贛江南支吉里樞紐通航水流條件試驗研究及其優(yōu)化措施

方錦濤，趙建鈞，辜晉德，王 宇

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段是船舶進出引航道的咽喉[1]，口門區(qū)及連接段的縱、橫向流速不應過大，應避免出現(xiàn)不利水力現(xiàn)象，如泡漩、嚴重回流等[2]，該區(qū)域水流狀態(tài)的好壞直接影響船舶進出船閘順利與否。在彎曲河段上，航電樞紐通航建筑物一般具有“灘多、彎道多、直線段短”的特征[3-5]，這使得引航道口門區(qū)及連接段水流流態(tài)較差，影響船舶的正常航行。贛江南支蜿蜒曲折，此處灘地發(fā)育，水流條件極其復雜。當前許多文獻已對不利通航水流條件的整治進行研究，但不同工程的情況差別較大，仍需通過模型試驗進一步研究歸納。本文依托吉里樞紐整體水工模型試驗，分析S形急彎河段且河勢地形較為復雜時引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件，并依此提出相應的優(yōu)化工程措施。

1 工程概況

贛江南昌樞紐是贛江下游尾閭綜合整治控制性工程，工程在主支、北支、中支及南支河道中下游建閘抬水。吉里樞紐為贛江南支河道修建工程，其整體布置見圖1。該樞紐主要任務為控制贛江枯期水位，改善南昌城區(qū)水環(huán)境，改善航道、港口運行條件，為打造贛江“黃金水道”創(chuàng)造有利條件。樞紐主體建筑物從左至右依此為：明水渠段117.45 m、灘地溢流堰段495.53 m(包括魚道)、底軸驅動翻板閘段354.1 m、溢流堰段25 m、船閘段47 m、值班管理房平臺段54.20 m，壩軸線總長1 093.28 m。船閘為單線單級船閘，主要建筑物包括船閘主體段，上下游引航道，導航、靠船、隔流建筑物，其中線路總長度約3.6 km。上、下游引航道受場地條件的限制，為減少岸坡開挖，導航墻、靠船建筑物設置在左側，輔導航墻設置在右側。上、下游引航道均采用曲線進閘、直線出閘的不對稱布置方式。上游導航墻518 m、制動段40 m、停泊段238 m、調(diào)順段240 m，布設18個獨立靠船墩；下游導航墻長569 m、制動段92 m、停泊段238 m、調(diào)順段245 m。為滿足樞紐建筑物布置寬度要求并使航道順直，船閘軸線與泄水閘軸線垂直。泄水閘泄流總凈寬300 m，共設6孔，正常蓄水位15.5 m。擬建南支吉里樞紐船閘等級為Ⅲ級，設計水頭4 m，閘室尺寸180 m×23 m×4 m(長×凈寬×門檻水深)。

圖1 吉里樞紐整體布置

由圖2可看出吉里樞紐閘址上游為約135°彎道段，彎道凸岸的灘地高程約16 m，河流經(jīng)凹岸后至較順直的閘址處，河流呈東西向流經(jīng)閘址。河道右側大堤內(nèi)側為筑堤開挖取土而形成的明渠，明渠沿程局部有殘留堤埂，堤埂高程約在16 m。右岸灘地外圍筑有土堤且存在局部缺口，堤頂高程約18.5 m。彎道附近深泓偏向左岸，通過彎道后，深泓逐步右移偏向右岸，彎道下游主流流向基本與深泓線保持一致。

圖2 吉里樞紐區(qū)洪期衛(wèi)星圖

2 模型制作及量測手段

2.1 整體物理模型

模型幾何比尺1:100，主要采用Fr相似準則進行設計?？紤]到樞紐整體布置及吉里樞紐上下游河段河勢特點，模擬范圍確定為閘址上游5 km河段至下游4 km河段。流速采用ADV三維流速測速系統(tǒng)測量，量程0.1～400 cm/s；流量采用標準量水堰測控，誤差范圍≤1%；水位采用自動跟蹤水位計及測針進行測量，精度0.02 mm。

根據(jù)河段實測資料，選取795 m3/s流量進行模型水面線率定(圖3)。結果表明：模型實測水位與原型水位基本一致，兩者相差在0.06 m之內(nèi)，滿足相關規(guī)范要求，因此，模型與原型之間的相似性良好。

圖3 Q=795 m3/s時水面線驗證

JTJ 305—2001《船閘總體設計規(guī)范》[6]規(guī)定口門區(qū)流速指標限值：Ⅲ級航道，縱向流速vy≤2.0 m/s，橫向流速vx≤0.3 m/s，回流流速v回≤0.4 m/s，引航道內(nèi)宜為靜水區(qū)。

