白石窯一線船閘改擴建下引航道口門區(qū)通航水流條件研究

吳 霜，張緒進，謝春航，劉 洋，周 權

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

隨著我國航運事業(yè)的發(fā)展，許多已建船閘通過能力不能滿足航運量需求，需要對已建船閘進行擴能升級，提升船閘過閘運量。通常下游船閘會受到樞紐已建建筑物、地形河勢條件以及下泄水流的影響[1]，造成口門區(qū)出現(xiàn)斜流、橫向環(huán)流、回流等不良流態(tài)現(xiàn)象[2-4]。因此，許多學者針對此情況進行研究，如李艷[5]、楊峰[6]、尹崇清[7]及符蔚[8]等利用物理模型和數(shù)學模型結合的方法展開研究。

北江是珠江水系第二大河流，也是廣東省北部主要水路運輸通道之一。其干流全長258 km，由上至下建有孟洲壩、濛里、白石窯、飛來峽、清遠共5座船閘。近年來，受北江沿線經(jīng)濟發(fā)展、港口航道規(guī)劃調(diào)整等因素的影響，北江過閘運量快速增長，原有船閘通過能力已不能滿足通航需求。為充分發(fā)揮北江水道的作用，相關部門啟動了北江航道擴能升級工作，擬將北江干流全線航道提升為Ⅲ級航道標準，通行千噸級船舶。目前孟洲壩、濛里、白石窯(船閘尺度220 m×23 m×4.5 m，長×寬×門檻水深)[9-10]二線船閘，清遠二線船閘，飛來峽二、三線船閘(船閘尺度220 m×34 m×4.5 m)[11-12]均已建成通航。而白石窯老一線船閘尺度僅為140 m×23 m×4.5 m，與其二線船閘尺度不匹配，通過能力也不能與上、下游樞紐航道相適應。在北江大部分船閘已完成擴能升級的背景下，白石窯老一線船閘將成為限制北江航運的“卡脖子”工程。因此，亟需研究白石窯一線船閘改擴建方案的可行性。

1 工程概況及河道特性

白石窯樞紐位于廣東省英德市上游25 km處，壩址多年平均流量532 m3/s，正常蓄水位37.32 m。設計洪水流量Q=11 200 m3/s(P=1%)，設計洪水位為39.48 m；校核洪水流量Q=14 200m3/s(P=0.1%)，校核洪水位為42.52 m。樞紐總體布置格局為：左岸為雙線船閘、中間22孔泄洪閘、右岸為電站廠房。其中電站廠房共5臺發(fā)電機組，機組最大滿發(fā)流量為1 300 m3/s。樞紐設計調(diào)度運行方式為：當流量Q<1 300 m3/s時，電站發(fā)電；當流量Q>1 300 m3/s時，電站滿發(fā)，多余流量將優(yōu)先通過右區(qū)9孔泄洪閘控泄；當流量Q≥3 860 m3/s時，電站停機，全閘開啟敞泄洪水。

擬建白石窯一線船閘改擴建工程按Ⅲ級、可通行1 000 t船舶標準建設，與已建成通航的二線船閘尺度相同，即220 m×23 m×4.5 m。兩線船閘并列布置在樞紐左岸，改擴建的一線船閘閘位保持不變，船閘中心線與左側新建成的二線船閘平行，相距75.4 m。兩線共用上、下引航道，引航道寬為98.4 m，下引航道直線長395 m，其中導航調(diào)順段長170 m，靠船段長225 m，底高程19.32 m。船舶進出閘方式為直進曲出，下游引航道口門分別采用340 m、500 m轉彎半徑與下游航道相接。

