樞紐引航道口門區(qū)利航流態(tài)的實(shí)現(xiàn)研究

歐陽天庭、魏必文

（江西省路港工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

引航道是在樞紐所在水域設(shè)定的用來引導(dǎo)船舶沿著安全航線進(jìn)入或離開樞紐的專業(yè)航道[1]。受樞紐建筑空間分配的制約，樞紐引航道的水域空間相對(duì)狹窄，且嚴(yán)格受到航道墻線形的約束。其內(nèi)部流態(tài)密切關(guān)系和影響船舶通航或靠泊的使用安全，尤其是引航道口門區(qū)，該區(qū)域是引航道水域與樞紐河道水域的鄰接區(qū)，擾流較多，流態(tài)復(fù)雜，是樞紐引航道建設(shè)的重點(diǎn)質(zhì)量控制區(qū)域，也一直是樞紐引航道科研和工程控制的關(guān)注點(diǎn)[2-5]。

文章基于工程案例，借助有限容積積分法二維流仿真模擬技術(shù)，介紹原設(shè)計(jì)方案和兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案下引航道口門區(qū)流態(tài)模擬分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)等，最終確定實(shí)施具有較優(yōu)利航流態(tài)的改進(jìn)方案2 進(jìn)行二線引航道續(xù)建，期望相關(guān)設(shè)計(jì)和分析成果能夠?yàn)闃屑~引航道利航流態(tài)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

案例為北江上的一處集調(diào)水、防洪、發(fā)電、航運(yùn)等多項(xiàng)功能于一體的樞紐工程。其壩址控制流域總面積約16750km2，二類工程級(jí)別，三類主體建筑，按照洪水50 年一遇設(shè)計(jì)，主體為洪水校核500 年一遇，土壩重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域?yàn)榍暌挥?。樞紐布局從左到右為：左岸土石壩、電站廠房、13 口泄水閘、船閘、右岸連接壩段。樞紐船閘引航道采取雙線設(shè)計(jì)，先后兩個(gè)工期建設(shè)。

一線船閘為V 級(jí)船閘，閘室臨界水深、寬度、長度分別為2.00m、14.00m、140.00m，可通航300t 級(jí)船舶。上游最低和最高通航水位分別為41.32m、45.82m，最大水頭9.00m，通航凈空8.00m。船舶上下水閘采取彎進(jìn)直出設(shè)計(jì)。上游引航道右側(cè)主航道墻全長205.80m，其中包括182.40m 的直線段和23.40m 的擴(kuò)展段，左側(cè)副航道墻包括長80.00m 直線航道墻段和42.00m 的圓弧航道墻段，上游引航道的底高程為38.82m。

二線船閘為Ⅲ級(jí)船閘，閘室臨界水深、寬度、長度分別為4.50m、23m、220.00m，可通航1000t 級(jí)船舶。兩座船閘布置在同一岸側(cè)，兩座船閘之間的軸向距離為80.00m，引航道寬度50.00m。上游引航道右航道墻為563.80m 的主導(dǎo)航墻，包括靠泊段415.00m 和直線導(dǎo)航段148.80m?？坎炊伟? 個(gè)靠泊碼頭和15 個(gè)系船柱。左側(cè)為全長約224.50m 的副導(dǎo)航墻，采取52.73m 半徑和49°圓心角的弧形延伸段設(shè)計(jì)，后接長160.00m 的直航段，引航道底高程為36.82m。

2 原設(shè)計(jì)方案

2.1 船閘平面布置

該樞紐的二線船閘擴(kuò)改建工程按三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，閘室長×寬×高為220.00m×23.00m×4.50m，可通過1000t 級(jí)船舶。根據(jù)周圍環(huán)境和河道地形條件，將新船閘設(shè)計(jì)在原一線船閘的右岸側(cè)，兩船閘軸線距離為80.00m，新閘引航道采取向左側(cè)擴(kuò)大的不對(duì)稱形式，開挖一線閘右岸山體形成所需航道空間，新閘盡量不影響舊閘的通航條件。船舶上行采取直入曲出的方式，新船閘上游引航道底高程為36.82m，寬度為50.00m。上游引航道右側(cè)的航道墻為主航道墻，全長563.80m，包括直行段148.80m，靠泊段415.00m?？坎炊卧O(shè)6 個(gè)靠泊碼頭，15 個(gè)系船柱。主航道墻的頂高程為48.50m。左側(cè)輔助導(dǎo)航堤采取52.73m 半徑、49°圓心角的弧形擴(kuò)張段，后接直線導(dǎo)航段160.00m，副導(dǎo)航堤也是隔流堤，全長約224.50m，其頂面高程475.20m，齊平于一線閘的右側(cè)導(dǎo)航墻。

