水道控制線位置可以看出，樞紐的排澇對小欖水道流態(tài)的影響也隨外江漲落潮變化而不同。具體來看，當小欖水道轉(zhuǎn)流時（由落轉(zhuǎn)漲），口門區(qū)出水對小欖水道形成頂沖之勢，橫向流速明顯，航道內(nèi)有大范圍回流，該工況下流態(tài)對小欖水道通航最為不利，如圖3（c）所示;當小欖水道處于漲潮中期時，樞紐排澇使得小欖水道工程段主流向左岸偏移，樞紐口門出水主流與小欖水道夾角約為60°左右，大飛洋游艇會口門區(qū)回流明顯，可能會影響游艇會的正常運營，如圖3（d）所示;當小欖水道落憩時，樞紐排澇使得小欖水道工程段主流略向左岸偏移，樞紐口門區(qū)出水主流與小欖水道夾角約為30°左右，也可能影響小欖水道的正常通航，如圖3（b）所示;當小欖水道漲急時，樞紐排澇對小欖水道流態(tài)無明顯不利影響。

3.2 橫向流速對航道的影響

航道內(nèi)的橫向流速是指水流流速在航道法線方向上的分量，它是衡量航道水流條件的重要指標之一。目前，針對天然航道內(nèi)的橫向流速大小，中國暫無統(tǒng)一的規(guī)范要求，GB 50139-2004《內(nèi)河通航標準》[12]規(guī)定Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)橫向流速一般不宜大于0.3 m/s，Ⅴ～Ⅶ級船閘口門區(qū)橫向流速一般不宜大于0.25 m/s。以上規(guī)定對于天然航道來說過于苛刻，但本次研究從保證工程安全的角度出發(fā)，仍采用以上標準作為參照依據(jù)。

為了定量分析樞紐排澇后小欖水道工程段橫向流速的大小，本次研究在擬建樞紐口門區(qū)上下游選取了8個斷面共計39個流速采樣分析點，并測量了各采樣點橫向流速大小及其變化值。其中1-2號～8-2號位于小欖水道右岸控制線上，1-3號～8-3號位于小欖航道中心線上，1-4號～8-4號位于小欖航道左岸控制線上，如圖4所示。

從橫向流速測量結(jié)果可以看出，工程實施前小欖水道工程段各采樣點橫向流速均為0。工程實施后，樞紐排澇對小欖水道橫向流速的影響主要集中在2號斷面與5號斷面之間，入小欖水道最大橫向流速均出現(xiàn)在小欖水道右岸控制線4-2號點處。各試驗工況下，入小欖水道最大橫向流速出現(xiàn)在小欖水道轉(zhuǎn)流（由落轉(zhuǎn)漲）時刻，約為0.72 m/s（4-2號點處），是規(guī)范上限值的2.4倍左右，可能會影響小欖水道的正常通航;其次小欖水道落憩時刻，入小欖水道最大橫向流速也可達0.67 m/s;小欖水道漲潮中期以及漲急時刻，入小欖水道最大橫向流速分別為0.62 m/s和0.28 m/s;當小欖水道遭遇20 a一遇設(shè)計洪水時，樞紐排澇對小欖水道通航影響最小，最大橫向流速僅為0.03 m/s。

3.3 縱向流速影響

航道內(nèi)的縱向流速是指水流流速在航道平行線方向上的分量，它也是衡量航道水流條件的指標之一。目前，針對天然航道內(nèi)的縱向流速大小，中國暫時也沒有統(tǒng)一的規(guī)范要求，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗及參考資料，天然航道內(nèi)的縱向流速一般不宜大于3.0 m/s。本次研究就采用該經(jīng)驗值作為參照依據(jù)。

工程后各試驗工況下，小欖水道內(nèi)最大縱向流速出現(xiàn)在最高通航水位條件下（7-2號處），約為2.22 m/s，小于3.00 m/s，因此不會影響小欖水道正常通航。

