東江下磯角樞紐船閘上引航道口門區(qū)通航水流條件試驗(yàn)研究

彭永勤，彭 濤

(1.重慶交通大學(xué)，重慶400016；2.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400016)

船閘上下游引航道與河流相連接的口門區(qū)及連接段是過閘船舶(隊(duì))進(jìn)出引航道的咽喉，船閘引航道口門區(qū)水流條件是影響船舶航行安全和通航效率的重要因素，因此研究改善船閘引航道口門區(qū)水流條件具有重要意義。國(guó)內(nèi)已有大量對(duì)引航道通航水流條件進(jìn)行研究的成果：張緒進(jìn)等[1]對(duì)郁江貴港樞紐二線船閘上引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行研究，主要針對(duì)貴港河段河道窄深、口門區(qū)布置處于兩彎道連接的過渡段、邊界條件對(duì)上引航道口門區(qū)通航水流條件影響較大的問題進(jìn)行研究，提出一、二線船閘共用上引航道、適當(dāng)加長(zhǎng)原一線導(dǎo)航墻長(zhǎng)度的措施，改善了口門區(qū)的水流條件；劉中峰等[2]對(duì)孟洲壩樞紐二線船閘上引航道通航水流條件進(jìn)行研究，認(rèn)為采用加長(zhǎng)隔流墻并設(shè)置透水段等措施對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，口門區(qū)通航水流條件得到明顯改善，且船模通航試驗(yàn)顯示船舶操縱參數(shù)未超出規(guī)范限值，可滿足安全通航要求；王云莉等[3]對(duì)北江濛里樞紐上游引航道通航水流條件進(jìn)行了研究，提出一、二線船閘分開布置，二線船閘外導(dǎo)墻延長(zhǎng)至375 m，堤頭段開孔的方案.改善了上游口門區(qū)及連接段的斜流、回流等不利流態(tài)；周玉潔等[4]對(duì)犍為航電樞紐船閘上引航道口門區(qū)通航條件進(jìn)行研究，提出減短外導(dǎo)墻長(zhǎng)度、導(dǎo)墻開孔的方案，改善了上游口門區(qū)通航水流條件；黃明海[5]和黃國(guó)兵等[6]采用二維非恒定流數(shù)學(xué)模型，模擬了三峽工程上、下游引航道在不同布置方案和各種樞紐運(yùn)行方式下的引航道內(nèi)非恒定水流；李一兵等[7]通過對(duì)通航水流條件、實(shí)船航行情況和船模航行試驗(yàn)資料的分析，提出修筑隔流堤對(duì)改善葛洲壩三江下引航道口門區(qū)通航條件是有效的；李明德等[8]通過對(duì)株洲樞紐船閘下引航道口門區(qū)及連接段的河道右岸灘地采用綜合整治措施，較好地解決了下引航道口門區(qū)及連接段通航、淤積等問題；朱紅等[9]對(duì)順直河段船閘下游引航道口門區(qū)在無、有導(dǎo)流墩情況下的水流條件進(jìn)行概化試驗(yàn)研究，認(rèn)為導(dǎo)流墩是削弱口門區(qū)回流、減小橫向流速的有效工程措施；黃倫超等[10]對(duì)株洲航電樞紐工程施工期通航水流條件進(jìn)行了研究。從國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀可知：上引航道位于庫(kù)區(qū)，主要通過加長(zhǎng)隔流墻、導(dǎo)墻開孔等措施改善口門區(qū)通航水流條件；下引航道位于減脫水段，主要通過疏浚開挖、加長(zhǎng)隔流墻等措施改善口門區(qū)通航水流條件。

為研究下磯角樞紐船閘上引航道通航水流條件，并提出優(yōu)化改善措施，筆者基于2019年開展的東江河源—石龍航道擴(kuò)能升級(jí)工程下磯角樞紐水工模型試驗(yàn)研究成果[11]，提出開挖壩上游右岸凸嘴、縮短庫(kù)區(qū)右岸副壩長(zhǎng)度、優(yōu)化副壩端頭與山體的連接形式和縮短上引航道長(zhǎng)度等措施對(duì)上引航道口門區(qū)通航條件進(jìn)行改善。

1 工程概況

擬建的下磯角樞紐位于廣東省惠州市上游約34 km的東江干流上，是東江干流上的第13個(gè)梯級(jí)(圖1)。主要建筑物從左至右依次為左岸副壩、門機(jī)平臺(tái)、電站安裝場(chǎng)、主廠房、20孔泄水閘、雙線船閘及右岸副壩(為保護(hù)右岸基本農(nóng)田修建的堤壩)，總寬度為773 m(圖2)。水庫(kù)正常蓄水位為17.74 m，設(shè)計(jì)洪水位為22.82 m，校核洪水位為23.64 m。擬建泄水閘共計(jì)20孔，閘孔寬14 m，閘后接長(zhǎng)28 m、深2.5 m的消力池；擬建雙線船閘有效尺度分別為220 m×23 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×檻上水深)和220 m×16 m×4.5 m；電站裝機(jī)4臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量28 MW。

