贛江龍頭山樞紐一線船閘通航水流條件及改善措施研究

肖 欽，范紅霞，鄧 偉，王建中

(1.江西省港口集團有限公司, 江西 南昌 330008； 2.南京水利科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210029； 3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司, 湖北 武漢 430071)

已建樞紐船閘運行后出現(xiàn)通航水流條件差的情況屢見不鮮，一方面影響現(xiàn)狀船舶的通航安全和過境效率，另一方面對樞紐后期預(yù)留船閘建設(shè)帶來不利影響[1-5]。開展復(fù)雜邊界條件下已建船閘上下游航道區(qū)通航水流條件惡劣的原因分析及改善措施研究，有助于改善已建船閘的通航安全狀況，并為下一步新建多線船閘總平面方案布置創(chuàng)造有利條件，眾多學(xué)者對此進行了較深入的研究[6-7]。船閘引航道口門區(qū)附近及連接段往往是出現(xiàn)流態(tài)紊亂、橫流強的重點水域，多年來的工程實踐與研究聚焦口門區(qū)水流條件，圍繞調(diào)整隔流堤長度及堤頭開孔、透空率、口門設(shè)置導(dǎo)流墩等措施，開展了廣泛研究[8-13]，研究認為：下游較長隔流堤時可減輕泄水閘下泄水流對口門區(qū)的影響，但隔流堤過長會過多占用河道；在隔流堤合適的位置開孔，使引航道水體與相對穩(wěn)定的水域相通，可有效消減開孔附近引航道內(nèi)水體的波動，但開孔的位置、角度、高度、大小等要素較難確定；隔流堤下部即最低通航水位以下透空，內(nèi)外水體在隔流堤下部連通，往往造成引航道內(nèi)水流紊動較強，且底沙易進入引航道內(nèi)淤積；設(shè)置導(dǎo)流墩后口門區(qū)動靜水之間的流速梯度被墩體削弱，橫流和回流強度減小，但導(dǎo)流墩數(shù)量也不宜過多，否則不利于防洪安全。

本文收集已建龍頭山航電樞紐工程決策、建設(shè)各階段資料，并采用整體定床物理模型試驗，對現(xiàn)狀一線船閘引航道及口門區(qū)通航水流條件進行研究，分析通航水流條件不達標的原因，首次提出采用百葉窗式透空隔流堤改善流態(tài)，減弱橫流，消除通航安全隱患，有效提升最大通航流量，提高船舶過閘效率。以期為已建一線船閘方案完善、預(yù)留二線船閘設(shè)計及兩線船閘運行管理提供技術(shù)支撐，為復(fù)雜邊界條件下樞紐工程平面布置及已建船閘類似問題的解決提供新途徑。

1 樞紐概況

已建龍頭山樞紐壩址位于江西省豐城市贛江龍頭山渡口上游1.5 km、劍邑大橋下游2.9 km 處，是贛江流域規(guī)劃梯級樞紐的最后一級，上距新干樞紐約60 km、下距南昌市外洲水文站約55 km。龍頭山樞紐是一座以發(fā)電、航運、城市交通為主，兼有防洪灌溉、供水、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用功能的大型航電樞紐工程。樞紐正常蓄水位24.20 m，總庫容3.93 億m3，電站裝機240 MW。樞紐主要建筑物從左岸至右岸依次為：魚道、河床式廠房、左岸連接壩、24 孔溢流壩、右岸連接壩、1 000 t 級船閘、右岸連接土壩，壩軸線全長1 291.2 m，壩頂高程31.00 m，頂面設(shè)置23.0 m 寬公路。樞紐于2019 年6 月蓄水，2019 年10 月開始發(fā)電。具體布置見圖1。

圖1 龍頭山樞紐平面布置示意Fig.1 The layout of Longtoushan Junction

龍頭山樞紐一線船閘等級為Ⅲ級，可通航1 000 t 級船舶，已于2009 年4 月試運行。樞紐已建一線船閘平面布置示意見圖2，船閘上下游引航道均采用“直線進閘、曲線出閘”的不對稱方式布置，船閘有效尺度224 m×23 m×3.5 m（長×寬×門檻水深），上下閘首分別長36.0 和32.8 m，上下游實體隔流堤分別長100 和90 m，透空式隔流堤和靠船段長264.2 m，透空率達75%～80%，上下游引航道寬60 m，底高程分別為15.7 和6.0 m。上游設(shè)計最高通航水位為20 年一遇洪水位25.75 m，設(shè)計最低通航水位為開閘調(diào)度最低水位22.3 m；下游設(shè)計最高通航水位為20 年一遇洪水壩下水位25.50 m，設(shè)計最低通航水位為95%保證率水位11.08 m。