現(xiàn)狀條件下，白石窯壩下河段河勢地形條件比較復雜。根據(jù)近期實測地形圖分析(圖1)，由于白石窯樞紐已建成運行多年，且大多數(shù)時間段為樞紐蓄水運行，右側電站發(fā)電，并且優(yōu)先通過開啟右區(qū)泄洪閘下泄多余流量，進而導致壩下近壩河段存在較為嚴重的清水沖刷。受此影響，消力池后河槽地形散亂，凹凸不平，形成沖坑，最大深度達5～6 m。而電站下游河床長期在尾水的沖刷下，亦形成深槽，深槽最大深度達4 m。其后，樞紐下泄的高速水流逐漸擴散均勻，加之河道展寬，水流流速明顯減小，相應挾沙能力減弱，泥沙落淤。通過多年的演變，在壩下河段右側形成了規(guī)模大、形態(tài)完整的三板洲邊灘。三板洲全長約1 190 m，中部最寬闊處寬度為305 m，約占整個河道寬的五分之三(圖2)，嚴重束窄了河道的有效過流寬度。三板洲河段主槽位于河道左岸，與三板洲灘面高差約6.5 m，受三板洲束窄作用，主槽寬度僅為198 m。

圖1 樞紐布置及壩下河勢圖Fig.1 Layout of junction and river regime below the dam

圖2 典型橫斷面圖(單位：m)Fig.2 Typical cross-sectional view

在閘位確定的情況下，受整體河勢及既有建筑物布置影響，白石窯一線船閘改擴建工程下游口門區(qū)及連接段位于三板洲中下部的左側主河槽，處于三板洲束窄的河段，也是下游航線的轉彎段，環(huán)境條件復雜，研究下引航道口門區(qū)通航水流條件及改善措施是非常有必要的。

2 通航水力學試驗

本研究采用模型比尺為1∶100的正態(tài)整體物理模型對白石窯一線船閘下引航道口門區(qū)通航水流條件進行研究。模型范圍包括樞紐上游2 km至下游3.5 km，總長5.5 km，模型通過了水面線、流速流向的驗證，率定出了合適的河道糙率，達到了幾何相似、河床阻力相似和水流運動相似的要求，能夠滿足研究精度的要求。

2.1 通航水流標準及試驗量測設備

白石窯樞紐壩下河道寬闊，下泄水流引起的水面波動較小。而下引航道口門區(qū)位于樞紐下游1 km左岸處，在流經(jīng)下引航道口門區(qū)時水面波動可以不考慮，只需考慮口門區(qū)流速。根據(jù)《內(nèi)河通航標準》(GB50139-2014)對船閘引航道口門區(qū)通航水流標準規(guī)定：船閘上、下游引航道口門區(qū)水流最大縱向流速≤2.0 m/s、橫向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s。

試驗模型進口流量由三角堰或矩形堰進行控制，模型尾水位由翻板門和閘門控制、水位測針測定。表面流速采用西南水運工程科學研究所自主研制的XKVMS-03型大范圍表面流場測量系統(tǒng)進行快速準確測量。XKVMS-03表面流場測量及分析系統(tǒng)是基于粒子圖像測速法(PIV)原理，運用圖像處理、模式識別與快速時序處理等技術開發(fā)研制的新一代表面流場測量及分析系統(tǒng)。

2.2 初步方案下游引航道口門區(qū)通航水流研究

2.2.1 初步方案布置

為保證水流平順流入下引航道口門區(qū)，使水流盡量遠離口門區(qū)并向右側進行擴散，試驗初步方案對三板洲左側上游部分及主河槽進行了疏浚，具體方案如下：(1)疏浚挖槽上游與泄洪閘下游深槽相連，疏浚起始高程為21.82 m；疏浚挖槽下游與下引航道口門區(qū)右側銜接，疏浚終止高程為20.82 m，疏浚寬度約110 m，兩側邊坡為1：4，挖槽中心線與船閘下引航道軸線之間的交角約24°。(2)為進一步調(diào)整下游引航道口門區(qū)流向，對下引航道隔流堤外側的河床地形進行適當清理疏浚，其疏浚高程為24.82 m。

