基于隔流堤的下游引航道通航水流條件優(yōu)化*

胡亮亮，譚家萬，袁 浩

(1.重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；2.重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

船閘下游引航道內與主航道中存在流速梯度，引航道內的水流在下游口門區(qū)發(fā)生突擴，導致橫流、斜流、泡漩并存的復雜流態(tài)[1-2]。這類復雜流態(tài)作用到船舶上，會導致船舶發(fā)生橫漂與傾轉，直接影響船舶航行的舵角與漂距?？陂T區(qū)存在的復雜流態(tài)在中小流量下可能引起船舶操作困難，大流量條件下更可能導致船舶傾覆，給通航埋下安全隱患[3-4]。因此優(yōu)化不同流量下口門區(qū)流態(tài)對通航安全具有重要的意義。

對于船閘口門區(qū)流態(tài)優(yōu)化，人們開展了系統性研究，包括調整泄洪閘開啟方式和設置水流條件優(yōu)化結構物，如導流堤[5-6]、挑流潛壩[7-8]、導流墩[9-10]等。但針對不同樞紐的地形分布和通航流量，這些措施在布設上仍存在優(yōu)化的可能。

引航道接透空型隔流堤是常見的流態(tài)調整措施之一。下游引航道后接隔流透空堤，一方面在引航道出口處限制了引航道和主河道之間的表面流速梯度；另一方面，通過下設透空孔實現主河道與引航道內水流的動量交換，最終達到減小橫向流速、優(yōu)化引航道出口流態(tài)的目的。目前，針對上游引航道中透空隔流堤對流場影響的研究較多，但對于下游引航道中隔流透空堤的布置方式、布設長度的研究仍較缺乏，尤其是不同通航流量條件下流場分布、最大縱流、橫流、回流流速分布與隔流堤長度之間的關系仍需要進一步探索。

本研究依托某航電樞紐通航水力學模型試驗，分析下游口門區(qū)不同透空隔流堤長度條件下流場分布，重點研究口門區(qū)附近表面流場分布，并探究最大縱流、橫流、回流流速與通航流量、透空隔流堤長度之間的關系。

1 試驗方案設計

航電樞紐平面布置如圖1所示。下游引航道出口處于彎曲河段，河床地形呈左高右低分布，大流量條件下河道內存在潛在二次流。加之電廠及主要泄洪建筑物集中布置在右岸船閘一側，導致在通航的各級流量都導向引航道口門區(qū)，造成口門區(qū)通航水流條件惡化，對船舶通航造成嚴重影響。

圖1 工程樞紐平面布置(單位：m)

模型試驗研究在1:100整體模型上開展，通過布設在下游口門區(qū)上的光學表面流場測試系統獲得整個下游口門區(qū)域內的流場分布。為驗證模型試驗數據的準確性，針對未建樞紐時Q=2 880 m3/s流量下河道原型觀測流速和模型觀測流速進行對比驗證(圖2)。模型組左、右岸水位與原型水位的誤差均在±0.03 m以內，左岸個別測點的誤差為0.06 m，所有測點水位的誤差均在±0.1 m以內，滿足通航模型試驗規(guī)范要求。試驗測得斷面平均流速變化與原型觀測流速變化一致，不同測點兩者相對誤差均在5%以內，模型達到了水流運動相似要求。模型設計滿足定床河工模型的相似性要求，可進行下一步試驗。

圖2 Q=2 880 m3/s流量條件下試驗與原型觀測水面線及流速對比

以壩軸線為樁號0斷面，獲得下游口門區(qū)樁號為0+315 m—0+655 m共340 m范圍內流場分布(圖3)。

圖3 下游引航道及流速測量斷面布置形式(單位：m)