圖2 龍頭山樞紐已建一線船閘平面布置示意（單位：m）Fig.2 The layout of the implemented first-ship lock (unit: m)

龍頭山樞紐工程位于贛江下游豐城河段下段，右岸為贛東大堤，左岸大部分修筑堤防，堤防高程30.5～31.8 m，所在河段為彎曲河道，河道形勢見圖3。樞紐上游為庫區(qū)河道，深槽高程10～15 m，正常蓄水位平均河寬約1 400 m；下游深槽高程10～15 m，灘地高程約23.0 m，歸槽水位15.0 m 時平均河寬約800 m，龍頭山卡口段束窄為400 m，龍頭山磯頭挑流作用顯著。距龍頭山樞紐上游約33 km 的樟樹水文站是工程河段控制站。根據(jù)多年資料統(tǒng)計，樟樹水文站多年平均流量為1 890 m3/s；水量年內(nèi)分布不均，洪季4—6 月份徑流占全年48.8%；贛江屬少沙河流，多年平均含沙量0.116 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量665 萬t，1990 年之前和之后分別為1 021 萬t 和376 萬t，洪季4—6 月份輸沙量占全年54.6%～68.4%。樞紐斷面20 年、10 年和5 年一遇洪峰流量分別為19 900、17 600 和15 100 m3/s。

圖3 贛江龍頭山樞紐所在河段河道形勢示意Fig.3 The layout of Ganjiang River of Longtoushan reach

2 龍頭山樞紐船閘定床物理模型的建立與驗證

所建定床物理模型幾何比尺1∶100，范圍上起壩軸線以上2.5 km、下至壩軸線以下3.5 km，模擬天然河道長度6.0 km（見圖4）。水流流速比尺1∶10，糙率比尺1∶2.15，經(jīng)水動力驗證，拉毛的水泥面糙率能滿足水面線相似。根據(jù)2021 年5—7 月實測1∶5 000 水下地形制作模型，采用2021 年5 月24 日贛江1 號洪水漲水期間水文測驗成果進行驗證。本次測驗自上而下布置6 把水尺，3 個ADCP 測流斷面，對水面線和各測流斷面水流流速及流向進行了驗證，水面線比較見表1，斷面流速流向驗證見圖5。驗證結(jié)果符合規(guī)范[14]要求。

表1 水面線驗證結(jié)果

圖4 物理模型布置示意Fig.4 Layout of physical model

圖5 表面流速分布驗證對比Fig.5 Comparison charts of surface velocity distribution

3 龍頭山樞紐一線船閘現(xiàn)狀通航水流條件試驗研究

據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和船閘管理部門反饋，自2019 年4 月一線船閘建成試運行以來，受上游汛期漲水過閘流量大及枯水期電廠尾水影響，船閘上下游引航道、口門區(qū)及連接段的通航水流條件惡劣，表現(xiàn)為縱向流速大、流態(tài)紊亂、橫流強勁，過閘船舶屢有失控碰撞險情發(fā)生，導(dǎo)致最大通航流量僅為5 000 m3/s，影響船舶通航安全和過閘效率。通過模型試驗查找原因，并制定相應(yīng)的解決方案。

根據(jù)相關(guān)船閘規(guī)范[15]，Ⅲ級船閘引航道與口門區(qū)水域通航標準為：（1）口門區(qū)縱向表面流速不應(yīng)大于2.0 m/s，橫向表面流速不應(yīng)大于0.3 m/s，回流流速不應(yīng)大于0.4 m/s；（2）引航道導(dǎo)航和調(diào)順段宜為靜水，制動段和停泊段水域最大縱向流速不應(yīng)大于0.5 m/s，橫向流速不應(yīng)大于0.15 m/s。

3.1 試驗條件

龍頭山樞紐廠壩聯(lián)合調(diào)度運行方式為：當入庫流量小于電廠滿發(fā)流量3 640 m3/s 時，電廠發(fā)電，泄水閘關(guān)閉，壩前正常蓄水位24.20 m；當入庫流量大于電廠滿發(fā)流量后，開啟中間泄水閘泄洪，達到6 530 m3/s 時電廠停機，全部流量經(jīng)右側(cè)泄水閘下泄，庫區(qū)水位下降至汛前水位22.8～22.3 m；入庫流量達13 408 m3/s，泄水閘全開泄洪，基本恢復(fù)天然河道狀態(tài)。采用2019 年10 月—2022 年6 月近2.5 年水位流量關(guān)系并結(jié)合壩址處設(shè)計洪水控制壩下水位。具體物理模型試驗條件見表2。