2.2 試驗工況

吉里樞紐根據(jù)實際水文條件及樞紐布置，并結合暢洪調(diào)枯的水位原則，通過多種泄洪方案比較優(yōu)選不同流量級下的閘孔開啟方式作為試驗工況，其中工況6為3#閘門全開、4#閘門開啟26°、其余閘門開啟90°，各試驗工況見表1。

表1 吉里樞紐試驗工況

3 上游引航道通航水流條件

3.1 原設計方案下通航水流條件

對7個工況分別進行試驗，試驗結果表明：吉里樞紐河道主流位于凹岸一側，當上游引航道口門區(qū)位于凹岸時有利于航線與主流的銜接，故在7個工況下上游引航道口門區(qū)縱、橫向流速均滿足規(guī)范要求。當Q≤1 000 m3/s時，口門區(qū)及連接段上最大縱向流速為0.96 m/s，最大橫向流速為0.24 m/s，滿足通航要求；當Q>1 000 m3/s時，連接段上部分范圍內(nèi)(口門上游1 km處、連接段與深泓連接部位、連接段彎道末端)的橫向流速超過規(guī)范要求，需采取工程措施予以整治。

3.2 優(yōu)化方案下通航水流條件

當前改善通航水流條件分為兩大措施：工程措施及非工程措施。工程措施主要包括調(diào)整水流與航線夾角、布設導流墩[7]、導航堤開孔[8-9]、優(yōu)化疏浚、修建丁壩潛壩[10]等；非工程措施主要包括調(diào)節(jié)泄水閘不同開啟方式[11]及機組發(fā)電臺數(shù)[12]，但不管是工程還是非工程措施，最終都是從降低流速、調(diào)整流向、改善流態(tài)等方面入手[13]。

原布置方案下上游引航道口門區(qū)與連接段上橫向流速超標的原因主要有以下3個方面：1)口門上游1 km處灘地上來流在土堤缺口部位水流集中流出，并對河道主流產(chǎn)生壓迫；2)由于閘址上游存有約135°急彎河段，彎道附近主流偏向左岸，主流與連接段起始段中心線夾角較大；水流經(jīng)135°急彎河段后由于受到閘址處凹岸的影響，主流偏向右側，在上引航道連接段直線段上，主流流向與航線夾角基本呈35°，導致連接段直線段與深泓連接部位橫向流速過大；3)右側明渠來流沖擊連接段彎道末端。經(jīng)模型試驗發(fā)現(xiàn)：在Q=5 050 m3/s通航流量下，閘前水位18.11 m，殘留堤埂處水深約2 m，見圖4，壅水從堤埂頂部溢流，此時堤埂下游形成類似于實用堰流態(tài)，船閘上引航道口門區(qū)以上基本處于堰流消能區(qū)，該區(qū)域內(nèi)流態(tài)復雜。

圖4 Q=5 050 m3/s下殘留堤埂處示意(單位：m)

針對上述原因采取如下措施：1)對灘地土堤缺口進行適當加高封堵以減弱集中出流的影響；2)為減小航道連接段起始處橫向流速，連接段起始處航線向右側偏移，轉彎段末端向下游偏移，同時對連接段直線段與深泓連接處航線進行調(diào)整，為減小水流流向與航線交角，將連接段直線段偏轉角調(diào)整為31.08°，以削弱橫流強度；3)如欲避免形成堰流，則應對殘留堤埂進行拆除，但拆除堤埂必然增加過流流量，導致連接段水流條件更加復雜，故應結合右側明渠內(nèi)的殘留堤埂，對其進行加高，切斷明渠來流。但右岸灘地子堤整治過高會造成灘地不過流，導致出現(xiàn)明顯壅水現(xiàn)象，經(jīng)模型試驗比較優(yōu)選子堤頂高加高到17.0 m的措施。調(diào)整措施見圖5。

圖5 上游調(diào)整布置Ⅰ

對各工況下流速進行測量，結果表明：當Q≤3 000 m3/s時，上游引航道口門區(qū)及連接段流速指標均符合規(guī)范要求。在Q=5 050 m3/s和Q=4 320 m3/s通航流量下，航道內(nèi)大部分位置橫向流速小于0.30 m/s，與原布置方案相比，調(diào)整方案I采取土堤加高措施使缺口附近航道內(nèi)的流速分布均勻，主流擴散充分，明顯改善了原布置方案下大范圍橫向流速過大的問題，但在航道彎道處的右側(口門上游約450 m)和口門上游1 km處土堤缺口附近航道內(nèi)部分位置(圖6)，平均橫向流速超過0.35 m/s。由上述分析可知需對橫向流速超標位置進行局部地形調(diào)整。

圖6 Q=5 050 m3/s優(yōu)化后樞紐上游引航道口門區(qū)及連接段橫向流速分布(流速：m/s)