試驗共設置3個方案，各方案引航道及下游透空隔流堤布設如圖4所示。其中，方案1不設置透空隔流堤；方案2僅在下游引航道出口處布設50 m長透空隔流堤；方案3在50 m長透空隔流堤外外接270 m隔流堤，但僅在新增隔流堤最后50 m設置透空結構。隔流堤透空孔大小及布置方式如圖5所示。隔流堤開孔的角度由主河道內的主流方向與隔流堤開孔部位的夾角共同決定。增設的隔流堤布置為斜孔后，孔軸線方向與主流方向呈小角度相交，促進水流平穩(wěn)進入到引航道內，在不影響引航道內船舶吃水深度的情況下，達到改善引航道內的水流流態(tài)的目的。

圖4 不同方案下游引航道口門區(qū)布置形式

圖5 透空隔流堤開孔結構(單位：m)

根據航電系統不同運行工況，本研究共選取176.9～5 500.0 m3/s共7種流量工況，覆蓋了枯水期和洪水期航電系統運行工況，探究不同下游口門區(qū)方案下流場分布和優(yōu)化效果。

2 結果分析與討論

圖6為最高通航流量(Q=5 500 m3/s)時下引航道口門區(qū)流場分布。受電站泄流擴散的影響，方案1在0+565 m—0+595 m斷面上存在偏向右岸的斜流，口門區(qū)最大回流流速達1.0 m/s，最大橫流流速達2.0 m/s，縱向流速更是高達6.0 m/s，導致船舶發(fā)生橫漂和扭轉，嚴重影響通航安全。在引航道下游增設50 m透空隔流堤后，航道口門區(qū)的斜向水流得到極大的改善，方案2流場中最大回流流速降到0.25 m/s，最大橫流流速下降到0.6 m/s，最大縱向流速則下降到1.8 m/s，明顯改善了下游口門區(qū)流場，但口門區(qū)橫向流速仍不滿足《內河通航標準》[11]要求，因此該方案存在進一步優(yōu)化的必要。方案3則在方案2的基礎上增加270 m長隔流堤，并在隔流堤下游端50 m長度增設透空孔。該方案相比于方案2減小了口門區(qū)最大橫流流速，其中最大橫流流速降到0.25 m/s，較方案1降低了87.5%，較方案2降低了58%。

圖6 Q=5 500 m3/s時不同布置方案下游引航道流場分布

各方案最大縱向、橫向、回流流速隨流量變化情況如圖7所示。圖7 a)為縱向流速隨流量的變化過程，在小通航流量下，由于泄洪閘下泄流量極小，在流量為176.9～1 800.0 m3/s范圍內時，各方案最大流速接近，變化規(guī)律一致，均在0.8～1.7 m/s范圍內變化。隨著流量進一步增大，方案1中最大縱向流速增大，在Q=5 500 m3/s時最大縱向流速達到6.0 m/s。方案2與方案3通過隔流堤引導，改變了下游口門區(qū)主流方向，不同流量下最大縱向流速均在0.4～1.8 m/s范圍內變化。

不同流量條件下，方案1中橫向流速仍呈現隨下泄流量增大而增大的趨勢，橫向流速分布在0.6～2.9 m/s，均高于通航標準所規(guī)定的橫向流速。隨著下游透空隔流堤的布設，盡管方案2中橫向流速仍高于標準，但可以看出導流堤改變下泄主流流向后，主流會減小對口門區(qū)流速的擠占，橫向流速并不隨流量增加而顯著變化，見圖7b)。當隔流堤進一步加長時，下游口門區(qū)橫向流速則進一步減小，橫向流速變化范圍更小，且均滿足通航標準要求。

流量在176.9～5 500.0 m3/s范圍內各方案的回流流速變化如圖7c)所示。方案1中Q=2 880 m3/s時，由于河道中下泄流量擴散速度較慢，在下游引航道口門區(qū)形成較大的回流區(qū)，導致引航道內回流流速出現一個峰值，最大回流流速為3.0 m/s。但隨著流量增加，下泄主流對口門區(qū)的壓縮導致回流區(qū)域面積減小?？陂T區(qū)設置隔流堤后，受下泄水流影響，下游引航道內仍會存在回流，但回流流速相比于方案1迅速減小。而擋墻進一步加長后，各流量條件下最大回流流速呈明顯減小趨勢，且滿足標準要求。

