長洲樞紐三線四線船閘平面布置研究

劉俊濤，龐雪松，潘榮友

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456；2.天津大學 建工學院,天津300072；3.廣西壯族自治區港航管理局,南寧530012）

長洲樞紐位于西江干線，是西江干線最后一座樞紐，下距梧州12 km。長洲樞紐座落在西江干流潯江河段的長洲島上，壩軸線橫跨兩島三江，三江分別為內江、中江、外江，兩島為長洲島和泗化洲島［1］。長洲水利樞紐擋水建筑物總長3 000 m，壩頂高程34.6 m（56 黃海高程，下同），從左至右布置有：右岸接頭重力壩及土石壩、內江電站（6 臺機組）、內江泄水閘（12 孔）、長洲島土壩、中江泄水閘（15 孔）、泗化洲島土壩、魚道、外江電站（9 臺機組）、外江泄水閘（16 孔）、一線船閘（2 000 t 級）、兩孔沖沙閘、二線船閘（1 000 t 級）。一線船閘、二線船閘［1］閘室有效尺度分別為200 m×34 m×4.5 m（長度×寬度×門檻水深，下同）和185 m×23 m×3.5 m。兩線船閘設計單向年通過能力為4 012×104t。

擬建三線、四線船閘可供選擇位置有兩處，分別為長洲島右側和外江二線船閘右側，簡稱中江方案和外江方案。中江方案位于中江泄水閘左側；外江方案位于現有二線船閘右側臺地，由陸域開挖而成。擬建三線、四線船閘均按3 000 t 級船閘等級設計，閘室有效尺度為330 m×34 m×5.8 m，每級船閘單線設計通過能力為3 100×104t［2］。

為判別2 個方案的可行性及船閘平面布置的合理性，開展了定床整體水工物理模型試驗和遙控自航船模試驗。整體水工物理模型設計為正態定床，模型比尺為1:125，上游始于樞紐壩址上游7 000 m 處，下游至長洲島尾下游約1 000 m 處，模擬范圍全長17 km。遙控自航船模幾何比尺為1:125，代表船型為1+2×2 000 t級船隊和3 000 t 級貨船，船型尺度分別為182.0 m ×16.2 m ×2.6 m 和90.0 m ×16.2 m × 3.6 m［3］。

通過研究2 個方案的船閘上下游引航道口門區和連接段航道通航水流條件和船模航行條件，最終確定了三線、四線船閘合理可行的工程布置方案，為工程設計提供了科學依據。

1 河段概況

長洲水利樞紐所處河段共有三座島，三座島呈品字形分布，上游為思恩洲島，下游長洲島和泗化洲島分列左右兩側。思恩洲島位于樞紐上游2 000 m 處，將主河道分為左右兩汊，右汊為較寬，為主河道。長洲島居左，泗化洲島居右，將河道分為三汊，由左至右分別為內江、中江和外江。長洲島較大，泗化洲島較小，中江與外江泗化洲島尾匯合成為大外江，也稱龍圩水道［4］。工程河段河勢見圖1。

長洲水利樞紐上游建有2 座橋梁［5］，上游為潯江鐵路橋，距離長洲水利樞紐壩軸線約4 000 m，鐵路橋軸線位置河寬約950 m。鐵路橋設置了2 個相鄰的通航孔，跨徑為95 m，臨近右岸。

潯江鐵路橋下游1 000 m 建有潯江公路橋，公路橋橫跨思恩洲，軸線位置河寬約為1 350 m，較潯江鐵路橋跨度寬約400 m。公路橋設置2 個相鄰的通航孔，跨徑為135 m，臨近右岸。潯江公路橋與鐵路橋呈5°夾角，公路橋與鐵路橋通航孔連線與鐵路橋軸線法線方向呈14°夾角，與公路橋軸線法線呈9°夾角。