2.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

通過有限容積積分法二維流仿真模擬，獲得原設(shè)計(jì)方案下一、二線閘上游引航道的最大流速分布情況（見表1 和表2）。數(shù)據(jù)顯示，原設(shè)計(jì)方案、保持水庫正常蓄水和各級(jí)中小流量運(yùn)行條件下，船閘上游引航道口門區(qū)的流速都比較小，滿足安全通航要求。但當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時(shí)，受泄流和外導(dǎo)墻堤頭水流的影響，一線閘上游引航道口門區(qū)幾乎被橫流覆蓋，二線閘上游引航道口門區(qū)附近橫流也相對(duì)較大，影響船舶安全進(jìn)出。這時(shí)二線閘的右導(dǎo)墻靠泊段基本全部暴露在動(dòng)水中，流速較快，使船舶靠泊風(fēng)險(xiǎn)提高，有必要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

表1 原設(shè)計(jì)方案下二線閘上游引航道的最大流速分布表（m/s）

表2 原設(shè)計(jì)方案下一線閘上游引航道的最大流速分布表（m/s）

模擬分析顯示，原設(shè)計(jì)方案下，因二線船閘的外導(dǎo)墻，即一、二線船閘的隔離墻較短，嚴(yán)重受到樞紐泄流、二線閘外導(dǎo)航墻的堤頭擾流影響。當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前汛限44.32m 時(shí)，一線閘上游引航道口門區(qū)存在較大的橫流，幾乎被橫流覆蓋。二線船閘右側(cè)的導(dǎo)墻靠泊段此時(shí)暴露在動(dòng)水中，流速很大，可能影響船舶的通航安全，因此有必要通過優(yōu)化方案來調(diào)節(jié)隔離墻長度，以控制和減少引航道口門區(qū)的擾流和橫流等問題。

3 共用引航道（改進(jìn)方案1）

3.1 船閘平面布置

為了改善一線船閘上游引航道的水流條件，并大幅取消或縮短二線船閘上游引航道的外導(dǎo)墻，取消一線閘原上游引航道的外導(dǎo)墻圓弧段，并將直線段長度加長，以屏蔽和控制主河槽左側(cè)動(dòng)水的影響，進(jìn)而改善上游引航道的水流狀態(tài)。該上游引航道的底高程為36.82m，寬度為98.50m。

取消上游引航道外導(dǎo)墻圓弧段的同時(shí)，也取消一、二線船閘隔墻的直線段，但保留其拓寬圓弧段。同時(shí)按4.50 倍典型船長的標(biāo)準(zhǔn)，將一線閘外導(dǎo)航墻的直線段從80.00m 加長至304.00m，以利于在洪水期降低樞紐泄流和外導(dǎo)墻擾流的干擾，改善口門外側(cè)區(qū)域的通航水流狀態(tài)。

3.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，方案1 改進(jìn)條件下，正常流量2760m3/s 運(yùn)行時(shí)，引航道口門區(qū)的縱向和橫向流速較小，未發(fā)生回流。流量處于2760～6630m3/s 時(shí)，受樞紐泄流、外導(dǎo)墻頭擾流影響，引航道口門區(qū)外側(cè)的橫向流速逐步加大，超過了設(shè)計(jì)要求。引航道口門區(qū)內(nèi)側(cè)這時(shí)的縱向和橫向流速較小，水流平緩，可保證通航安全。上游引航道口門區(qū)縱向和橫向流速雖然呈隨流量增加而增加的趨勢，但其橫向流速以及超標(biāo)范圍均有所降低，說明方案1 優(yōu)于初始設(shè)計(jì)方案。但方案1 改進(jìn)后，右側(cè)停泊區(qū)上段60.00～100.00m 的區(qū)間內(nèi)仍存在縱向流速較大的情況，無法滿足安全靠泊的流態(tài)需求。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，共用上游引航道的外導(dǎo)航墻要處在深水庫區(qū)，作業(yè)難度和投資均相對(duì)較大，且這樣的布局不利于汛期行洪，有必要探討更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

4 分用引航道（改進(jìn)方案2）

4.1 船閘平面布置

方案2 是在方案1 的基礎(chǔ)上，分開配置船閘上游引航道，是考慮外導(dǎo)航墻配置狀態(tài)作出的一種新選擇，即在外導(dǎo)航墻上段約100.00m 范圍配置8 個(gè)透空導(dǎo)流孔，孔口高4.00m，寬2.70m，孔頂高程40.82m，底高程36.82m，且與導(dǎo)墻的直線段呈27°夾角，相鄰孔的中心間距設(shè)為12.00m。開孔墻體選擇插板式隔流墻，各孔插板由徑值2.50m 的灌注樁基礎(chǔ)連接。該方案的二線船閘上游引航道的外導(dǎo)墻全長375.00m。并且，在右岸上游彎道附近配置塊石填回護(hù)坡，既利于在彎道處調(diào)順?biāo)鞣较颍帜軌虼蠓认こ淌鼦壏絾栴}。右岸上游側(cè)塊石護(hù)坡段約500.00m，坡比1∶2.50，采取2 級(jí)回填方式，中間配置寬2.00m 的馬道，回填第1 級(jí)的頂高程為43.13m，回填第2 級(jí)的頂高程為47.50m。