圖1 東江水系及梯級(jí)樞紐布置

圖2 下磯角樞紐平面布置(單位：m)

根據(jù)航運(yùn)規(guī)劃、航道規(guī)劃、水運(yùn)量預(yù)測(cè)、船型等要求，東江干流上的下磯角樞紐工程通航等級(jí)為Ⅲ等，船閘設(shè)計(jì)代表船型為1 000噸級(jí)貨船，代表船型尺度為49.9 m×12.8 m×2.3 m(長(zhǎng)×寬×吃水)，船閘最高通航水位按10 a一遇洪水水位確定，對(duì)應(yīng)流量為7 600 m3/s，最低通航水位保證率為95%。船閘引航道及口門區(qū)最大表面縱向流速不超過2.0 m/s，橫向流速不超過0.3 m/s，回流流速不超過0.4 m/s。

2 模型設(shè)計(jì)與相似性驗(yàn)證

建立1:100比尺的物理模型，模型范圍從壩軸線上游約5.0 km開始至壩軸線下游約5.5 km為止，模擬原型河道總長(zhǎng)約10.5 km，對(duì)上引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行研究。模型進(jìn)口位于嶺下淺灘的順直段，包括上游鐵冶派急彎段和上游1.3 km右岸凸嘴(圖3)；模型出口位于橫瀝鎮(zhèn)漁民新村。模型進(jìn)出口均有足夠長(zhǎng)的順直過渡段，能夠確保工程河段水流條件的相似性。

圖3 下磯角樞紐河段河勢(shì)

河道模型的制作以斷面板法為主，同時(shí)輔以等高線法相配合。模型底部填筑塊石與河砂混合料，表層采用水泥砂漿抹面進(jìn)行硬化處理，泄水閘及電站等樞紐主要過水建筑物用有機(jī)玻璃板制作。在模型平面上用三角網(wǎng)和主、副導(dǎo)線進(jìn)行控制，高程由水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)定。制模河段全長(zhǎng)約10.5 km，共塑造190個(gè)斷面控制河道地形，斷面間距60～80 cm(模型值)。對(duì)局部地形變化較大的河段和部位適當(dāng)加密斷面板，并輔以等高線法相配合，以準(zhǔn)確控制河床地形。制模過程中嚴(yán)格控制精度，制模結(jié)束后進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗(yàn)，以確保模型平面誤差小于0.5 cm(模型值)，高程誤差小于1 mm(模型值)，且不存在系統(tǒng)誤差，從而保證了模型與原型河床達(dá)到幾何相似的要求。

為滿足樞紐模型試驗(yàn)研究和驗(yàn)證的需要，模型中共布置17對(duì)水尺，水面線、流速驗(yàn)證試驗(yàn)所采用的原型觀測(cè)流量為335、1 036 m3/s。模型水面線驗(yàn)證成果見表1，斷面流速驗(yàn)證成果見圖4，流向驗(yàn)證成果見圖5。

圖4 下磯角樞紐模型斷面流速驗(yàn)證

由表1可知，除個(gè)別水尺水位與原型水位相差達(dá)到0.11 m外，其余大部分水尺相差均在±0.1 m以內(nèi)，說明模型河道與原型河道基本上達(dá)到了阻力相似的要求。

表1 下磯角樞紐模型水位驗(yàn)證

由圖4可知，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)略有差異外，其余絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)模型實(shí)測(cè)的流速值與原型值相差很小，差值基本控制在10%以內(nèi)，說明模型河道流速的大小及分布與原型河道基本相似。

由圖5可知，各河段模型表流流線與原型基本重合，說明模型表面流向與原型基本一致。因此，模型河道的表流流速流向與原型河道基本相似。

圖5 下磯角樞紐模型斷面流向驗(yàn)證

綜上所述，下磯角樞紐模型的比尺和范圍合理。模型相似性驗(yàn)證結(jié)果說明，該模型達(dá)到了幾何相似、河床阻力相似和水流運(yùn)動(dòng)條件的相似要求，可以在此基礎(chǔ)上開展對(duì)下磯角樞紐工程方案的試驗(yàn)研究工作。

