青山樞紐船閘上游口門(mén)區(qū)通航水流條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳明慧，劉籌資，夏 波，3，程永舟，3，王 能

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；4.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

船閘口門(mén)區(qū)是船舶進(jìn)出航道的咽喉，同時(shí)也是河流動(dòng)、靜水相交的位置，在此區(qū)域通常會(huì)形成斜向水流、泡漩等不利流態(tài)，影響船舶通航。為了保證船舶通航安全，通常需要對(duì)口門(mén)區(qū)的水流條件進(jìn)行改善[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)口門(mén)區(qū)的通航水流條件的改善進(jìn)行了大量的研究工作：彭偉等[2]、陳明等[3]針對(duì)具體的工程實(shí)例對(duì)口門(mén)區(qū)的通航水流條件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了樁基透空式導(dǎo)流屏能改善口門(mén)區(qū)的通航問(wèn)題；李興亮等[4]、李君等[5]、程璐等[6]都認(rèn)為，對(duì)于彎曲河道利用不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化能更好地解決口門(mén)區(qū)流速較大的問(wèn)題；李艷富等[7]、張樹(shù)青等[8]發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化口門(mén)區(qū)時(shí)適當(dāng)改變引航道的長(zhǎng)度和角度可以有效地改變口門(mén)區(qū)的不利流態(tài)。雖然有很多學(xué)者對(duì)改善口門(mén)區(qū)的措施進(jìn)行了研究，但是受到工程地形因素的影響，每一種工程措施都需要根據(jù)當(dāng)?shù)厮鳁l件的影響因素進(jìn)行改善。

由于青山樞紐新建船閘口門(mén)區(qū)位于彎曲分汊河段，在彎道處會(huì)產(chǎn)生橫向環(huán)流，同時(shí)在分汊河段處，水流受到兩汊地形的影響，也會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生不容忽視的影響。青山樞紐同時(shí)受到彎曲河流及分汊河流兩種因素的影響，口門(mén)區(qū)的水流條件復(fù)雜多變，對(duì)進(jìn)出口門(mén)的船舶影響較大，不能滿(mǎn)足船閘施工標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)青山樞紐船閘口門(mén)區(qū)的通航水流條件進(jìn)行研究。

1 工程概況

澧水青山樞紐壩址位于石門(mén)縣下游，始建于20世紀(jì)60年代，是一個(gè)多功能綜合利用的水利樞紐。樞紐處澧水右汊河道向右彎曲，右汊主壩址處河寬約600 m，從右至左主要建筑物為水輪泵站、100噸級(jí)船閘(已廢棄)、青山電站1(旁側(cè)引水)、中加電站、副壩、20×13 m(孔數(shù)×單孔凈寬)泄水閘和青山電站2。樞紐左汊壩址段河道較為順直，河寬約430 m，從左至右主要建筑物為滾水壩、12孔泄水閘、滾水壩。因青山樞紐建于澧水右汊河道，且船閘等級(jí)為VI級(jí)，設(shè)計(jì)通過(guò)能力為120萬(wàn)t，加上船閘設(shè)備簡(jiǎn)陋，維護(hù)和管理已不適應(yīng)運(yùn)輸現(xiàn)狀，需要新建船閘以滿(mǎn)足航運(yùn)要求。

澧水青山樞紐新建船閘由右汊改建至左汊，增大了過(guò)往船只噸級(jí)，以及新建船閘位于彎曲分汊河段，對(duì)船舶安全通航造成了很大的影響，主要體現(xiàn)在以下3方面問(wèn)題：

1)船閘口門(mén)區(qū)上游連接段1 km處為彎曲河道，水流通過(guò)彎道時(shí)產(chǎn)生橫向環(huán)流，使船只無(wú)法順利通過(guò)彎道，易造成重大事故。2)船閘處于分汊河道，右汊地形稍高于左汊，水流向左汊流動(dòng)，嚴(yán)重影響了左汊口門(mén)區(qū)的安全航行。3)在船閘口門(mén)區(qū)建設(shè)過(guò)程中，過(guò)流斷面的減小增大了口門(mén)區(qū)的橫向流速，導(dǎo)致船舶在進(jìn)出口門(mén)區(qū)時(shí)產(chǎn)生較大的橫向位移，不利于船舶航行。

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型試驗(yàn)

