固鎮(zhèn)復(fù)線船閘上游航道口門區(qū)平面布置研究

張 波 李振亞

固鎮(zhèn)復(fù)線船閘上游航道口門區(qū)平面布置研究

張 波 李振亞

一、樞紐概況

擬建的固鎮(zhèn)復(fù)線船閘是沱澮河航道梯級開發(fā)的重要組成部分，位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣固鎮(zhèn)節(jié)制閘及老船閘南側(cè)，上距蘄縣閘38km，下距五河閘65km，為沱澮河航道自下而上第二個梯級通航建筑物。

根據(jù)《安徽省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃》，沱澮河航道李口集至入淮口段航道規(guī)劃等級為Ⅳ級，可常年通航500t級船舶。本次擬建固鎮(zhèn)復(fù)線船閘為500t級Ⅳ級船閘，閘室長130m，寬18m，門檻水深3.5m，預(yù)測年過閘貨運量750×104t。復(fù)線船閘的建成將大大提高固鎮(zhèn)樞紐的水運通過能力。

受當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃影響，固鎮(zhèn)復(fù)線船閘閘址只能選在固鎮(zhèn)樞紐中老船閘的右側(cè)。進行總平面布置研究時，上游引航道受京滬鐵路澮河大橋通航孔的制約，引航道口門區(qū)及連接段的中心線與河流主流流向之間的夾角較大，因此可能產(chǎn)生較惡劣的橫流、回流等不良流態(tài)，對上游引航道內(nèi)的航行安全極為不利。若橫向流速分量和回流達到一定強度，超過規(guī)范要求，則易使船舶的航向發(fā)生改變，從而發(fā)生事故，影響通航。為消除通航安全隱患，使新船閘安全穩(wěn)定運行，有必要對上游口門區(qū)的平面布置進行分析研究。

二、引航道進口流態(tài)研究概述

為綜合利用水資源，國內(nèi)很多水利樞紐均建有船閘，在船閘的總體布置中，船閘上游引航道與河道相連接的口門區(qū)及連接段是船舶安全航行中最需關(guān)鍵的路段，引航道口門區(qū)水流條件的好壞直接影響到船舶航行的安全。但上下游引航道、連接段和口門區(qū)軸線與河道主流間總存在一定的夾角α，使得引航道內(nèi)水流流向與船舶的行進方向不一致，若夾角α較大，則作用于船舶側(cè)面的橫向流速就相應(yīng)較大，對行船安全造成威脅。

航道與河流間的隔堤裹頭處是動水與靜水的交匯點，靜水區(qū)水位局部壅高，在隔堤裹頭下游的動水區(qū)則產(chǎn)生跌流漩渦，由此而產(chǎn)生的斜向流速對行船安全造成不利影響。如果隔堤設(shè)置不合理，河道水流對航道內(nèi)流態(tài)的不利影響將更為顯著，航道內(nèi)的橫流、回流和隔堤裹頭處的斜向流速將對通過的船只造成巨大威脅。

當(dāng)前，國內(nèi)改善上游口門區(qū)水流條件的措施主要有優(yōu)化隔堤裹頭型式、隔流堤長度優(yōu)化、堤身開孔引流、丁潛壩挑流、導(dǎo)流墻外擴開孔、設(shè)置導(dǎo)流墩等；國外改善上游口門區(qū)水流條件的措施主要有隔流堤堤頭和堤身開孔、設(shè)置丁潛壩等。

本文結(jié)合固鎮(zhèn)復(fù)線船閘實際情況，對隔堤裹頭型式和隔流堤長度進行綜合考慮，詳細研究了引航道口門區(qū)平面布置對引航道內(nèi)流態(tài)的影響。

三、各方案比較研究

因上游引航道受京滬鐵路澮河大橋的制約，引航道口門區(qū)及連接段的中心線與河流主流流向之間的夾角較大且不能改變，故研究側(cè)重于對隔堤裹頭型式和隔流堤長度進行研究，同時進行了口門區(qū)右側(cè)擴大開挖范圍的效果分析。本研究共進行了四個方案的比較分析。

方案一：上游引航道為與京滬鐵路澮河大橋航道相接，在澮河大橋下游157.9m處和上游引航道正常段間設(shè)半徑為320m、轉(zhuǎn)角為109°的彎道。并在右岸灘地開挖出長250m、寬40m的停泊區(qū)，停泊區(qū)右岸坡度為1∶2；引航道左側(cè)為1∶4的邊坡與河道右岸灘地相接，堤頂裹頭位于0-780處，堤頂高程加高至18.20m，0-780以上為灘地原地形與引航道邊坡順接。

方案二：將上游引航道左側(cè)隔堤堤頂裹頭（高程為18.20m）由0-780上移20m至0-800處，0-800~0-920段隔堤為高程17.0m的平臺，0-920~0-960段隔堤為一坡度約為1∶8的斜坡與航道底相接。為使停泊區(qū)與河道的連接更為平順，水流進入口門區(qū)時的斷面流速分布更為均勻，上游引航道右岸0-1120~0-1000段進行了切灘，最大切灘寬度約為20m，其余同方案一。