3 設(shè)計(jì)方案船閘上引航道口門區(qū)的通航水流條件

根據(jù)設(shè)計(jì)擬定的水庫(kù)運(yùn)行方式、樞紐通航論證和規(guī)范規(guī)定，確定船閘上引航道口門區(qū)通航水流條件的試驗(yàn)工況(表2)。各測(cè)流斷面縱橫向流速變化范圍見表3。Q=7 600 m3/s時(shí)船閘上引航道口門區(qū)水流流態(tài)見圖6。

表2 船閘上游引航道口門區(qū)通航水流條件試驗(yàn)工況

表3 設(shè)計(jì)方案船閘上引航道口門區(qū)縱、橫向流速

圖6 船閘上引航道口門區(qū)水流流態(tài)(Q=7 600 m3/s)

上述試驗(yàn)表明：在流量Q≤1 800 m3/s、水庫(kù)保持正常蓄水位17.74 m運(yùn)行、電站發(fā)電的情況下，整個(gè)上游庫(kù)區(qū)的水流均較為平靜，上引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件好；在流量1 800 m3/s4 650 m3/s時(shí)，上游凸嘴及副壩堤頭段的挑流作用更加明顯，上引航道口門區(qū)的回流區(qū)范圍和強(qiáng)度進(jìn)一步增大，口門區(qū)的橫流和回流均超出規(guī)范的規(guī)定值。

4 優(yōu)化調(diào)整方案船閘上引航道口門區(qū)的通航水流條件

優(yōu)化調(diào)整方案主要是通過壩上游右岸凸嘴采取開挖措施(2種開挖方案進(jìn)行比較)，同時(shí)縮短庫(kù)區(qū)右岸副壩長(zhǎng)度，并優(yōu)化副壩端頭與山體的連接形式，縮短上引航道長(zhǎng)度，以達(dá)到調(diào)順上引航道口門區(qū)通航水流條件的目的。其主要修改措施如下(圖7)。

圖7 優(yōu)化調(diào)整方案平面布置

1)對(duì)壩上游右岸凸嘴(距壩約1.3 km)采取開挖措施。①開挖方案1(對(duì)應(yīng)優(yōu)化調(diào)整方案1)：開挖坡比1:1，坡腳高程11.0 m，兩級(jí)臺(tái)階高程分別為20、30 m，見圖8a)；②開挖方案2(對(duì)應(yīng)優(yōu)化調(diào)整方案2)：開挖坡比1:2，坡腳高程11.0 m，見圖8b)。

圖8 凸嘴橫斷面開挖

2)縮短庫(kù)區(qū)右岸副壩長(zhǎng)度，并優(yōu)化副壩端頭與山體的連接形式，以減小凸嘴和副壩端頭的挑流對(duì)上引航道口門區(qū)通航水流條件的影響。將副壩長(zhǎng)度縮短至1 032.54 m，使整治后的上游凸嘴岸線與右岸副壩平順銜接，以減小其挑流對(duì)口門區(qū)水流條件的影響。

3)將船閘上引航道減短100 m，減短后的上引航道總長(zhǎng)度為440 m。

對(duì)于2種優(yōu)化調(diào)整方案，試驗(yàn)實(shí)測(cè)了各工況下的流速分布資料(表4)，Q=7 600 m3/s下試驗(yàn)結(jié)果見圖9。由實(shí)測(cè)流速分布資料與流態(tài)觀測(cè)結(jié)果可知：優(yōu)化調(diào)整方案1在4 560 m3/s

表4 優(yōu)化調(diào)整方案時(shí)船閘上引航道口門區(qū)縱、橫向流速

圖9 船閘上引航道口門區(qū)水流流態(tài)(Q=7 600 m3/s)

4 結(jié)論

1)下磯角樞紐建成后，因壩上游1.3 km處凸嘴及右岸副壩端頭的挑流影響，在下游右側(cè)(靠岸側(cè))的上引航道口門區(qū)形成回流區(qū)，使橫向流速和回流流速嚴(yán)重超標(biāo)。

2)通過對(duì)壩上游右岸凸嘴進(jìn)行開挖、縮短庫(kù)區(qū)右岸副壩長(zhǎng)度，并優(yōu)化副壩端頭與山體的連接形式、縮短上引航道長(zhǎng)度等優(yōu)化調(diào)整措施進(jìn)行方案比選，確定下磯角樞紐船閘上引航道布置推薦方案為優(yōu)化調(diào)整方案2。

3)在推薦方案下，Q≤7 600 m3/s(P=10%)的各級(jí)通航流量工況時(shí)，船閘上引航道口門區(qū)的水流相對(duì)較平緩，其各項(xiàng)流速指標(biāo)均完全滿足規(guī)范要求，較好地解決了口門區(qū)橫流和回流較大的問題，取得了較好的效果。