曹娥江清風(fēng)樞紐船閘閘下流態(tài)研究

林一楠，孫逸豪，何 昆

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310016)

船舶由主航道進(jìn)入引航道后，船速減小使得舵效降低，船舶姿態(tài)不易操縱，若引航道流速過大或者存在明顯回流則可能造成靠船困難甚至船撞事件[1-3]，因此對(duì)河道下泄流量和泄水閘開啟方式有很高的要求[4-6]。筆者通過模型試驗(yàn)研究不同泄水閘開啟方式對(duì)下游流態(tài)的影響，推薦了較合理的閘門開啟方式，并在這種閘門開啟方式下研究滿足引航道流速要求的最大下泄徑流量[7-9]。

對(duì)于閘下流態(tài)良好的河段，可采用平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算[10]，但是二維平面數(shù)模無法模擬閘底出流。清風(fēng)樞紐船閘工程前期已經(jīng)開展數(shù)模計(jì)算相關(guān)工作，由于工程河段條件相對(duì)復(fù)雜，為更好地模擬船閘和泄水閘下游局部流態(tài)，進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。本次模型試驗(yàn)采用大范圍表面流場(chǎng)拍攝系統(tǒng)研究船閘下游的流場(chǎng)條件，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

曹娥江是錢塘江下游Ⅰ級(jí)支流，流域面積4 481 km2，主流平均比降0.7‰。工程上游約2 km處有花山水文站，根據(jù)花山水文站(1983年前為東沙埠站)的流量資料統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流量為74.0 m3/s，年徑流總量為23.3億m3。曹娥江徑流年際變化很大，花山站最大年平均流量為120 m3/s(1973年)，最小年平均流量32 m3/s(2004年)。船閘上游河道寬度約500 m，而下游河道僅約250 m，因此船閘上游庫區(qū)流速較小，而下游流速較大。樞紐平面布置見圖1。

本次新建清風(fēng)船閘設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，采用壩上式布置，新建船閘擬布置于樞紐左岸，靠近左岸防洪堤。新建船閘軸線與原樞紐壩軸線交角約75°，與改建后樞紐壩軸線夾角80.5°，下閘首位于樞紐擋水線上，右側(cè)與10孔泄水閘相接。船閘閘室有效尺度165 m×14 m×4.0 m(長(zhǎng)×寬×檻上水深)。上閘首按照20 a一遇洪水加超高設(shè)計(jì)，上閘首頂高17.0 m。上閘首閘門按照10 a一遇洪水加超高設(shè)計(jì)，閘門頂高程為15.0 m。閘室墻頂按照上游10 a一遇洪水位加超高設(shè)計(jì)，其中墻頂高程15.1 m。下閘首頂高按人字門頂高加安裝高度設(shè)計(jì)，下閘首頂高18.7 m。上游導(dǎo)航墻和靠船墩頂高程12.5 m；下游導(dǎo)航墻和靠船墩頂高程9.0 m，下游引航道底高程-0.7 m。

船閘右側(cè)為14 m×10孔泄水閘。并在第4與第5口泄水閘之間增設(shè)長(zhǎng)約220 m的導(dǎo)流墻和3座導(dǎo)流墩，隔流墻頂高程8.5 m。

2 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計(jì)

物理模型的模擬范圍包含清風(fēng)樞紐、新建船閘、清風(fēng)大橋、上三高速橋等特征建筑物，模擬河段長(zhǎng)約7.0 km(圖2)。工程河段彎道較多，工程附近流態(tài)復(fù)雜。為準(zhǔn)確模擬彎道流態(tài)和施工前后的水流變化，本次模型采用正態(tài)設(shè)計(jì)。對(duì)工程區(qū)域水位、流速、流態(tài)進(jìn)行研究。主要考慮工程研究范圍、河段岸線和地形特征、涉水工程尺度以及設(shè)備和場(chǎng)地因素，確定模型比尺為1:80。模型比尺參數(shù)見表1。

圖2 物模照片

表1 模型比尺參數(shù)

2.2 水位驗(yàn)證

由于物理模型范圍內(nèi)沒有實(shí)測(cè)水位資料，本次物理模型率定水位資料由經(jīng)過驗(yàn)證的一維數(shù)學(xué)模型提供。整體物理模型采用一維數(shù)學(xué)模型20 a一遇洪水條件下的水位計(jì)算成果對(duì)水面線進(jìn)行率定。物理模型范圍共布置8個(gè)水位測(cè)點(diǎn)，分別位于清風(fēng)樞紐上/下游、清風(fēng)大橋上/下游、彎曲河段和上三高速公路橋上/下游。水位測(cè)點(diǎn)布置見圖3，率定結(jié)果見表2。

圖3 水位及流速測(cè)點(diǎn)布置

表2 模型沿程水位驗(yàn)證結(jié)果

2.3 流速驗(yàn)證

采用20 a一遇洪水條件下的數(shù)模計(jì)算成果對(duì)沿程流速分布進(jìn)行校核。共選取樞紐上、下游共19個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行流速對(duì)比，測(cè)流斷面分布見圖3，沿程流速校核成果見表3。由表3可知，數(shù)模計(jì)算成果與物模試驗(yàn)成果沿程各斷面的流速分布特征基本一致，各代表點(diǎn)流速比較接近，流速誤差絕對(duì)值在20%以內(nèi)，因此模型能較好地反映本河段流速分布情況。

表3 流速驗(yàn)證成果

3 方案研究

3.1 泄水閘開啟方式試驗(yàn)