3.3 進一步優(yōu)化方案下通航水流條件

在調(diào)整方案Ⅰ下，航道彎道處土堤距離航道較近，水流越過土堤后，流線在較短的范圍內(nèi)急劇彎曲，導致彎道處水流橫向流速偏大；另外口門上游1 km處土堤存在缺口，水流通過缺口直沖航道，導致航道右側部分位置橫向流速超標。

針對上述原因，在調(diào)整方案Ⅰ的基礎上，調(diào)整方案Ⅱ將彎道處的土堤退后30 m以減小土堤對水流的不利影響；并將口門上游1 km處的土堤缺口合龍以避免航道彎曲處水流出現(xiàn)橫向擴散過大的現(xiàn)象，此外保證土堤前后高程為17 m不變。采取相應措施后，不同工況下的上游口門區(qū)及連接段的流速測量結果見表2。

表2 優(yōu)化方案下上游引航道口門區(qū)及連接段流速測量結果

試驗結果表明：Q=5 050 m3/s通航流量下，航道彎曲處最大橫向流速為0.25 m/s，原土堤缺口處最大橫向流速為0.28 m/s，調(diào)整方案Ⅱ明顯改善了調(diào)整方案Ⅰ中航道彎曲和土堤缺口附近水流條件。可以看出，上游引航道口門區(qū)及連接段采取一系列優(yōu)化工程措施后，通航流量由原先的Q=1 000 m3/s提高至Q=5 050 m3/s。

4 下游引航道通航水流條件

4.1 原設計方案下通航水流條件

試驗結果表明：當Q<3 000 m3/s時，下游引航道口門區(qū)及連接段內(nèi)流速指標均滿足規(guī)范要求。當Q≥3 000 m3/s時，在口門區(qū)連接段內(nèi)距導航墻頂部180～450 m區(qū)間水流橫向流速均普遍超過0.30 m/s。因此，在Q≥3 000 m3/s下樞紐原布置水流條件不滿足通航要求。

4.2 優(yōu)化方案下通航水流條件

樞紐下游原布置方案下橫向流速超標主要原因是：1)泄水閘下泄水流向右橫向擴散；2)受泄水閘下游左側切灘線的壓迫轉向(水流流向與切灘線延長線近似平行)，主流偏轉角度較大且過水斷面面積偏小，口門區(qū)及連接段水流流態(tài)較差。

針對上述原因分析并結合下游引航道連接段附近河道地形條件，需對切灘角度進行調(diào)整，以此削弱切灘繞流壓迫作用并減小航線與水流的交角以降低橫向流速分量。

下游調(diào)整布置Ⅰ將左岸切灘邊線偏轉角調(diào)整為15°(圖7)，試驗結果表明：在Q=5 050 m3/s通航流量下，下游引航道口門區(qū)及連接段上航道中心線左側基本超過了0.30 m/s，最大橫向流速0.48 m/s，較原方案下橫向流速有一定改善，但該調(diào)整布置仍不滿足通航要求。

針對在調(diào)整布置Ⅰ下橫向流速依舊超標的問題，調(diào)整布置Ⅱ，再次減小左岸切灘邊線偏轉角(由15°調(diào)整為10°)，見圖7。

圖7 下游調(diào)整布置Ⅰ(偏角15°)和調(diào)整布置Ⅱ(偏角10°)

對下游調(diào)整布置Ⅱ下Q=5 050 m3/s通航流量工況進行流速測量，橫向流速分布見圖8。試驗結果表明：在下游連接段上航道左邊線附近個別點橫向流速超過了0.30 m/s，最大0.31 m/s，基本可以滿足通航水流條件要求。對在下游調(diào)整布置Ⅱ下其他6個工況分別進行了試驗，結果表明：在所有工況下，下游引航道口門區(qū)及連接段流速指標均基本滿足規(guī)范要求。可以看出，通過調(diào)整切灘角度，擴大了下游過水斷面的面積，水流平順，通航流量由原先的Q=3 000 m3/s提高至Q=5 050 m3/s。

圖8 調(diào)整布置Ⅱ下Q=5 050 m3/s時下游口門區(qū)及連接段橫向流速分布(流速：m/s)

5 結論

1)受壩址河段彎道和地形的影響，樞紐原設計布置上下游引航道通航水流條件復雜，在流量Q>1 840 m3/s時上下游引航道連接段局部橫向流速超過0.3 m/s，須采取工程措施以滿足船舶的正常航行。

2)通過將上引航道連接段偏轉角度調(diào)整為31.08°、整治右側灘地子堤高程到17 m、將口門上游土堤退后、缺口合龍、調(diào)整下游泄水閘段左岸邊界使挑流角度至10°等工程措施，改善了船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件，最大通航量基本滿足規(guī)范要求的20 a一遇洪水標準。