圖3 初步方案平面布置(單位：m)Fig.3 Layout of preliminary plan

2.2.2 通航水力學試驗分析

初步試驗觀測表明，當電站單機引用流量Q=250 m3/s時，口門區(qū)各項流速指標均未超標。隨著流量增加，當增加到兩臺機組發(fā)電流量Q=500 m3/s時，下泄水流受到三板洲阻水作用，主流經(jīng)左側主河槽斜向流入下引航道口門區(qū)，口門區(qū)出現(xiàn)了橫向流速超標，最大橫向流速達到0.53 m/s，在口門區(qū)右側10～60 m范圍呈階梯分布(如圖4所示)。當流量Q>500 m3/s時，口門區(qū)流速超標強度和范圍進一步加劇，通航水流條件進一步惡化。

圖4 初步方案下泄流量Q=500 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.4 Flow velocity vector of the preliminary scheme with discharge flow Q=500 m3/s

由此可見，試驗初步方案確定的開挖方案對水流流向的改變有限，也不能較好地調(diào)整斷面流速分布。在三板洲的束窄作用下，左側主河槽過流寬度明顯不足，造成斷面流速分布不均，主流集中于下引航道口門區(qū)及連接段內(nèi)下引航道口門區(qū)及連接段處；樞紐電站及泄洪閘下泄水流受到三板洲洲頭的阻水與分流作用，大部分水流斜向進入河道左側主河槽，造成水流與引航道軸線夾角達到24°以上，加之下引航道口門區(qū)及連接段處于航線轉彎段，流向與航線夾角亦較大。僅能使流量Q≤250 m3/s時口門區(qū)的通航水流條件滿足要求。隨著上游來流的進一步增大，口門區(qū)將形成強度大、范圍廣的橫向水流，水流流態(tài)差，通航條件惡劣，遠不能滿足船舶通航安全的要求。鑒于此，需要對三板洲進行更大范圍的開挖疏浚。

2.3 優(yōu)化方案1下游引航道口門區(qū)通航水流研究

2.3.1 優(yōu)化方案1布置

根據(jù)試驗初步方案成果可知，該方案對下泄水流流向及斷面流速分布調(diào)整有限，在三板洲的束窄作用下，水流并未明顯向右擴散，主流仍集中于左側主河槽。為調(diào)整水流流向及分布，優(yōu)化方案1對三板洲進行更大范圍開挖疏浚(見圖5)。具體方案如下：

圖5 優(yōu)化方案1平面布置(單位：m)Fig.5 Layout of optimization plan 1

(1)開挖疏浚寬度在初步方案基礎下進一步向右側三板洲擴挖75 m，即擴寬后疏浚寬度達到185 m。

(2)縱向疏浚范圍在設計方案基礎上向下延伸到引航道靠船墩末端附近，長約160 m，疏浚高程為20.82 m；下引航道靠船墩下游約300 m、橫向寬度為55～135 m的區(qū)域內(nèi)，疏浚高程為19.82 m；在下游約400 m長、寬度約40 m區(qū)域內(nèi)疏浚開挖高程為19.32 m。

2.3.2 通航水力學試驗分析

試驗結果表明，當下泄流量Q<1 000 m3/s時，各級典型流量下口門區(qū)各項流速指標均滿足規(guī)范要求。當下泄流量Q=1 000 m3/s時，口門區(qū)最大縱向流速為1.30 m/s，最大橫向流速為0.53 m/s，最大回流流速為0.14 m/s，橫向流速在口門區(qū)右側10～50 m范圍內(nèi)超標(圖6)。當下泄流量Q>1 000 m3/s時，口門區(qū)流速超標幅度和范圍隨流量的增大而擴大。

圖6 優(yōu)化方案1下泄流量Q=1 000 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.6 Flow velocity vector of optimization scheme 1 with discharge flow Q=1 000 m3/s

