樞紐泄洪對引航道口門區(qū)水流條件影響試驗研究

曾敏，林勇

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610031）

某水電站位于湄公河通航河段，屬大（2）型工程，工程等別為Ⅱ等[1]，樞紐布置擬采用“右岸船閘+右岸泄洪沖沙閘+左岸廠房”的布置方案，船閘位于樞紐的右側(cè)，左側(cè)緊鄰泄洪沖沙閘，右側(cè)為航道沖沙閘。根據(jù)中、老、緬、泰四國政府簽訂的《瀾滄江-湄公河商船通航協(xié)定》及《瀾滄江-湄公河航道維護(hù)與改善導(dǎo)則》，該工程船閘級別擬定為Ⅳ級，按通航500t 級船舶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，船閘采用右岸單線1 級船閘[2]，閘室有效尺寸為120m×12m×4m，為與下游主航道平順銜接，下游引航道總長約1142m，底寬45m，彎曲半徑330m，轉(zhuǎn)彎角63°40′28″。引航道口門區(qū)水流條件的好壞關(guān)系到船舶能否安全順暢地進(jìn)出引航道及船閘安全穩(wěn)定地運(yùn)行，直接影響到湄公河干流的航運(yùn)能否暢通。

因此，本文以船閘下游引航道口門區(qū)[3]為對象，根據(jù)泄洪閘不同泄洪工況下，分析各工況泄洪時對口門區(qū)水流條件的影響，以便于優(yōu)化和調(diào)整引航道導(dǎo)航墻的布置，合理確定導(dǎo)航墻長度，利于船舶順利進(jìn)、出引航道，保證船閘的正常安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 概述

1.1 樞紐布置

樞紐建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、電站建筑物、通航建筑物及過魚建筑物組成。

攔河壩為混凝土重力壩，正常蓄水位340m，壩頂高程346m，最大壩高約64m，壩頂長896.5m。

泄洪沖沙閘壩段位于右岸灘地。為了防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入電站進(jìn)水口，在廠房壩段前設(shè)置攔沙坎，將泥沙導(dǎo)入泄洪沖沙閘。共布置14 孔泄洪沖沙閘，孔口尺寸15m×23m。其中1 孔為航道沖沙閘，位于船閘右側(cè)，其余13 孔泄洪沖沙閘。船閘及泄洪閘分區(qū)布置見圖1～2。

圖1 船閘及泄洪閘布置圖

1.2 下游最高通航水位及流量

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅳ級通航建筑物最高通航水位可按5年～3年一遇洪水設(shè)計。

考慮到與上游梯級通航建筑物的銜接，同時能滿足引航道的水流條件，初擬該工程通航建筑物最高通航水位按3年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。下游最高通航水位為EL.329.64m，相應(yīng)的最大通航流量（3年一遇）為Q=13200m3/s。

圖2 泄洪閘分區(qū)布置圖

1.3 通航水流條件

根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，引航道口門區(qū)平行航線的縱向流速≤2.0m/s，垂直航線的橫向流速≤0.3m/s，回流流速≤0.4m/s。

2 模型設(shè)計制作及試驗工況

2.1 模型設(shè)計制作

（1）試驗?zāi)Ｐ蜑檎w、正態(tài)模型，模型比尺為1:70，河道模擬總長度為4200m，包括壩軸線上游2500m 至壩軸線下游1700m，庫區(qū)346m 高程以下，下游346m高程以下，因此，能保證上下游流態(tài)以的相似性。

（2）尾水設(shè)閘板和水位測針(精度±0.1mm)以控制尾水位。下游水位控制斷面為壩軸線下游1370m 處。

（3）地形制作的垂向精度控制在±2mm 以內(nèi)，平面精度控制在±5mm 以內(nèi)。

2.2 泄洪閘分區(qū)布置

樞紐布置的泄洪建筑物包括13 孔泄洪沖沙閘、1孔航道沖沙閘和發(fā)電引水口下方的沖沙底孔。其中13孔泄洪沖沙閘由2 道中隔墻劃分為3 個區(qū)，由左至右依次為Ⅰ區(qū)3 孔、Ⅱ區(qū)3 孔、Ⅲ區(qū)7 孔。各孔凈寬均為15m，閘底板高程均為317.0m。其中，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)泄洪閘下游設(shè)置長約80m 的消力池，消力池底板高程依次為310.0m、312.5m。消力池末端采用1:5 的反坡與原河床連接，消力池末端沒有設(shè)置尾坎和防沖槽，具體布置及分區(qū)見圖1.1-1～2。