4 方案優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案原理

根據(jù)初設(shè)方案試驗結(jié)果，工程實施后樞紐排澇對小欖水道通航有一定影響，主要是漲潮、落潮及轉(zhuǎn)潮橫向流速都超標，其中轉(zhuǎn)潮時刻橫向流速最大。為了消除橫向流速對小欖水道通航的影響，擬在口門區(qū)設(shè)置導(dǎo)流墩，同時將口門區(qū)排水渠底高程由-4.0 m進一步疏浚至-6.0 m，并與小欖水道-6.0 m等深線銜接（見圖5）。

將初設(shè)方案的導(dǎo)流墩調(diào)整為“W”形走向，并在口門區(qū)上游增加一排放射狀分布的導(dǎo)流墩的優(yōu)化方案，是利用上游放射狀的導(dǎo)流墩進行分流，將集中水流均勻的分散，再利用“W”形走向?qū)Я鞫瞻逊稚⒌乃鞔騺y，利用不同方向水流之間的碰撞進行二次消能，從而達到降低橫向流速的目的（見圖6）。

4.2 優(yōu)化試驗結(jié)果

（1） 流態(tài)分布。圖7為優(yōu)化方案各試驗工況下小欖水道工程段流態(tài)分布圖。對比圖7（c）和圖3（c）可知：最不利工況下（小欖水道由落轉(zhuǎn)漲），優(yōu)化方案樞紐口門區(qū)主流分散，進入小欖水道后流速較小，且無明顯回流區(qū)，不會影響小欖水道的正常通航。小欖水道落憩、漲潮中期時，小欖水道的流態(tài)也得到進一步改善，大飛洋游艇會口門區(qū)回流消失（見圖7（a）（b）（d）），樞紐排澇不再影響游艇進出港安全。小欖水道處于漲急時刻或者遭遇20 a一遇洪水時，優(yōu)化方案流態(tài)與初設(shè)流態(tài)類似，均不會對小欖水道水流條件構(gòu)成明顯不利影響。

（2） 橫向流速分布。對優(yōu)化方案下各試驗工況的橫向流速進行了測量：轉(zhuǎn)潮流工況下，入小欖水道最大橫向流速出現(xiàn)在3-2號位置處，約為0.27 m/s，較初設(shè)方案削減了62.5%，滿足GB 50139-2004《內(nèi)河通航標準》對Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)橫向流速的要求（不宜大于0.3 m/s）。其他試驗工況下，優(yōu)化方案最大橫向流速一般出現(xiàn)在3-2號、4-2號位置處，均在0.25 m/s以內(nèi)，較初設(shè)方案都有不同程度的減小。因此對擬建樞紐口門區(qū)優(yōu)化后，入小欖水道最大橫向流速顯著減小，樞紐排澇基本不會影響小欖水道的正常通航。

（3） 縱向流速分布。對優(yōu)化方案下各試驗工況的縱向流速進行了測量：小欖水道最大縱向流速仍然出現(xiàn)在小欖水道最高通航水位下7-2號處，約為2.22 m/s，與初設(shè)方案相同，不會影響正常通航。其他試驗工況下，方案優(yōu)化后小欖水道最大縱向流速一般都在1.50 m/s以內(nèi)，也不會對通航構(gòu)成不利影響。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

對比了初設(shè)方案與優(yōu)化方案中各測點的橫向流速，選取的工況為“012”落憩對應(yīng)最低通航水位。因為該工況下小欖水道水位最低，白花頭涌排出來的水流橫向流速最大，為最不利工況（見表2）。

表2列出的對比測點是有橫向流速的點，其他測點均無橫向流速。從表2可以看出：相比初設(shè)方案，優(yōu)化方案中第4排和第5排測點橫向流速明顯減小，而且都在控制流速的范圍內(nèi)。第3排部分測點橫向流速有所增大，但仍在限制流速范圍內(nèi)。因此，從橫向流速角度來講，優(yōu)化方案明顯優(yōu)于初設(shè)方案，可以滿足小欖水道通航要求。