方案三：上游引航道左側(cè)隔堤布置同方案二，上游引航道右側(cè)布置同方案一。

方案四：上游引航道左側(cè)隔堤堤頂裹頭（高程為18.20m）下移至0-750處，0-750~0-860段隔堤為高程17.0m的平臺，0-860~0-880段隔堤為一坡度約為1∶4的斜坡與航道底相接。上游引航道右側(cè)布置同方案一。

為研究不同水位下引航道口門區(qū)的流態(tài)及流速分布，分別采用最高通航水位、排澇水位、正常蓄水位和最低通航水位對各方案進行了實驗研究比較。實驗發(fā)現(xiàn)，因京滬鐵路澮河大橋至航道口門區(qū)河段右岸灘地較寬（約160m），且高程較高（16.0m~18.2m），該段主流位于河道左側(cè)，有利于航道口門區(qū)的通航，降低了引航道軸線與河道主流間夾角較大的不利影響。在固鎮(zhèn)節(jié)制閘的調(diào)節(jié)下，低水位時，口門區(qū)流速較小，滿足規(guī)范要求；高水位時，右岸灘地的過流有利于口門區(qū)流速的減小。因此上游航道口門區(qū)的整體水流條件較好。

表1 各方案航道口門區(qū)最大橫向流速

各工況下，各方案上游口門區(qū)的流態(tài)無本質(zhì)區(qū)別，除方案一中0-900斷面的個別點橫向流速超出規(guī)范要求外，其余三個方案主要控制斷面的橫向流速和回流流速均在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)。各方案上游引航道口門區(qū)各斷面的橫向流速見表1。

從表1可以看出，方案一上游口門區(qū)的最大橫向流速達0.39m/s，超過了規(guī)范要求的0.30m/s，其余各處水流條件滿足通航要求。

方案二通過在航道右側(cè)擴大開挖范圍，使河道主流略微右移，增大引航道側(cè)河道的過流能力，使水流流速在0-1100和0-1000斷面的分布更為均勻；通過抬高隔堤前端的高程，使航道內(nèi)水流與河道水流的分流點適當(dāng)向上游推移。實驗表明，本方案能使各主要斷面的流速流態(tài)滿足規(guī)范要求。但航道內(nèi)水流與河道水流的分流點向上游推移后，使得分流處更靠近水流主流，分流處的橫向流速分量加大。另外，加高隔堤裹頭處高程對河道行洪也不利。

方案三表明航道右側(cè)開挖并不能減小0-900斷面處水流流向與航道中心線間的夾角，無益于減小該斷面航道口門區(qū)的橫向流速，卻增大了工程的開挖量。

方案四綜合了以上3個方案中各項措施的優(yōu)點，將航道左側(cè)隔堤下移，使航道內(nèi)水流與河道水流的分流點遠離水流主流，在裹頭前設(shè)一高程為17.0m的平臺，減小高水位下裹頭處斜向水流與航道中心線的夾角。該方案較好地滿足了規(guī)范對引航道口門區(qū)流速流態(tài)的要求。本方案雖略微增加了工程開挖方量，但也減小了筑堤的長度，不僅通過遠離水流主流、增加過流面積解決了0-900處的橫向流速超標(biāo)的問題，也改善了該處河道的行洪條件，避免了方案二在隔堤裹頭前增加隔堤高程可能對河道行洪造成的不利影響。

本研究通過在隔堤裹頭前設(shè)一長為110m、高程為17.0m的平臺，有效協(xié)調(diào)了口門處低水位和高水位下對隔堤長度及裹頭型式的要求。低水位時，口門處水流流速較小，隔堤適當(dāng)前移不會增大堤頭處的斜向流速，但能進一步改善引航道內(nèi)的流態(tài)；高水位時，平臺為潛壩，能讓一部分水流通過平臺表面，減小斜向流速與引航道中心線間的夾角，同時也能控制水流表面流速的橫向分量不超過規(guī)范要求。

四、結(jié)語

固鎮(zhèn)閘上游口門區(qū)航道與河道主流在0-1000附近開始分離，航道內(nèi)開始有橫流及回流。為減小引航道隔堤裹頭處的橫向流速分量，本研究分別采取了均勻口門區(qū)進口流速分布、優(yōu)化隔堤長度和裹頭型式等措施進行比較。研究表明，均勻口門區(qū)進口流速分布無益于航道口門區(qū)橫向流速分量的降低，卻增大了工程開挖量；增加隔堤長度使動、靜水分流處更接近于水流主流，增大了裹頭處各工況下的橫向流速分量；減小隔堤長度能較全面地解決引航道口門區(qū)橫向流速分量超標(biāo)、河道行洪、工程開挖量間的矛盾；在隔堤裹頭前設(shè)一高程為17.0m的平臺能有效協(xié)調(diào)低水位和高水位下對隔堤長度及裹頭型式的要求

安徽省水利水資源重點試驗室·安徽省水利科學(xué)研究院233000 安徽省蚌埠市港航管理局233000）

（專欄編輯：周 權(quán)）