基于幾何相似、重力相似、動(dòng)力相似等準(zhǔn)則，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地大小、模型最小水深要求等，物理模型幾何相似采用1:110正態(tài)比尺，流速比尺λv=10.488，糙率比尺λn=2.189，流量比λQ=126 905.871。根據(jù)樞紐河段的綜合糙率0.031～0.068，設(shè)定模型綜合糙率為0.014～0.031，采用水泥砂漿粗糙抹面(糙率0.014～0.015)，并對(duì)其進(jìn)行局部梅花加糙，使模型各段綜合糙率與原型相似。

為了保證模型與原型水流運(yùn)動(dòng)相似，整體物理模型制作完成后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。依據(jù)實(shí)測(cè)樞紐沿程水位、流量、斷面流速等資料，進(jìn)行水位、斷面流速等驗(yàn)證，且對(duì)模型梅花配糙進(jìn)行多次調(diào)整，最終達(dá)到模型水位、斷面流速及分部、分流比等相似驗(yàn)證要求。樞紐模型布置見(jiàn)圖1。水位及斷面流速對(duì)其在洪水流量4 631 m3/s、中水流量822 m3/s、枯水流量136 m3/s中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖2、3所示。本文僅選取洪水中左汊水面線(xiàn)結(jié)果及部分?jǐn)嗝媪魉俳Y(jié)果進(jìn)行分析。

圖1 青山樞紐整體模型及水尺布置

圖2 Q=4 631 m3/s洪水水位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 Q=4 631 m3/s斷面流速分布驗(yàn)證結(jié)果

2.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)初步擬用的樞紐調(diào)度運(yùn)行方式，選取4級(jí)典型流量對(duì)通航條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，工況見(jiàn)表1。

表1 通航條件試驗(yàn)工況

3 原設(shè)計(jì)方案

3.1 原設(shè)計(jì)方案布置

青山樞紐原設(shè)計(jì)方案船閘位于左岸側(cè)，為單線(xiàn)船閘，突出在下游，船閘的中心軸線(xiàn)與壩軸線(xiàn)垂直。設(shè)計(jì)近、遠(yuǎn)期最大通航流量為8 910、14 200 m3/s，船閘引航道為不對(duì)稱(chēng)形式布置，船舶曲進(jìn)直出。引航道底寬、長(zhǎng)分別為60、560 m；上、下游引航道底高程分別為41.0、37.0 m。在導(dǎo)流堤向上游方向平行于航線(xiàn)交錯(cuò)布置3個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度、相對(duì)間距均為20 m。

3.2 原設(shè)計(jì)方案通航水流條件

當(dāng)流量為2 200 m3/s時(shí)，上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)0.7 m/s，橫向流速均不超過(guò)0.3 m/s，滿(mǎn)足通航水流條件要求，同時(shí)，上游連接段水流流速較小，水流流速普遍為0.4～0.8 m/s，通航水流條件較好，流場(chǎng)如圖4所示。在進(jìn)行船模試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：船模以靜水航速3.0 m/s上行，以靜水航速2.5 m/s下行，經(jīng)過(guò)口門(mén)區(qū)時(shí)航態(tài)均較好，航行參數(shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)，沿左、右航線(xiàn)航行能夠順利通過(guò)連接段。

圖4 上引航道口門(mén)區(qū)局部流場(chǎng)(單位：m/s)

當(dāng)8 910 m3/s≤Q≤14 200 m3/s時(shí)，上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，僅在口門(mén)上游約100 m范圍近引航道右邊線(xiàn)，局部橫向流速較大，最大約0.45 m/s，存在一定安全隱患，如圖5所示。

圖5 上引航道口門(mén)區(qū)局部流場(chǎng)(單位：m/s)

上引航道船模上行航態(tài)見(jiàn)圖6?？梢钥闯龃Ｔ谏闲袝r(shí)，船頭飄向?qū)Я鞫?，通過(guò)改變舵角控制船模恢復(fù)航線(xiàn)，但是船尾觸碰到了導(dǎo)流墩；下行時(shí)船模受到分汊地形的影響，向左岸的橫流流速，使船模向左岸偏移，易與靠船墩碰撞，且上下行的航行參數(shù)均超過(guò)限值，口門(mén)區(qū)的通航水流條件不能滿(mǎn)足要求，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案下口門(mén)區(qū)的船閘布置進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 上引航道船模上行航態(tài)

4 優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化方案1的通航水流條件

1)在上游導(dǎo)航墻頭部加長(zhǎng)34 m，并向河側(cè)外挑7°，在原設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流墩的基礎(chǔ)上增加3個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度與原設(shè)計(jì)相同為20 m，將導(dǎo)流墩間距由原20 m縮小至10 m。

2)當(dāng)上游來(lái)流量為8 910 m3/s時(shí)，上引航道口門(mén)區(qū)及連接段流場(chǎng)如圖7所示?？梢钥闯?，上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.5 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，在口門(mén)上游150～250 m范圍近引航道右邊線(xiàn)，局部橫向流速較大，最大約0.35 m/s；當(dāng)上游來(lái)流量14 200 m3/s時(shí)，上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大約1.8 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，在口門(mén)上游約180 m范圍近引航道右邊線(xiàn)，局部橫向流速較大，最大約0.4 m/s?？梢?jiàn)兩級(jí)流量下，僅在引航道右邊線(xiàn)附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s。

圖7 上引航道口門(mén)區(qū)及連接段流場(chǎng)(單位：m/s)

從船模試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，船模在口門(mén)區(qū)內(nèi)上行時(shí)基本是沿著航道線(xiàn)駛出口門(mén)區(qū)，但是航線(xiàn)也會(huì)受到橫向水流的影響發(fā)生部分偏移；且船模在口門(mén)區(qū)下行時(shí)，受到口門(mén)區(qū)過(guò)流斷面減小所形成的橫向流速的影響，在進(jìn)入口門(mén)區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。雖然自航船?；灸茼樌M(jìn)出口門(mén)區(qū)，但在局部水域橫向流速超出規(guī)定，船模行駛受到一定程度的影響。

4.2 優(yōu)化方案2的通航水流條件

1)優(yōu)化方案2見(jiàn)圖8，上游口門(mén)區(qū)仍采用3個(gè)導(dǎo)流墩方案，且與導(dǎo)流堤之間平順銜接(無(wú)錯(cuò)口)，間距20 m，停泊段?？繂闻糯?。為了進(jìn)一步減小優(yōu)化方案1口門(mén)區(qū)局部橫向流速，右汊壩上游2 km范圍河底高程疏浚至43 m。

圖8 優(yōu)化方案2的開(kāi)挖區(qū)域

2)當(dāng)上游來(lái)流量為8 910 m3/s時(shí)(圖9)，上游引航道口門(mén)區(qū)縱向流速最大不超過(guò)1.2 m/s，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.25 m/s，在連接段上游150～250 m范圍近引航道右邊線(xiàn)，局部橫向流速較大，最大約0.35 m/s；當(dāng)上游來(lái)流量為14 200 m3/s時(shí)，大部分水域橫向流速不超過(guò)0.3 m/s，在連接段約180 m范圍近引航道右邊線(xiàn)，局部橫向流速較大，最大約0.4 m/s。可見(jiàn)兩級(jí)流量下，僅在引航道右邊線(xiàn)附近局部橫向流速超過(guò)0.3 m/s。

圖9 優(yōu)化方案2在Q=8 910 m3/s時(shí)

上引航道船模下行航態(tài)見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，船舶以靜水航速3.0 m/s沿規(guī)劃航線(xiàn)上行，在上行過(guò)程中船模航行航態(tài)順利通過(guò)口門(mén)區(qū)；以靜水航速2.5 m/s沿規(guī)劃航線(xiàn)下行，在下行過(guò)程中船模順利進(jìn)入口門(mén)區(qū)，且沒(méi)有偏離航線(xiàn)，自航船?；灸茼樌M(jìn)出口門(mén)區(qū)。

圖10 上引航道船模下行航態(tài)

4.3 優(yōu)化方案通航水流條件對(duì)比

各方案對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，優(yōu)化方案2相對(duì)較優(yōu)，可以作為樞紐的平面布置推薦方案。

表2 各方案對(duì)比分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

1)原設(shè)計(jì)方案口門(mén)區(qū)的縱橫向流速不能滿(mǎn)足船舶安全通航的要求，需要對(duì)口門(mén)區(qū)的通航水流條件進(jìn)行改善。

2)針對(duì)船閘上游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件存在的問(wèn)題，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行2種優(yōu)化試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比，優(yōu)化方案2導(dǎo)流墩的布置方式以及對(duì)右汊進(jìn)行疏浚的方式更能滿(mǎn)足口門(mén)區(qū)的通航水流條件。

3)綜合對(duì)比優(yōu)化方案下的口門(mén)區(qū)通航水流條件，推薦優(yōu)化方案2為青山樞紐的口門(mén)區(qū)布置方案。

4)由于存在對(duì)右汊地形的疏浚開(kāi)挖，為了防止淤泥回填、改變地形，需要定期清淤，確保通航安全。