2 河段水流特性分析

長洲水利樞紐發電及泄洪基本按天然情況各江流量分配比進行調度，水庫運行方式在汛期和非汛期有所不同。中枯水流量高水位運行、中洪水流量低水位運行、大洪水流量敞泄運行。當流量Q＜10 000 m3/s 時，水庫維持較高的20.6 m 水位運行；當流量10 000 m3/s≤Q＜17 000 m3/s 時，水庫降低水位至18.6 m 運行；當流量Q≥17 000 m3/s 時，機組停發，水庫敞泄。

試驗研究結果顯示，當流量Q≤7 000 m3/s 時，樞紐運行在正常蓄水位，內、外江分流比受電站調度運行方式的影響非常明顯，此時中江不過流，受此影響，思恩洲左汊和長洲島頭汊道流量均有所增大。當流量7 000 m3/s＜Q≤17 000 m3/s 時，中江開始過流，中江分流比隨流量增大逐漸增大，內江和外江分流比均減小。當Q＞17 000 m3/s 時，樞紐敞泄，長洲島頭汊道分流比有所增大，內江分流比也隨之增大，中江分流比略有減小，其他汊道分流比變化不大。

2.1 樞紐上游水流特性分析

樞紐上游流速左右分布不均，鐵路橋軸線位置主流靠右，流速較大，左側流速較小，思恩洲左汊流速與右汊流速比約為1:2。樞紐上游流速沿程分布不均，石良塘口附近流速最大，長洲島和泗化洲島頭附近流速較小。樞紐上游流速隨著流量的增大而增大，長洲島頭的斜流強度隨著流量的增大而增大。

當樞紐在20.6 m 水位運行時，上游屬于庫區航道，水深條件很好，流速很小，橋區流速不超過0.65 m/s，長洲島頭附近流速不超過0.2 m/s。當樞紐運行在18.6 m 水位時，水深條件也較好，流速稍有增大，橋區附近流速不超過1.44 m/s，長洲島頭附近流速不超過0.9 m/s。當樞紐敞泄時，上游流速大幅增大，最大流速發生在40 700 m3/s 時，此時橋區流速最大達到2.66 m/s，長洲島島頭流速達到1.48 m/s。

2.2 樞紐下游水流特性分析

樞紐下游龍圩水道呈S 形，河道左側建有整治工程，受整治工程控導，枯水期主流靠右，過西江大橋后主流左偏貼岸，與內江主流匯合沿左岸而下。

當Q≤7 000 m3/s 時，中江不過流，外江水流沿泗化洲島右岸而下，并在島尾處向中江擴散，流速減小，流速分布在1.4～2.0 m/s，近壩段流速較大。此時泗化洲島右側的中江為死水區。

當7 000 m3/s＜Q≤17 000 m3/s 時，中江開始過流，中江與外江水流在泗化洲島尾處匯合，在島尾處形成緩流區，兩江水流順勢而下，在下游彎道段主流區靠近右側，壩下流速分布在1.1～1.9 m/s，近壩段流速較小，西江大橋河段流速最大。

當Q＞17 000 m3/s 時，樞紐敞泄，上、下游無明顯水位差，河道恢復到天然狀態，此時中江和外江水流在泗化洲島尾匯合，主流取直通過下游的逆時針彎道，匯合段水流流速隨流量的增大而增大，壩下流速分布在1.6～2.6 m/s，近壩段流速較小，西江大橋河段流速最大。

3 中江方案研究

3.1 中江方案工程布置

中江方案位于長洲島右緣，中江泄水閘左側，臨江而建。三線船閘居右，四線船閘居左，兩座船閘并排平行布置。三線四線船閘共用上下游引航道，上游引航道長715 m，寬145 m。口門位于長洲島右緣，右側設上導航墻，長712 m，上導航墻堤頭距樞紐637 m，距潯江公路橋主通航孔直線距離2 500 m。由于上游主航道位于河道右側，船閘上游口門區與主航道由一“S”型彎道相連，橫跨外江和中江。下游引航道長500 m，寬145 m，下導航墻長500 m，下導航墻堤頭距樞紐950 m。下游口門區通過開挖邊灘形成連接段航道，與右側主航道平順銜接。中江方案平面布置見圖1。