圖7 各方案最大縱向、橫向速、回流流速隨流量變化

為獲得透空隔流堤長度與最大流速分布之間的關系，選取3個代表性流量，即最低通航水位流量176.9 m3/s、常水位通航流量2 880.0 m3/s、最高通航水位流量5 500.0 m3/s進行分析。最低通航水位流量條件下，沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速如圖8所示。對比該流量條件下3種方案縱向流速可知，由于引航道和主河道內的流速梯度，方案1最大流速在下游引航道末端獲得。與之相比，方案2與方案3在下游引航道后設置了50 m的透空隔流堤，加強了主河槽與下游引航道之間的動量交換，這2種方案的最大縱向流速位置均向下游推移。主流的擴散、擠壓與摩擦會導致口門區(qū)形成橫流與回流。小流量下，下游引航道外緩流區(qū)橫流主要是由主流的擴散擠壓引發(fā)斜流產生，因此在方案1中可以在最大橫流沿程分布中發(fā)現存在一個高流速區(qū)間。而在方案2設置的較短的透空隔流堤仍不能改變這一趨勢，僅導致最大橫向流速分布位置下移。方案3中由于透空隔流堤進一步加長，船閘口門區(qū)已在下游平直河道段，顯著減小了橫流流速。

圖8 Q=176.9 m3/s時不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過程

圖9為常通航水位流量條件下沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速。隨著流量增大，引起口門區(qū)最大縱向流速的原因由引航道與主河槽之間的流速梯度變?yōu)橄滦沽髁康臄U散。方案1中口門區(qū)最大縱向流速存在位置比小流量條件下明顯向下游移動。而最大橫向流速和回流流速由于受到下泄主流的摩擦，在口門區(qū)形成回流區(qū)，因此在口門區(qū)位置明顯觀測到橫流流速和回流流速的峰值。此外，受下泄主流擴散擠壓的作用，口門區(qū)下游受斜流影響，還會出現另一個峰值。與方案1相比，方案2與方案3通過透空隔流堤對主流流向進行調整，顯著減小了口門區(qū)的縱向、橫向和回流流速。但由于方案2中，隔流堤長度較短，下泄主流仍會對口門區(qū)橫流與回流流速產生影響，導致在隔流堤尾部會出現橫流與回流超標的情況。

圖9 Q=2 880 m3/s時不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過程

圖10為最高通航水位流量條件下沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速。該流量條件下，方案1各斷面最大縱向流速分布存在2個峰值，第1個峰值是由于引航道內與口門區(qū)回流之間的流速梯度引起的，而在斷面0+600 m后的峰值則由于下泄主流擴散引發(fā)，同時該方案下最大橫流流速存在于0+600 m后斷面，同樣是由主流擴散所引發(fā)。同時主流擴散引發(fā)的口門區(qū)的緩流和斜流也會導致下游引航道內及口門區(qū)的橫流和回流流速顯著超標。但在下游引航道出口設置鏤空隔流堤后，有效改變了主流方向，保證主河槽與口門區(qū)的動量交換的同時，也防止了主流區(qū)表面流速對口門區(qū)產生的擠壓與摩擦，減小了口門區(qū)橫向流速和回流流速。

圖10 Q=5 500 m3/s時不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過程

3 結論

1)與未設置透空隔流堤方案相比，設置透空隔流堤可減小下泄主流在彎道處引起的橫流與回流。而增加透空隔流堤長度可通過改變主流表面流速方向，達到改善處于彎道上的下游口門區(qū)通航水流條件的目的。

2)隔流堤增設透水孔可以加強主河槽與口門區(qū)的動量交換，減小隔流堤末端兩者之間存在的速度梯度。

3)下游引航道出口處于彎道時，可通過隔流堤將出口延伸至下游平直段，能夠減小主流引起的斜流與回流，減小橫向流速與回流流速。