表2 物理模型試驗條件Tab.2 Physical model test conditions

3.2 現(xiàn)狀試驗結(jié)果

由于現(xiàn)狀一線船閘上下游實體隔流堤較短，分別長100 和90 m，對引航道的掩護作用有限，但與實體隔流堤相接的上下游透空式隔流堤和靠船段長264.2 m，透空率達75%～80%，隔流效果非常差。受樞紐溢流壩泄水影響，當流量超過5 000 m3/s 時，上游引航道內(nèi)橫向流速和下游引航道口門區(qū)、連接段縱橫向流速嚴重超標，超標范圍和量值見表3。

表3 各運行工況下一線船閘現(xiàn)狀表面流速特征Tab.3 The maximum surface velocity prior to implementation of improvement measures

由表3可見，當來流量等于5 000 m3/s 時，上游引航道停泊段已出現(xiàn)局部水域橫向流速大于規(guī)范要求的現(xiàn)象；當流量達停機流量6 530 m3/s 并繼續(xù)增大至9 000、15 100 m3/s 時，由于透空式隔流堤擋水作用較弱，部分來流能較順暢地進入上游引航道內(nèi)，水流動力逐漸增大，導(dǎo)致船閘上游引航道內(nèi)靠泊段大部分水域的縱橫向表面流速迅速超標（見圖6）。上述3 級流量條件下靠泊段水域最大縱橫向流速分別達0.84～1.43 m/s 和0.93～1.85 m/s，已嚴重超標。這說明現(xiàn)狀條件下一線船閘上游引航道內(nèi)過流量較大，通航水流條件惡劣，離原設(shè)計盡可能達到15 100 m3/s 的最大通航流量的要求相差甚遠。

圖6 現(xiàn)狀條件下上游通航水域沿程流速分布（停機流量Q=6 000 m3/s）Fig.6 Surface velocity distribution in the upstream channel(Q=6 000 m3/s)

由表3 和圖6 可見，各級流量條件下，下游引航道內(nèi)水域的橫向流速基本滿足規(guī)范[14-15]要求，而縱向流速在流量達6 530 m3/s 后出現(xiàn)局部水域超標。下游口門區(qū)和連接段在泄水流量達到并大于6 530 m3/s 時，部分水域縱橫向流速開始超標嚴重，9 000 和15 100 m3/s 流量條件下最大橫向流速達0.48 和0.87 m/s，最大縱向流速達2.21 和2.39 m/s，超出規(guī)范[14-15]要求。這說明現(xiàn)狀條件下汛期一線船閘下游引航道、口門區(qū)和連接段通航水流條件極差，嚴重影響船舶通航安全。

3.3 原因分析

前述現(xiàn)場調(diào)研及模型試驗結(jié)果均表明，現(xiàn)狀一線船閘汛期上下游引航道、口門區(qū)及連接段的通航水流條件遠超規(guī)范要求，達不到設(shè)計標準。綜合河道條件、工程方案平面布置及隔流堤結(jié)構(gòu)型式等因素，分析其原因為上下游隔流堤、靠船段航評批復(fù)方案和施工建設(shè)實施方案差異較大。具體表現(xiàn)為：原工程可行性研究階段推薦方案引航道外側(cè)上下游隔流堤、靠船段均為不透空的實體墻，水體不交換，而現(xiàn)狀隔流堤、靠船段施工時變更了原設(shè)計，采用了基本透空的形式，上游隔流墩、靠船墩之間僅在水面附近設(shè)置了2 塊隔流板，單板高1.6 m，板間透水縫距0.4 m，平均透水率達80%，下游靠船、隔流墩之間在水面附近設(shè)了3 塊隔流板，單板高1.6 m，板間透水縫距0.4 m，平均透水率達75%，現(xiàn)狀條件下隔流板布置見圖7。

圖7 現(xiàn)狀上下游隔流堤隔板結(jié)構(gòu)型式（單位：m）Fig.7 Implemented structure of baffle wall (unit: m)

綜上，現(xiàn)狀隔流堤、靠船段透空率太大，基本起不到隔流作用，大量水體在上游順向和下游側(cè)向進入引航道，導(dǎo)致引航道內(nèi)縱橫向流速過大，通航水流條件極差，最大通航流量較小，這是造成通航水流條件惡劣的直接原因?，F(xiàn)狀一線船閘雖布置在河道右側(cè)，但緊靠泄水閘，航道區(qū)水流易受汛期水閘泄水影響；再者，樞紐下游左岸龍頭山咀突入江中，卡口束水挑流作用強勁，使得下泄水流提前右偏進入下游航道區(qū)，也會對通航水流條件帶來不利影響，而現(xiàn)狀條件也無法通過凸咀切除改善河道邊界和水流條件。

