湘江永衡三級(jí)航道瀟湘樞紐船閘改造工程通航水流條件研究

◎ 呂睿 永州市交通信息中心

1.工程概況

本研究依托工程為湘江永州至衡陽(yáng)三級(jí)航道改擴(kuò)建工程中瀟湘樞紐船閘改造工程。范圍為湘水干流永州市冷水灘區(qū)瀟湘樞紐船閘各工程點(diǎn)上游2.5km，下游2.5km的河段。工程對(duì)瀟湘樞紐船閘進(jìn)行改造，改造后等級(jí)為Ⅲ級(jí)，閘室有效尺度為200m×23m×5.0m。設(shè)計(jì)代表船型為1000噸級(jí)機(jī)動(dòng)貨船，改建一線船閘2035年單向通過(guò)能力為698萬(wàn)噸，2050年單向通過(guò)能力為868萬(wàn)噸，分別滿足2035年和2050年預(yù)測(cè)的單向過(guò)閘貨運(yùn)量499萬(wàn)噸（上水）、575萬(wàn)噸（上水）的要求。

瀟湘樞紐于1993年開工建設(shè)，約2004年初通航。瀟湘樞紐工程有攔河壩、水電站廠房、變電站、西河土壩及航運(yùn)單級(jí)船閘、壩頂及廠房上游設(shè)有20m寬公路大橋。攔河壩布置在東河（右汊），緊接?xùn)|河左岸為電站主廠房、端部副廠房，西河（左汊）左岸岸邊布置船閘。樞紐平面布置示意見圖1所示。瀟湘樞紐為低水頭閘壩工程，壩高28m，溢流壩左岸、宋家洲右側(cè)布置河床式廠房，安裝4臺(tái)13MW燈泡式水輪發(fā)電機(jī)組。

圖1 瀟湘樞紐布置示意圖

原瀟湘船閘為10 0 t 級(jí)，水工結(jié)構(gòu)為襯砌結(jié)構(gòu)，閘室結(jié)構(gòu)尺寸為：80.0m×8.0m×2.0m，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為70萬(wàn)噸，船閘上、下游直線導(dǎo)航墻長(zhǎng)35m，目前該船閘基本為停航狀態(tài)。

2.樞紐上游通航水流條件

本文基于工程河段二維水流數(shù)學(xué)模型[1-5]，開展工程方案實(shí)施后通航水流條件模擬研究。如圖2給出了工程方案實(shí)施后船閘上游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，圖3給出了部分流量下的航道范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速分布。其中縱向流速為負(fù)值表示回流，橫向流速向左為正，向右為負(fù)。

圖2 船閘上游航道沿程流速變化

圖3 Q=11508m3/s時(shí)船閘上游航道縱向、橫向流速分布

（1）在該方案條件下，在進(jìn)一步將分流口附近的突嘴切除、航道向左岸側(cè)平移35m后，因在分流口附近航道更靠近左岸邊，與設(shè)計(jì)方案相比，航道流速總體上呈明顯減小態(tài)勢(shì)；與現(xiàn)狀情況相比，除局部較小范圍內(nèi)的流場(chǎng)具有一定變化外，對(duì)河道總體水流格局影響不大。

（2）航道縱向流速變化主要從沿程斷面最大縱向流速變化和航中線縱向流速變化兩個(gè)方面分析。從航道沿程斷面最大縱向流速來(lái)看，在距船閘1430m位置的下游區(qū)域，各級(jí)流量下一般小于1m/s；在距船閘1430～1630m區(qū)域，當(dāng)Q≥6000m3/s時(shí)，沿程斷面最大縱向流速呈快速增加態(tài)勢(shì)，在距船閘1630m位置，Q=6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s時(shí)，分別為1.66m/s、1.95m/s、2.09m/s、2.15m/s，比設(shè)計(jì)方案一分別減小0.13m/s、0.22m/s、0.28m/s、0.31m/s；在距船閘1630～1830m區(qū)域，各級(jí)流量下航道流速增幅有所變緩。

（3）航道橫向流速變化主要從沿程斷面最大橫向流速變化和航中線橫向流速變化兩個(gè)方面分析。修改方案一條件下，在距船閘1230～1630m區(qū)域，Q=7398m3/s、11508m3/s時(shí)，航道沿程斷面最大橫向流速最大分別為0.36m/s、0.46m/s，與設(shè)計(jì)方案一相比，分別減小0.18m/s、0.24m/s，航中線橫向流速最大分別為0.19m/s、0.25m/s，與設(shè)計(jì)方案一相比，分別減小0.23m/s、0.25m/s。

Q=11508m3/s，航道橫向流速最大為0.46m/s，橫向流速超過(guò)0.3m/s的長(zhǎng)度為150m，最大寬度約占航道的40%，該流量級(jí)下，航中線橫向流速均小于0.3m/s。

船閘上游引航道位于宋家洲左汊，引航道及口門區(qū)基本為靜水，水流條件較好；但船閘上游1230～1630區(qū)域，因位于西河分流口附近，航道流速梯度大，且受左岸突嘴影響，航道較為彎曲，是影響船舶安全進(jìn)出閘的關(guān)鍵區(qū)域。工程實(shí)施后將左岸突嘴完全切除，將航道向左岸側(cè)平移35m后，航道內(nèi)縱向流速及橫向流速明顯減小，大型船舶操縱模擬結(jié)果表明，在該方案條件下，船閘上游最大通航流量可由設(shè)計(jì)階段的2年一遇提高到10年一遇。