由此可見，通過進一步對三板洲開挖疏浚，在中小流量時主流右移至航槽右側邊緣位置，航槽左側區(qū)域流速明顯減小，水動力軸線向右偏移約10 m，口門區(qū)通航水流條件相較于初步方案有所改善。但由于口門區(qū)末端航線轉彎段及連接段是整個河段最窄位置，即使在疏浚擴挖后，主槽寬度也僅為125 m左右，而相應口門區(qū)寬度為100 m，連接段航槽寬度為90 m，行洪寬度與過流能力均嚴重不足，形成卡口，是下引航道口門區(qū)及連接段流速流態(tài)的控制性邊界條件。隨著流量的進一步增大(Q>1 000 m3/s)，通航水流條件仍不能滿足通航安全要求。

結合上下游河勢條件分析，優(yōu)化方案1疏浚開挖方案末端已基本與下游英德北江大橋右主墩對齊，為確保橋梁橋墩安全及其主通航孔通航條件，三板洲進一步向右擴挖疏浚的空間有限，因此需考慮其他工程措施。

2.4 優(yōu)化方案2下游引航道口門區(qū)通航水流研究

2.4.1 優(yōu)化方案2布置

針對優(yōu)化方案1存在的問題，考慮從引航道布置方案入手，配合三板洲開挖疏浚，實現(xiàn)改善下引航道口門區(qū)通航水流條件的目的。基于此，研究提出了優(yōu)化方案2，如圖7所示。具體方案如下：(1)三板洲中上部疏浚寬度在優(yōu)化方案1的基礎上向右局部擴挖疏浚，擴挖約25 m，總擴挖寬度達到210 m，三板洲下部疏浚寬度不變。(2)在一線船閘靠船墩末端增設長180 m直線隔流堤。

圖7 優(yōu)化方案2平面布置(單位：m)Fig.7 Plane layout of optimization plan 2

2.4.2 通航水力學試驗分析

試驗結果表明，當下泄水流Q<3 860 m3/s時，口門區(qū)水流各項指標均滿足規(guī)范要求。當下泄流量Q=3 860 m3/s時，口門區(qū)最大縱向流速為2.35 m/s，最大橫向流速為0.33 m/s，最大回流流速為0.45 m/s，口門區(qū)縱橫向及回流流速在邊緣位置小范圍超標，其余大部分區(qū)域均滿足通航安全要求，如圖8所示。當下泄流量Q≥4 990 m3/s時，各項流速指標均全面超標(表1)。

圖8 優(yōu)化方案2下泄流量Q=3 860 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.8 Flow velocity vector of optimization scheme 2 with discharge flow Q=3 860 m3/s

表1 優(yōu)化方案2下引航道口門區(qū)流速成果表Tab.1 Flow velocity of optimization plan 2 at the entrance of approach channel m/s

由此可見，相較于優(yōu)化方案1，在隔流堤的挑流作用下，水流流向進一步向右側發(fā)生偏轉，水動力軸線向右偏移約25 m；同時，在隔流堤的掩蔽保護作用下，使得中水流量Q=3 000 m3/s、Q=3 860 m3/s時，口門區(qū)及連接段的水流整體流速明顯降低，其通航水流條件得到較大改善。

在前述水流條件試驗的基礎上進一步開展了自航船模試驗。船模驗證試驗亦表明，在隔流堤的保護作用下，靠船段下游180 m區(qū)域內(nèi)水流平緩，可視為制動段；對于上行船舶可通過口門區(qū)左側緩流區(qū)進入制動段并降低航速制動停泊；對于下行船舶，由于對三板洲進行了疏浚開挖，拓寬了航線轉彎段的通航水域寬度，達到寬約180 m，在Q≤3 860 m3/s時，船舶能夠安全進出下引航道。

綜上所述，優(yōu)化方案2可將最大通航流量提高至3 860 m3/s(樞紐設計敞泄分界流量)。結合北江水文資料分析可知，工程河段1 a中流量大于3 860 m3/s的天數(shù)屈指可數(shù)，從通航保證率而言，已能滿足III級航道的通航需求。因此，本方案可作為白石窯一線船閘改擴建工程的建設方案。