3.2 研究結果

（1）上游通航條件。

該方案共開展了9 組不同流量條件下的通航水流條件試驗，同時開展了4 組流量級的船模航行試驗。

船閘上游航道屬于庫區航道，可航水域寬闊。由于上游建有2 座大橋，大橋的主通航孔均設在右側，使得船閘上游口門區航道與主航道以“S”型彎道相連，公路大橋與鐵路大橋橋區航道和船閘口門區航道均屬于限制性航道，因此，在2 個限制性航道之間所需連接的航段可稱之為橋閘連接段航道，該航道可寬可窄，其航道邊線可根據實際航行軌跡來設置。

試驗結果顯示，三線四線船閘上游通航條件很差，主要原因即橋閘連接段航道通航條件不能滿足要求［6］。不論船模出閘進入橋區航道還是船模通過橋區航道進閘，均需通過橋閘連接段航道，也就是說船模是攜帶了橋閘連接段航道通航條件信息進出閘，所以，該連接段航道通航條件是制約三線四線船閘上游通航條件的關鍵。

李一兵等［7］通過研究認為，要滿足船舶安全航行的要求，同岸連接的連接段航道內水流條件應滿足：縱向流速≤2.5 m/s；橫向流速≤0.45 m/s。對于異岸連接的連接段來說，連接段與主流的交角應盡可能減小，并控制在20°以內。當主流流速為2.0 m/s 時，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級船閘的連接段與主流的交角不宜大于20°；當主流流速為2.5 m/s 時，Ⅲ、Ⅳ級船閘的連接段與主流的交角不宜大于15°，而Ⅴ級船閘的口門區與主航道應盡量布置在同一岸。

由于三線四線船閘上游口門區航道與公路橋主通航孔航線呈45°夾角，并且走向相反，致使連接段航道的航線呈“S”型彎道，受此影響，連接段航道橫向流速非常大，在7 000 m3/s 流量時橫向流速已達到0.60 m/s，在17 000 m3/s 流量時橫向最大流速已達到1.37 m/s，遠遠超出船舶航行要求。

上游口門區位于長洲島島頭，在中江和內江的分流口處，由于缺少掩護，致使上游口門區內靠近長洲島島頭附近橫流較大。由于Q思恩洲左＜Q內江，所以在長洲島頭附近必然存在斜向內江的水流，斜流流速隨著流量的增大而增大，斜流流向變化不大。當流量超過17 000 m3/s 時，上游口門區橫流超過《內河通航標準》［GB50139-2004］（以下簡稱《標準》）要求，并且隨著流量的增大而快速增大，在40 700 m3/s 流量條件下達到0.95 m/s。中江方案上游通航水流條件試驗結果見表1。

船模航行試驗研究結果顯示，在中水流量（17 000 m3/s）以上時，上游口門區及連接段航道通航條件已不能滿足設計要求。

（2）下游通航條件。

該方案共開展了9 組不同流量條件下的通航水流條件試驗，同時開展了3 組流量級的船模航行試驗。

表1 中江方案三線四線船閘上游通航條件研究結果匯總表Tab.1 Navigation flow condition in upstream channel of 3rd and 4th line ship locks of middle river plan

試驗研究結果顯示，在各級流量條件下，長州樞紐三線四線船閘下游口門區均完全位于回流區。當流量小于7 000 m3/s 時中江不過流，船閘下游口門以下1 000 m 范圍內基本為死水區。當流量大于7 000 m3/s 時中江過流，船閘下游回流區位于口門以下500 m 的范圍內，回流范圍隨中江流量的變化不大，下游口門區通航水流條件基本滿足《標準》要求。船閘下游連接段航道通航水流流速在2.0 m/s 以內，橫向流速不超過0.45 m/s，基本滿足設計要求。中江方案下游通航水流條件試驗結果見表2。