泄水閘的開啟方式直接影響下游流態(tài)，若開啟方式不合理則可能產(chǎn)生不良流態(tài)，對(duì)船閘通過能力和電站尾水下泄造成不利影響，更可能對(duì)涉水建筑物造成不良影響。因此在800 m3/s徑流量條件下，分別對(duì)開啟第5孔、第7孔、第8孔、第9孔和5～10孔均勻開啟的泄水閘調(diào)度方式進(jìn)行試驗(yàn)，并采用大范圍PIV表面流場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置得到各工況的下游流態(tài)見圖4。

如圖4a)所示，單獨(dú)開啟第5孔泄水閘時(shí)，由于主流靠左側(cè)隔流墻下泄，電站出流經(jīng)下游凸體挑向左岸，兩股流匯合后在凸體下游靠近右岸處形成一順時(shí)針回流，主流在出隔流墻末端后經(jīng)清風(fēng)大橋橋墩右側(cè)下泄，橋墩左側(cè)形成回流區(qū)，下泄能力較弱。

如圖4b)所示，單獨(dú)開啟第7孔泄水閘時(shí)，閘下流態(tài)與單獨(dú)開啟第5孔時(shí)基本相似，在閘下形成順時(shí)針回流，主流通過隔流墻末端后主要通過清風(fēng)大橋橋墩右側(cè)下泄。

如圖4c)所示，單獨(dú)開啟第8孔泄水閘時(shí)，泄水閘下泄水流和電站出流混合，在靠近隔流墻附近形成一逆時(shí)針回流，回流范圍覆蓋了隔流墻右側(cè)的江道，回流區(qū)下游的水流相對(duì)平順，主流出隔流墻末端后被橋墩分為左右兩股下泄。

如圖4d)所示，單獨(dú)開啟第9孔泄水閘時(shí)，由于泄水閘下泄水流和電站出流位置接近，兩股水流在右岸凸體上游即匯合成一股，經(jīng)凸體挑流后與河道呈一定夾角向下游流動(dòng)，下游形成多個(gè)回流區(qū)。在主流與隔流墻之間形成一逆時(shí)針回流，又在凸體下游右岸附近形成一順時(shí)針回流，在清風(fēng)大橋左跨附近形成逆時(shí)針回流，在回流區(qū)下游主流逐漸擴(kuò)散至整個(gè)斷面。

如圖4e)所示，均勻開啟5～10孔泄水閘時(shí)，下游斷面流速分布較為均勻，不存在較大的流速差異，雖然電站的出流在一定程度上破壞了斷面流速分布的均勻性，但由于電站出流的流量占比較小對(duì)水流影響有限，下游河道僅在引航道下游形成回流流速小于0.15 m/s的回流區(qū)。

圖4 各工況的下游流態(tài)

由于表面流場(chǎng)拍攝范圍有限，在拍攝范圍外利用旋漿流速儀進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)量。根據(jù)測(cè)量成果，單獨(dú)開啟第5孔時(shí)對(duì)下游流態(tài)影響范圍最遠(yuǎn)，可至閘下約1 km，而均勻開啟5～10孔對(duì)下游流態(tài)影響范圍較小，可至閘下約700 m。因此均勻開啟5～10孔泄水閘是較合理的閘門開啟方式。

3.2 最大安全通航流量試驗(yàn)

為滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中引航道流速要求的最大通航流量，分別進(jìn)行臺(tái)汛期平均流量200 m3/s、最大安全通航流量850 m3/s和1 a一遇流量1 000 m3/s 3種流量條件下的試驗(yàn)，閘下水位由數(shù)學(xué)模型計(jì)算提供。試驗(yàn)時(shí)參照正常通航條件下閘門啟閉和電站運(yùn)行方式：清風(fēng)樞紐電站正常發(fā)電，同時(shí)開啟隔流墻右側(cè)6孔泄水閘進(jìn)行泄流，左側(cè)4孔泄水閘關(guān)閉。工況設(shè)計(jì)見表4。

表4 最大安全通航流量試驗(yàn)條件

不同流量條件下航道范圍內(nèi)最大縱向流速、最大橫向流速、最大回流流速和船閘下游水位見表5。由表5可知，在3種流量條件下，導(dǎo)航段受隔流墻掩護(hù)均為靜水狀態(tài)，而隔流墻下游靠船段區(qū)域由于河道右側(cè)水流擴(kuò)散，水流流速有所增大，且水流流速與航道呈一定角度，導(dǎo)致在850 m3/s流量條件下靠船段最大橫向流速達(dá)到0.15 m/s，為最大橫向流速標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。在1 000 m3/s流量條件下靠船段最大橫向流速達(dá)到0.18 m/s，超出相關(guān)流速標(biāo)準(zhǔn)，因此上游850 m3/s為船閘下游最大安全通航流量。

表5 最大安全通航流量試驗(yàn)成果

4 結(jié)論

1)在800 m3/s流量條件下單獨(dú)開啟閘門均會(huì)導(dǎo)致下游產(chǎn)生明顯回流；均勻開啟5～10孔泄水閘可使閘下水流較為平順，回流范圍和回流強(qiáng)度相對(duì)較小，有利于船舶停靠和進(jìn)出引航道。

2)正常通航條件下，水流經(jīng)5～10孔泄水閘下泄后會(huì)在隔流墻下游引航道區(qū)產(chǎn)生小范圍回流。在均勻開啟5～10孔泄水閘且徑流量大于850 m3/s時(shí)引航道橫向流速超過0.15 m/s的限制條件，因此850 m3/s為最大安全通航流量。