4.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

4.2.1 方案2 對(duì)二線船閘通航水流條件的影響

當(dāng)流量≤6630m3/s 時(shí)，二線船閘除上游引航道和入口區(qū)流速指標(biāo)有個(gè)別點(diǎn)超標(biāo)以外，通航安全基本可以得到保障；當(dāng)流量＞6630m3/s 時(shí)，二線閘上游引航道口門區(qū)外導(dǎo)墻堤區(qū)域存在橫流超標(biāo)。通過比較得知，相比于初始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案1，方案2 形成的二線船閘引航道流態(tài)條件是三者中最好的，船舶安全靠泊長度較長。

4.2.2 方案2 對(duì)一線船閘通航水流條件的影響

方案2 采取的是分開布置一、二線船閘的上游引航道方案，二線船閘上游引航道由開挖右岸山體形成，其外導(dǎo)墻位處一線船閘的右岸邊，導(dǎo)航墻長375.00m，一線閘上游引航道入口區(qū)的外部狀態(tài)基本不變。方案2 的右岸河灣采用長約500.00m 的石砌防護(hù)墻，對(duì)改善一線船閘上游引航道口門區(qū)的水流條件有幫助。

2760m3/s 是維持電站滿發(fā)狀態(tài)下的樞紐流量狀態(tài)，1500m3/s 是樞紐45.82m 常規(guī)水位運(yùn)行條件下的樞紐流量狀態(tài)。表3 數(shù)據(jù)顯示，二線船閘改造方案2實(shí)施前后，樞紐中小流量條件下，一線船閘上游庫區(qū)及上游引航區(qū)的流態(tài)保持完好。當(dāng)達(dá)到流量2760m3/s時(shí)，一線引航道口門區(qū)的縱向和橫向流速峰值分別為1.12m/s 和0.34m/s，最大流速位處一線船閘外導(dǎo)流墻的堤頭附近，引航道口門區(qū)內(nèi)未發(fā)生回流，通航水流條件較好，基本與現(xiàn)狀一致。說明按修改方案2 建設(shè)二線閘后，一線閘上引航道的通航水流條件不會(huì)受到不利影響，前后基本保持不變。

表3 實(shí)施方案2 后一線閘口門區(qū)的流速改變數(shù)據(jù)表（m/s）

5 結(jié)論

文章結(jié)合案例樞紐工程實(shí)際情況，梳理原設(shè)計(jì)方案和兩個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案下的船閘平面布置及對(duì)應(yīng)的船閘上游引航道水流狀態(tài)模擬分析結(jié)果。分析顯示：

其一，在原設(shè)計(jì)方案中，船閘上游引航道雙線采用分離式布置方案，在保持水庫正常蓄水和各級(jí)中小流量運(yùn)行條件下，船閘上游引航道口門區(qū)的流速都比較小，滿足安全通航要求。但當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時(shí)，一線閘上游引航道口門區(qū)幾乎被橫流覆蓋，二線閘上游引航道口門區(qū)附近橫流也相對(duì)較大，影響船舶安全進(jìn)出，因此需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。

其二，在改進(jìn)方案1 中，兩線船閘采取共用上游引航道的設(shè)計(jì)方案，雖然該方案優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案，但仍存在右側(cè)停泊區(qū)縱向流速仍然相對(duì)較大的情況，無法滿足安全靠泊的流態(tài)需求；外導(dǎo)航墻要處在深水庫區(qū)，作業(yè)難度和投資均相對(duì)較大；布局不利于汛期行洪等不足。

其三，改進(jìn)方案2 采取分開配置船閘上游引航道、加長引航道外航道墻的長度、整治右岸河灣坡岸、堤頭段配置8 個(gè)導(dǎo)流開孔等改進(jìn)措施。引航道口門區(qū)流態(tài)分析顯示，方案2 進(jìn)一步改善了之前方案不能充分解決的導(dǎo)航墻堤頭回流、斜流等不利流態(tài)，且船舶安全靠泊區(qū)較長、工程投資小、施工難度低，因此工程最終采用該方案進(jìn)行二線船閘和引航道建設(shè)。