3 動床試驗

三板洲主要由砂卵石組成，一般層厚1.0～10.0 m，平均厚度5.87 m，優(yōu)化方案2對三板洲進行了大范圍的疏浚開挖，三板洲河段泥沙淤積情況發(fā)生改變，存在下引航道口門區(qū)及連接段的淤積及三板洲挖槽的穩(wěn)定性問題。為此，試驗在定床模型確定的方案基礎上，開展了動床系列年泥沙沖淤試驗。結合地形、地質(zhì)和床沙組成進行動床制作，鋪沙厚6～10 cm(原型6～10 m)，并由斷面板控制鋪制動床初始地形，床沙鋪設合格后方可進行動床沖淤試驗。

動床沖淤試驗采用北江豐、中、枯系列及近期代表年水沙資料作為模型進口邊界條件，參照電站運行情況控制壩前水位，根據(jù)水位-流量關系控制模型下游尾門水位，進行系列年輸沙循環(huán)試驗。一個循環(huán)后暫停放水，觀測壩下游河段的沖淤情況、沖淤分布、沖淤量及厚度等，以掌握工程后的河床沖淤演變規(guī)律。試驗結果表明：

(1)淤積區(qū)域主要位于疏浚挖槽右側邊緣坡腳位置和下游引航道口門區(qū)及連接段處的左岸深槽處。疏浚挖槽右側邊緣坡腳淤積區(qū)域長約560 m。在第4年末，淤積厚度為0.2～0.7 m；在第8年末，淤積厚度為0.3～0.7 m。下游引航道口門區(qū)及連接段處的左岸深槽淤積區(qū)域長約270 m。在第4年末，淤積厚度為0.4～0.8 m；在第8年末，淤積厚度為0.6～0.9 m。

(2)沖刷區(qū)主要位于三板洲末端長約120 m的疏浚挖槽左側邊緣和左岸主河槽區(qū)域。在第4年末，沖刷深度為0.2～0.6 m；在第8年末，沖刷深度為0.3～0.5 m。

(3)經(jīng)過系列年輸沙過后，三板洲河段床面形態(tài)將不斷往穩(wěn)定的方向演變，泥沙沖刷及淤積量均較小，不存在單向淤積或單向沖刷趨勢，沖淤基本保持平衡。

由此可見，受到隔流堤束水和挑流作用，主流集中于三板洲疏浚挖槽中，水流流速大，挾沙能力強，上游來沙大部分被主流輸移至下游，僅在疏浚挖槽邊坡坡腳和下引航道口門區(qū)及連接段的緩流及回流區(qū)存在泥沙淤積?？傮w來說，工程實施后三板洲疏浚挖槽開挖邊坡穩(wěn)定，整體上形態(tài)完整，穩(wěn)定性較好；下引航道口門區(qū)及連接段泥沙淤積幅度不大，航深亦能滿足船舶吃水要求。

9-a 第4年末沖淤地形9-b 第8年末沖淤地形圖9 系列年泥沙沖淤地形Fig.9 Topography of sediment erosion and deposition in a series of years

4 結論

(1)受壩下三板洲和既有建筑物影響，白石窯一線船閘改擴建工程建設后，下引航道口門區(qū)通航水流較差，其口門區(qū)水流條件主要表現(xiàn)為流速大、夾角大、水流集中等流態(tài)。

(2)為改善口門區(qū)通航水流條件，試驗采用1∶100正態(tài)整體物理模型對下引航道口門區(qū)通航水流條件進行研究。試驗結果表明：優(yōu)化方案2將最高通航流量提高至3 860 m3/s，改善的口門區(qū)及連接段通航水流條件能夠滿足Ⅲ級航道通航需求。因此，優(yōu)化方案2可作為白石窯一線船閘改擴建工程建設方案。

(3)為驗證建設方案的穩(wěn)定性，開展了動床系列年泥沙沖淤試驗。試驗結果表明：該建設方案下，三板洲整體形態(tài)完整，挖槽邊緣泥沙淤積變化小，總體穩(wěn)定性好，下引航道口門區(qū)通航水流條件較好。試驗成果可為類似工程提供參考和借鑒。