表2 中江方案三線四線船閘下游通航條件研究結果匯總表Tab.2 Navigation flow condition in downstream channel of 3rd and 4th line ship locks of middle river plan

船模試驗結果顯示，在各級流量條件下，下游通航條件均能夠滿足船模安全通過口門區及連接段航道進出三線四線船閘的要求。

4 外江方案研究

4.1 工程布置

三線四線船閘外江設計方案位于現有二線船閘右側臺地，兩線船閘平行并排布置，船閘軸線相距57 m。四條線船閘軸線走向平行，三線船閘軸線與二線船閘軸線相距130 m，中間由寬85 m 的土壩相隔，三線船閘上閘首位較二線船閘上閘首下移100 m（圖2）。三線四線船閘上引航道與主航道平順銜接，三線四線船閘上游口門與一線二線船閘上游口門基本持平，上引航道長700 m，寬153 m，底部高程為12.8 m；左側導航墻下距樞紐壩軸線600 m，上距公路大橋2 400 m。

4.2 研究結果

（1）上游通航條件。

該方案開展了10 級流量通航水流條件試驗、選用2 000 t 級船隊和3 000 t 級單船分別開展了8 組和4組流量級的船模航行試驗。

試驗研究結果顯示，三線、四線船閘的建設，除對一線、二線船閘口門區及連接段的局部水域外，對樞紐上游整體表面流速分布、斷面流速分布以及各汊道分流比沒有明顯影響。

受一線船閘左側導航墻的影響，三線、四線船閘上游口門區基本位于緩流區，最大流速為0.80 m/s，最大橫向流速為0.20 m/s，無回流，通航水流條件滿足《標準》要求；三線四線船閘上游口門區連接段航道內最大流速為1.01 m/s，最大橫向流速為0.25 m/s，無回流，通航水流條件滿足設計要求。船模航行試驗結果顯示船模能夠順利通過口門區和連接段進出三線四線船閘。外江方案上游通航水流條件試驗結果見表3。

表3 外江方案三線四線船閘上游通航條件研究結果匯總表Tab.3 Navigation flow condition in upstream channel of 3rd and 4th line ship locks of outer river plan

一線二線船閘上游口門區通航水流條件因三線四線船閘的建設略有變差，口門區橫向流速增大0.10 m/s，最大橫向流速為0.46 m/s，除個別點外基本滿足《標準》要求。

（2）下游通航條件研究。

該方案共開展了10 級流量通航水流條件試驗，選用2 000 t 級船隊和3 000 t 級單船分別開展了8 組和4 組流量級的船模航行試驗。研究結果顯示：

受一線船閘右側導航墻的掩護，在導航墻下游形成一順時針回流區，回流區范圍覆蓋一線二線船閘下游口門區的大部分和三線四線船閘下游引航道口門區的全部。在各級流量條件下，三線四線船閘下游口門區通航水流條件均能滿足《標準》要求。連接段流速分布在0.96～1.55 m/s，最大橫向流速分布在0.48～0.59 m/s，位于連接段末端，連接段通航水流條件稍差。

2 000 t 級船隊航行試驗結果顯示，船模在上行通過連接段時需操最大約18°的左舵，下行時在連接段操約12°的右舵便能順利通過連接段航區進入主航道。3 000 t 級單船航行試驗結果顯示，在各級流量條件下均能夠較為順利進出三線四線船閘下游口門區和連接段航區。