2.3 試驗工況

為了比較不同的泄洪方式對下游引航道口門區(qū)的影響，確保泄洪更為安全可靠，盡量減小泄洪對引航道進(jìn)出船舶的影響。對于小于3年一遇洪水的同級流量下進(jìn)行了不同的閘門開啟方式試驗，大于3年一遇流量時，各泄洪閘全開敞泄，船閘停止運(yùn)行。為分析較大流量下對引航道口門區(qū)的影響，僅考慮2年及3年一樣流量下，主要的試驗工況見表1。

為充分分析泄洪閘泄洪對引航道口門區(qū)水流條件的影響，由于僅考慮泄洪對船閘運(yùn)行時口門區(qū)水流條件的影響，因此未考慮航道沖沙閘的泄洪工況。

上述泄洪閘運(yùn)行方式涵蓋了幾乎所有運(yùn)行方式，完全能夠評價本工程在各種運(yùn)行方式的泄洪下對下引航道口門區(qū)水流條件的影響。試驗工況組合見表1。

表1 試驗工況表

3 下游引航道口門區(qū)流場

3.1 原引航道布置

根據(jù)試驗成果，在較大流量工況下（工況D 和E），下引航道口門區(qū)流速中各工況的流速均小于航道航行的要求，在導(dǎo)墻結(jié)束到航道結(jié)束的范圍內(nèi)，由于在導(dǎo)墻外側(cè)的是泄洪而下的水流，且航道無下泄水流，存在流速差，流速差形成剪切作用，會形成小范圍的回流流場，但流速并不大，在靠近導(dǎo)墻邊線的直線位置，整段距離內(nèi)流速都比較大，但小于規(guī)范規(guī)定禁止通航的水流條件要求。實測結(jié)果表明，航道口門區(qū)流速梯度較大，航道內(nèi)側(cè)0.75m 位置流速就減小很多，內(nèi)側(cè)2.25m 的位置流速就很小，但側(cè)向流速較小，完全符合船舶航行要求。各工況(最不利)下航道內(nèi)的流場見圖3～4。

圖3 工況D 引航道口門區(qū)流態(tài)

圖4 工況E 引航道口門區(qū)流態(tài)

3.2 引航道優(yōu)化調(diào)整后

結(jié)合泄洪閘泄洪不同的運(yùn)行方式，試驗中對航道長度進(jìn)行調(diào)整，試驗中把轉(zhuǎn)彎后長度179.36m 的直導(dǎo)航墻減短160m，對其口門區(qū)進(jìn)行流速的測量，在導(dǎo)航墻減短后，彎道中主流靠近凹岸邊，這使得在導(dǎo)墻中軸線附近的流速比原設(shè)計中的流速小，這樣類似于剪切作用變小，小范圍的回流強(qiáng)度減輕，而且主流靠近左岸，導(dǎo)致在航道后整個下游有大范圍的回流，但回流流速較小。航道口門區(qū)平行航線流速均小于2.0m/s，靠近航道右岸岸邊的流速0.5m/s 左右。調(diào)整后的引航道口門區(qū)流場條件滿足規(guī)范要求。各工況(最不利)下航道內(nèi)的流場見圖5～6。

圖5 工況D 引航道口門區(qū)流態(tài)

圖6 工況E 引航道口門區(qū)流態(tài)

4 結(jié)語

該船閘位于國際通航河流湄公河上，其航運(yùn)地位十分重要，船閘的運(yùn)行將直接影響到湄公河干流的航運(yùn)能否暢通，下游引航道是其重要的組成部分。本文通過泄洪閘不同泄洪工況試驗下，得出了不同引航道導(dǎo)墻長度口門區(qū)水流流態(tài)，主要結(jié)論如下：

（1）通航時，泄洪閘在各工況運(yùn)行方式下，原引航道布置方案引航道口門區(qū)水流條件滿足規(guī)范要求，樞紐泄洪對船舶進(jìn)出引航道影響較?。?/p>

（2）通航時，當(dāng)航道導(dǎo)航墻減小160m，泄洪閘在各工況運(yùn)行方式下，縮短后的引航道口門區(qū)水流條件也滿足規(guī)范要求，樞紐泄洪對船舶進(jìn)出引航道影響較?。?/p>

綜上，通過水力學(xué)觀測和引航道模型調(diào)整，泄洪閘在不同運(yùn)行工況下，各級通航流量泄洪時，口門區(qū)的水流流態(tài)較好，流速指標(biāo)滿足規(guī)范要求，對航道的不利影響均較小。

試驗結(jié)果為泄洪閘及船閘的運(yùn)行管理提供了依據(jù)和支撐，同時為引航道的布置合理性提供了充分依據(jù)，從而保證該船閘的正常安全運(yùn)行，充分發(fā)揮船閘的航運(yùn)效益。