4 通航水流條件改善措施試驗研究

4.1 改善思路與作用機理

針對已建一線船閘存在通航水流條件差、最大通航流量低的問題，在現(xiàn)狀一線船閘隔流堤、靠船段基礎(chǔ)上實施完善改建，首次提出百葉窗式隔流堤的概念，通過從水面至水底布置有間隙的隔流板，減小透空率，增強隔流掩護效果，有效降低引航道內(nèi)及口門區(qū)水流動力，減弱橫流，達到改善通航水流條件的目標。

百葉窗式隔流堤作用機理在于：在保證一定透水率的同時，通過隔流板之間的間隙，水流沿水深方向直至河底分層透水，可以有效阻擋表層水流橫向直接進入引航道，以減小引航道內(nèi)的橫向流速，尤其對水位變幅相對較小的上游引航道阻流效果更佳。同時，由于分層透水，進入引航道內(nèi)的水流得以在空間上均勻分散，減弱紊動，有利于流態(tài)平穩(wěn)。

設(shè)計完善方案為：維持現(xiàn)狀一線船閘隔流堤、靠船墩平面位置及長度不變，在上游已設(shè)2 塊隔流板、下游已設(shè)3 塊隔流板的基礎(chǔ)上，自上向下直至河底依次均勻增加隔流板，形成狀如百葉窗式的新型隔流裝置，單塊板高1.6 m，縫隙0.4 m，透空率由現(xiàn)狀的75%～80%降低至20%左右。同時，對靠船墩和隔流墩進行加固。新型隔流堤結(jié)構(gòu)型式見圖8。

圖8 已建一線船閘隔流堤完善方案百葉窗式結(jié)構(gòu)型式（單位：m）Fig.8 Structures of baffle wall for improvement measures（unit: m）

4.2 完善方案試驗結(jié)果

在完善方案新型隔流裝置工況下，進行了6 530、9 000、11 100 和15 100 m3/s 共4 級流量的通航水流條件改善試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 樞紐各運行工況下一線船閘完善方案后上游區(qū)縱橫向表面流速特征Tab.5 The maximum surface velocity after implementation of improvement measures

由表5 可見，流量為6 530～11 100 m3/s 的條件下，上、下游引航道內(nèi)的最大縱、橫向流速分別為0.47 和0.13 m/s，上下游口門區(qū)和連接段的最大縱、橫向流速分別為2.00 和0.29 m/s，滿足規(guī)范要求；降低上下游隔流堤透空率后，隔流掩護效果顯著，進入引航道內(nèi)的水體大幅減少，水流動力明顯減弱，橫流范圍和強度顯著減小，通航水流條件得到有效改善。一線船閘上下游側(cè)最大通航流量由現(xiàn)狀的5 000 m3/s 提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

5 結(jié) 語

依據(jù)實測資料和工程設(shè)計資料，采用1∶100 定床整體物理模型，對已建龍頭山一線船閘現(xiàn)狀的通航水流條件和完善措施開展了試驗研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）當流量達停機流量6 530 m3/s 并繼續(xù)增大至9 000 m3/s、5 年一遇15 100 m3/s 時，龍頭山樞紐一線船閘上游靠泊段水域最大縱橫向流速分別為0.84～1.43 和0.93～1.85 m/s；下游口門區(qū)和連接段最大橫向流速達0.48 和0.87 m/s，最大縱向流速達2.21 和2.39 m/s，嚴重超出規(guī)范要求。

（2）現(xiàn)狀通航水流條件差的主要原因為：隔流堤施工時變更了原設(shè)計，采用了基本透空的結(jié)構(gòu)，透空率達75%～80%，隔流效果很差，導(dǎo)致大量水體進入引航道及口門區(qū)；一線船閘布置緊靠泄水閘，航道區(qū)水流易受汛期泄水影響；下游龍頭山咀卡口束水挑流作用強勁，使得下泄水流提前右偏進入下游航道區(qū)，影響了通航水流條件。

（3）針對存在的問題，首次提出采用自上向下直至河底設(shè)置有間隙的隔流板，形成狀如百葉窗式的新型隔流措施，透空率減小為20%左右。完善方案后不同流量下隔流掩護效果均很明顯，進入引航道內(nèi)及口門區(qū)的水體大幅減小，橫流范圍和強度顯著減小，通航水流條件得到有效改善，最大通航流量由現(xiàn)狀的5 000 m3/s提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

提出的百葉窗式隔流方案的作用機理為：基于應(yīng)對不同水位變化，漸次有效減少泄水閘泄洪時順向和側(cè)向進入引航道及口門區(qū)的水體，水流得以在空間上均勻分散，降低紊動強度，有利于流態(tài)平穩(wěn)，并減弱縱橫向水流動力。這一改善措施可為已建龍頭山一線船閘完善方案、規(guī)劃二線船閘設(shè)計提供技術(shù)支撐，也可為復(fù)雜邊界條件下樞紐工程平面布置及已建船閘類似問題的解決提供新途徑。