3.樞紐下游通航水流條件

根據(jù)各級(jí)流量的流場(chǎng)情況，選擇Q=1000m3/s、6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s作為典型流量對(duì)修改方案一條件下航道的流場(chǎng)及流速進(jìn)行分析。圖4給出了工程方案實(shí)施后船閘下游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，圖5給出了部分流量下的航道范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速分布。其中縱向流速為負(fù)值表示回流，橫向流速向左為正，向右為負(fù)。

圖4 船閘下游航道沿程流速變化

圖5 Q=11508m3/s時(shí)船閘下游航道縱向、橫向流速分布

（1）在該方案條件下，將透空導(dǎo)堤的透空段變?yōu)榉峭缚招褪胶?，距船閘1200m的上游區(qū)域因?qū)У痰难谧o(hù)作用，航道內(nèi)基本為靜水；與設(shè)計(jì)方案一相比，距船閘1200～1600m區(qū)域，航道右側(cè)邊緣處航道流速略有增大。

（2）航道縱向流速變化主要從沿程斷面最大縱向流速變化和航中線縱向流速變化兩個(gè)方面分析。從沿程斷面最大縱向流速來(lái)看，距船閘1200m的上游區(qū)域，以Q=11508m3/s時(shí)最大，為1.19m/s；距船閘1200～1600m區(qū)域，位于導(dǎo)堤堤頭下游約400m范圍，該區(qū)域航道斷面沿程最大縱向流速隨流量增加而增大，Q≤7398m3/s時(shí)，小于1.88m/s，Q=9900m3/s、11508m3/s時(shí)，分別為2.09m/s、2.22m/s。

（3）航道橫向流速變化主要從沿程斷面最大橫向流速變化和航中線橫向流速變化兩個(gè)方面分析。從航道沿程斷面最大橫向流速來(lái)看，距船閘1200m的上游區(qū)域，Q≥6000m3/s時(shí)，航道邊緣僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)超過(guò)0.3m/s，其余一般小于0.15m/s；距船閘1200～1600m區(qū)域，位于導(dǎo)堤堤頭下游約400m范圍，從各級(jí)流量來(lái)看，該區(qū)域航道橫向流速最大，主要集中在航道右側(cè)邊緣局部區(qū)域，以Q=11508m3/s時(shí)最大，為0.62m/s，超過(guò)0.3m/s的最大寬度為23m，約占航道斷面寬度的29%。

從航中線橫向流速來(lái)看，距船閘1200m的上游區(qū)域，各級(jí)流量下一般小于0.1m/s；距船閘1200～1600m區(qū)域，僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)大于0.3m/s，其余一般均小于0.3m/s。

（4）各級(jí)流量下，船閘下游引航道宋家洲洲尾處航道的回流流速較小。

該工程方案將透空導(dǎo)堤修改為非透空型式，同時(shí)，在堤頭布置4個(gè)長(zhǎng)35m的導(dǎo)流墩，試驗(yàn)結(jié)果表明，船閘下游連接段航道回流流速較小，船閘下游1200～1400m區(qū)域，航道斜流有所減弱，航道最大橫流降至0.62m/s；在樞紐泄洪流量Q≤7398m3/s時(shí)，一般僅航道右側(cè)邊緣個(gè)別測(cè)點(diǎn)超過(guò)0.3m/s；Q=11508m3/s時(shí)，橫流雖略有增大，但一般普遍小于0.4m/s，超過(guò)0.3m/s的最大寬度為23m，約占航道斷面寬度的29%，航中線最大橫流僅0.17m/s，該方案對(duì)航道水流條件也具有較好改善作用。

分析可知，工程建成后，壩上河段河道流速、流態(tài)不會(huì)發(fā)生大的變化。在壩下河段，由于隔水墻、導(dǎo)流墩的作用，減小了左側(cè)航道的橫向流速，減小了大壩泄洪對(duì)左岸（當(dāng)沖岸）的岸坡及沖刷作用，相應(yīng)得使得流態(tài)變化，水流中泓略向右偏，對(duì)右岸可能產(chǎn)生沖刷。導(dǎo)流墩頂高程為96.00m，在小洪水時(shí)（2年一遇及以下洪水），對(duì)河勢(shì)的影響相對(duì)較明顯。隨著水位的升高，水位淹沒導(dǎo)流墩的水深加大，影響會(huì)逐漸減小。導(dǎo)流墩距離右岸約400m，根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)一定距離擴(kuò)散后，右岸近岸流速變化較小，且右岸為凹岸（非當(dāng)沖岸）現(xiàn)狀也建有堤防及護(hù)坡工程，抗沖能力較強(qiáng)。因此，隔水墻、導(dǎo)流墩對(duì)河勢(shì)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)河床的局部沖刷上。

4.結(jié)語(yǔ)

基于建立的工程河段二維水流數(shù)學(xué)模型，針對(duì)湘江永州至衡陽(yáng)三級(jí)航道改擴(kuò)建工程中瀟湘樞紐船閘改造工程建設(shè)對(duì)通航水流條件的影響開展研究。分析了工程方案實(shí)施后船閘上游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，討論了不同流量條件下航道范圍內(nèi)縱向流速、橫向流速分布特征。