5 結(jié) 論

本文采用物理模型試驗的手段，以中順大圍白花頭水利樞紐工程為例，模擬閘泵聯(lián)調(diào)的情況下內(nèi)江排澇對外江通航的影響，提出適用于漲潮、落潮及轉(zhuǎn)潮不同工況下排澇對通航影響的整治措施。結(jié)論如下。

（1） 內(nèi)江排澇對小欖水道流態(tài)的影響隨外江漲落潮變化而不同，但都對小欖水道通航有一定影響。轉(zhuǎn)潮時，外江流速很小，排澇形成的橫向流速明顯，航道內(nèi)有大范圍回流，該工況下的流態(tài)對小欖水道通航最為不利;漲潮中期時，內(nèi)江出水主流與小欖水道夾角約為60°左右;落憩時，內(nèi)江出水主流與小欖水道夾角約為30°左右。

（2） 工程實施后，各試驗工況下入小欖水道最大橫向流速出現(xiàn)在小欖水道轉(zhuǎn)潮時刻，約為0.72 m/s，是規(guī)范上限值的2.4倍左右;落憩時刻，入小欖水道最大橫向流速也可達0.67 m/s;漲潮中期時刻，入小欖水道最大橫向流速為0.62 m/s;3種工況下橫向流速均超標，均會對通航產(chǎn)生影響。

（3） 為了消除橫向流速對小欖水道通航的影響，提出在口門區(qū)設(shè)置兩排導(dǎo)流墩，其中上游一排為放射型布置，下游一排采用“W”形走向布置;同時將口門區(qū)排水渠底高程由-4.0 m進一步疏浚至-6.0 m，并與小欖水道-6.0 m等深線銜接的優(yōu)化方案。

（4） 通過方案優(yōu)化，各工況下橫向流速均降至規(guī)范標準以內(nèi)，可滿足小欖水道通航的需求。

參考文獻：

[1] 葉林宜.中順大圍聯(lián)圍工程效益調(diào)查[J].人民珠江，1989（4）：43-45.

[2] 郝媛媛，普曉剛，李君濤.長沙樞紐船閘下游口門區(qū)出口支流入?yún)R段通航條件研究[J].水道港口，2014，35（4）：399-403.

[3] 陳忠軍.瓜步汛電排站對通航影響的解決措施[J].人民珠江，2009（1）：42-43.

[4] 張婧，陸倩，田利勇.泵閘口門航道段通航水流條件改善措施研究[J].城市道橋與防洪，2019（6）：242-245.

[5] 姜楚，趙建鈞，辜晉德.青田水利樞紐通航水流條件試驗研究[J].水利水運工程學報，2014（2）：74-80.

[6] 馬珺.大中型泵站樞紐對外河通航影響的研究[J].城市道橋與防洪，2016（6）：188-191.

[7] 楊莉玲，楊芳，余順超，等.感潮河網(wǎng)區(qū)風暴潮洪水風險模擬研究：以中順大圍為例[J].人民珠江，2018，39（8）：4-8.

[8] 張浩，潘志軍，何勇，等.復(fù)雜河網(wǎng)大型排澇泵站運行方案的優(yōu)化研究[J].浙江水利科技，2017（2）：28-33.

[9] 張海麗，賀新春，鄧家泉.基于閘泵聯(lián)控的感潮河網(wǎng)區(qū)水動力水質(zhì)調(diào)控[J].長江科學院院報，2019，36（8）：36-41，48.

[10] 彭鉅新.潮汐河段航道設(shè)計最低通航水位標準的研究[J].水運工程，2008（1）：73-77.

[11] 徐興玉，竇文俊.潮汐河口設(shè)計通航水位的保證率[J].水運工程，1981（7）：27.

[12] 王路，謝平，桑燕芳，等.非一致性最低通航水位設(shè)計的保證率頻率法[J].水力發(fā)電學報，2020，39（1）：31-43.

[13] 中華人民共和國交通部.內(nèi)河通航標準：GB 50139-2004[S].北京：中國計劃出版社，2004.

（編輯：胡旭東）E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF