湘江湘祁樞紐船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件影響及對(duì)策

段元振，鄒開(kāi)明，2

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

船閘引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件是影響船舶安全進(jìn)出船閘的重要影響因素，也是通航樞紐規(guī)劃布置需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題[1-3]，《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)引航道口門(mén)區(qū)縱向、橫向、回流流速做出了具體規(guī)定。但是，在自然河道中修建的通航建筑物往往會(huì)在口門(mén)區(qū)出現(xiàn)復(fù)雜的不良流態(tài)[4-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)礙航流態(tài)，在不同的工程中提出了諸多改善措施，主要包括布置潛壩、口門(mén)區(qū)挖槽、優(yōu)化導(dǎo)航墻布置、平順岸線、調(diào)整引航道長(zhǎng)度、優(yōu)化航線等[8-15]。這些優(yōu)化方案有效改善了口門(mén)區(qū)通航水流條件，也為后續(xù)工程提供了借鑒意義。

根據(jù)湘江水運(yùn)發(fā)展需求，擬通過(guò)擴(kuò)建二線船閘提高湘祁船閘上水過(guò)壩運(yùn)量，擴(kuò)建船閘位于原有一線船閘左側(cè)，級(jí)別為Ⅲ級(jí)，二線船閘與一線船閘分設(shè)引航道，上游引航直線進(jìn)閘、曲線出閘，下游引航曲線進(jìn)閘、直線出閘，見(jiàn)圖1。上游導(dǎo)航墻順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)73 m、隔流墻長(zhǎng)240 m。下游引航道軸線與船閘軸線平行，導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)130 m；停泊段長(zhǎng)180 m，?？恳婚l次船舶；直線制動(dòng)段長(zhǎng)86 m；連接段彎曲航道岸邊線弧長(zhǎng)131 m、半徑500 m；連接段直線航道與主航道平順連接，與船閘軸線的夾角15°。

圖1 湘江湘祁樞紐二線船閘平面布置

鑒于該工程是在湘祁樞紐一線船閘的基礎(chǔ)上，在已有建筑物岸側(cè)增建二線船閘，造成二線船閘引航道與主航道曲線連接。因一線船閘引航道的限制，且一線船閘與二線船閘軸距僅為80 m，使得擬建二線船閘上下游口門(mén)區(qū)及連接段附近通航水流條件相對(duì)較為復(fù)雜，造成橫向流速和回流流速超出規(guī)范要求，形成礙航水流。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，相對(duì)上游引航道，下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件更難滿足通航要求。因此，本文依托湘祁樞紐二線船閘擴(kuò)建工程，采用定床水流物理模型試驗(yàn)，研究二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件，提出優(yōu)化方案并分析改善效果，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)

本研究主要討論二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)及其連接段的通航水流條件，為了使模型能真實(shí)準(zhǔn)確地反映河道的水流狀態(tài)，必須保證河道模型與原型的水力相似。基于1:5 000實(shí)測(cè)地形圖，根據(jù)幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及阻力相似準(zhǔn)則，采用1:100正態(tài)比尺制作模型，入口位于壩址上游1.0 km、出口位于下游1.8 km處、寬度取整個(gè)河道寬度。制模平面采用三角形導(dǎo)線網(wǎng)控制：模型地形采用斷面控制法，模型斷面間距為50～100 cm，特殊地形采用等高線法控制。模型采用水泥砂漿制作，糙率為0.012～0.014，通過(guò)抹光或抹面的方式調(diào)節(jié)糙率，使模型糙率與實(shí)際情況相似。

模型建成后，主要觀測(cè)中水(Q=6 000 m3/s)和枯水(Q=975 m3/s)情況，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，針對(duì)水面線和流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證水尺斷面位置見(jiàn)圖2。驗(yàn)證結(jié)果表明：模型中、枯水的水面線與原型水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果誤差絕對(duì)值不大于0.050 m(表1)，中、枯流量水位驗(yàn)證結(jié)果滿足規(guī)定的誤差要求；對(duì)于中、枯水大斷面流速，模型與原型流速偏差不大于10%，流場(chǎng)相似度較高(圖3)。驗(yàn)證試驗(yàn)表明模型與原型水面線基本一致，流速分布吻合較好，符合定床河工模型的技術(shù)規(guī)范要求，物理模型可作為湘祁樞紐擴(kuò)建二線船閘整體定床物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

圖2 驗(yàn)證水尺及測(cè)流斷面位置

表1 水位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 Q3斷面流速分布驗(yàn)證結(jié)果

為準(zhǔn)確得到各級(jí)流量的水流特性和通航水流條件，針對(duì)設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案，根據(jù)水文資料，結(jié)合湘祁水電站水庫(kù)汛期運(yùn)行控制方案，擬定了試驗(yàn)流量工況，見(jiàn)表2。

表2 模型試驗(yàn)研究工況設(shè)置

2 常規(guī)開(kāi)閘方式對(duì)通航水流條件的影響

為了解船閘引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件，對(duì)船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和測(cè)量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提取出二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件特征值，見(jiàn)表3。試驗(yàn)表明，實(shí)施二線船閘工程后，針對(duì)下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件存在兩種結(jié)果：1)上游來(lái)流流量為Q=265 m3/s、3 a一遇Q=9 200 m3/s、5 a一遇Q=10 400 m3/s、10 a一遇Q=12 000 m3/s時(shí)，引航道口門(mén)區(qū)縱向、橫向、回流流速均滿足規(guī)范要求；2)上游來(lái)流流量Q為1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s時(shí)，在下游隔水堤端一定區(qū)域內(nèi)，橫向流速和回流流速超過(guò)規(guī)范要求，不滿足通航水流條件。綜上所述，在常規(guī)開(kāi)閘方式條件下，根據(jù)樞紐調(diào)度方式，選取來(lái)流流量Q=6 000 m3/s作為最不利通航流量進(jìn)行下游引航道口門(mén)區(qū)優(yōu)化措施研究，該工況下樞紐流速分布見(jiàn)圖4。

表3 二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件特征值

圖4 來(lái)流流量Q=6 000 m3/s時(shí)湘祁樞紐流速分布結(jié)果(單位：m/s)

3 下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件影響因素及優(yōu)化措施

3.1 泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)來(lái)流流量Q=6 000 m3/s時(shí)泄水閘開(kāi)啟方式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化措施見(jiàn)表4。

表4 Q=6 000 m3/s時(shí)泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化措施

為了解泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化后船閘下游引航道連接段通航水流條件，對(duì)船閘下游引航道連接段的流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。表5給出泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化前后二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件變化情況。在Q=6 000 m3/s時(shí)，其他條件保持不變，泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化后，可以看出：1)右岸泄水閘(1#～7#)開(kāi)啟時(shí)，適當(dāng)開(kāi)啟左岸泄水閘(13#～19#)，對(duì)減小二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)橫流、回流是有利的；2)均勻開(kāi)啟全部泄水閘(1#～19#)，減小了下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段橫向流速，對(duì)二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件有利。

圖5 泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化后樞紐下游流速分布(單位：m/s)

表5 泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化前后通航水流條件對(duì)比

3.2 二線船閘下游引航道隔水堤優(yōu)化

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，為調(diào)整下游引航道口門(mén)區(qū)流速分布特征，考慮對(duì)下游引航道隔水堤進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案見(jiàn)圖6。

圖6 二線船閘下游引航道隔水堤優(yōu)化方案

為了解二線船閘下游引航道隔水堤優(yōu)化對(duì)下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流條件的影響，對(duì)下游流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)從總體上看，二線船閘下游引航道隔水堤優(yōu)化后，對(duì)整個(gè)河道水流影響較小，對(duì)下游引航道連接段河流主流與航道中心線的夾角、連接段內(nèi)的橫向流速影響較小，僅對(duì)二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)流速產(chǎn)生影響。

2)對(duì)于二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)，當(dāng)上游來(lái)流較小時(shí)，二線船閘下游引航道隔水堤長(zhǎng)度減少對(duì)減小回流有利；但當(dāng)上游來(lái)流大于6 000 m3/s以后，二線船閘下游引航道隔水堤長(zhǎng)度的減少對(duì)整個(gè)河道水流影響很小，但是會(huì)引起口門(mén)區(qū)回流流速的增大，平均增大20%左右。

3)二線船閘下游引航道隔水堤長(zhǎng)度減少，導(dǎo)致一線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)橫向流速有所減小，平均降幅達(dá)10%；同時(shí)引起了回流流速的增大，平均增大55%左右。

綜合考慮，不建議優(yōu)化下游隔水堤。

3.3 電站出流口下游河道局部疏浚

電站下游右岸大堤優(yōu)化后，雖然引航道口門(mén)區(qū)水流條件有所改善，但是電站下泄水流仍然沖向引航道?？紤]到將下游右岸大堤后移實(shí)施難度較大，提出局部疏浚電站出流口附近下游河道右岸的方案(圖7)，將河底高程65～66 m的地形疏浚至64 m，與周?chē)蟀陡叱探咏鶕?jù)地形圖估計(jì)疏浚量約為13 600 m3。

圖7 電站下游出流口河道疏浚方案

為了解電站出流口下游河道局部疏浚對(duì)下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流條件的影響，對(duì)下游流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和測(cè)量，結(jié)果表明：

1)局部疏浚二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)、電站出流口下游河道后，口門(mén)區(qū)的縱向、橫向、回流均有所減小。在電站滿發(fā)、泄水閘關(guān)閉情況下，二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)的縱向流速減小87%、橫向流速減小65%、回流流速減小56%；在電站發(fā)電、泄水閘3#、5#、7#孔開(kāi)度2.5 m情況下，口門(mén)區(qū)的縱向流速減小27%、橫向流速減小24%、回流流速減小39%。

2)局部疏浚一線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)、電站出流口下游河道后，在電站滿發(fā)、泄水閘關(guān)閉情況下，口門(mén)區(qū)的縱向流速減小90%、橫向流速減小65%，但是造成了回流的產(chǎn)生，回流流速達(dá)0.5 m/s，不滿足規(guī)范要求。

3)對(duì)下游引航道連接段河流主流與航道中心線的夾角影響較小，但是減少了連接段內(nèi)的橫向流速，在電站滿發(fā)泄水閘關(guān)閉情況下，減少幅度達(dá)50%左右。

3.4 綜合優(yōu)化調(diào)整方案

綜合前述試驗(yàn)結(jié)果，考慮電站下游疏浚和泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化等措施，針對(duì)上游來(lái)流流量Q=6 000 m3/s，通過(guò)綜合優(yōu)化的措施進(jìn)行試驗(yàn)。為了解船閘引航道連接段通航水流條件，對(duì)船閘上、下游引航道連接段的流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖8，此時(shí)，下游引航道口門(mén)區(qū)縱向、橫向、回流流速均滿足規(guī)范要求。

圖8 Q=6 000 m3/s時(shí)綜合優(yōu)化方案條件下樞紐下游流速分布(單位：m/s)

對(duì)比二線船閘實(shí)施后一線船閘口門(mén)區(qū)水流條件與原一線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件，得到結(jié)論：1)在流量2 500～6 000 m3/s時(shí)，下游引航道口門(mén)區(qū)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)規(guī)范的回流；原一線船閘在流量大于2 500 m3/s時(shí)口門(mén)區(qū)最大橫流大于0.30 m/s，不能正常通航。因此擴(kuò)建二線船閘對(duì)原一線船閘不產(chǎn)生惡化。2)在流量為2 a一遇8 000 m3/s情況下，縱向流速大于2.0 m/s，超過(guò)規(guī)范限值，無(wú)法通航。因此擴(kuò)建二線船閘，不影響一線船閘正常通航。

4 結(jié)論

1)在常規(guī)開(kāi)閘方式條件下，上游來(lái)流流量Q為1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s時(shí)，在下游隔水堤一定區(qū)域內(nèi)，橫向流速和回流流速超過(guò)規(guī)范要求，不滿足通航水流條件。為改善口門(mén)區(qū)水流條件，須優(yōu)化方案。

2)二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)的水流受樞紐運(yùn)行方式影響較大。試驗(yàn)結(jié)果表明右岸泄水閘(1#～7#)開(kāi)啟時(shí)，適當(dāng)開(kāi)啟左岸泄水閘(13#～19#)，對(duì)減小二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)橫流、回流有利；均勻開(kāi)啟全部泄水閘(1#～19#)，減小了下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段橫向流速，對(duì)二線船閘下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件有利。

3)通過(guò)優(yōu)化泄水閘開(kāi)啟方式、二線船閘下游引航道隔水堤、電站下游右岸大堤，局部疏浚電站出流口下游河道等一系列措施的試驗(yàn)研究，提出了綜合電站下游疏浚和泄水閘開(kāi)啟方式優(yōu)化措施，使下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求。按照優(yōu)化方案擴(kuò)建二線船閘，沒(méi)有惡化原一線船閘通航條件。