三線四線船閘的建設對一線二線船閘下游口門區通航水流條件無明顯影響，但對連接段航道存在不利影響。當Q≤5 000 m3/s 時，外江和中江泄水閘關閉，外江電站泄流，由于泗化洲島尾右緣建有高程約8.0 m 平臺，平臺擠壓主河道，洲尾河道左側地形較高，在地形和電站導水建筑的共同作用下，枯水期水流由左側斜向右側主航道，并且在距離一線船閘下游口門500～700 m 區域進入主航道，從而造成該區域水流橫向流速較大。

表4 外江方案三線四線船閘下游通航條件研究結果匯總表Tab.4 Navigation flow condition in downstream channel of 3rd and 4th line ship locks of outer river plan

5 結語

通過開展多組通航水流條件試驗和遙控自航船模試驗，對長洲樞紐三線、四線船閘布置位置進行了較為深入的研究，研究結果表明［8］：

（1）三線、四線船閘中江方案中，由于船閘上游口門區位于長洲島島頭，上游汊道和三江分流比的變化，使得長洲島頭一直存在斜向內江的橫向流速，該流速隨著流量的增大而增大。由于位于庫區，該橫向流速很難通過工程方案控制，船模航行試驗也揭示了船舶進出口門區較為困難，安全隱患極大。

（2）樞紐上游公路橋和鐵路橋通航孔位于河道右側，橋閘連接段航道非常彎曲，在中洪水流量條件下不能滿足三線四線船閘中江設計方案的通航要求。研究表明，中江方案不能與原航道平順的銜接，致使上游連接段航道扭曲，連接段航道內通航水流條件惡劣，船舶難于操控。

（3）中江方案下游口門區回流和橫流強度不大，船模進出口門區和連接段航道較為順利。根據長洲樞紐調度規則，中枯水流量條件以下中江不過流，隨著流量增大，中江過流，因此，泄水閘的開啟對于船閘下游連接段航道會產生一定的影響，但該問題可以通過延長導航墻的方法予以解決。

（4）外江方案試驗研究結果表明，三線、四線船閘上游口門區及連接段航道內通航水流條件均能滿足《標準》要求，對一線二線船閘上游口門區流速略有影響，但基本滿足設計要求。

（5）三線、四線船閘下游口門區和連接段航道內通航水流條件滿足《標準》要求，船模能夠較為順利進出航行；受三線四線船閘開挖影響，枯水期一線二線船閘下游連接段航道內橫向流速有所增大，試驗表明可通過延長導航墻或者增設導流墩予以解決。

（6）綜合長洲樞紐三線、四線中江方案和外江方案試驗結果，表明現狀條件下中江方案不成立，外江方案可行，優選外江右岸作為三線四線船閘平面布置位置。

［1］劉俊濤，黎國森.長洲水利樞紐三線四線船閘初步設計階段整體水工模型試驗研究報告［R］.天津:交通運輸部天津水運工程科學研究所，2009.

［2］劉俊濤，黎國森.長洲水利樞紐三線四線船閘工可階段整體水工模型試驗研究報告［R］.天津:交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［3］黎國森，劉俊濤.郁江口及羊欄灘匯流段船舶對會條件改善措施研究［J］.水道港口，2009，30（4）:119-122.LI G S，LIU J T. Research on improvement measures of ship encountering condition in Yujiang River estuary and confluence reach of Yanglantan［J］. Journal of Waterway and Harbor，2009，30（4）:119-122.

［4］唐存本，張思和.西江龍圩水道航道整治試驗分析研究一——龍圩水道河性分析［J］.水利水運科學研究，1987（2）:13-25.TANG C B，ZHANG S H. Experiment investigation of longxu waterway improvement on Xijiang river-An analysis of the characteristics of longxu waterway［J］. Hydro-science and engineering，1987（2）:13-25.

［5］龐雪松，潘榮友，廖鵬. 提高長洲樞紐現有船閘通過能力對策研究［J］. 水運工程，2011（4）:114-119.PANG X S，PAN R Y，LIAO P.On improvement of navigation lock capacity at Changzhou Complex［J］.Port&Waterway Engineering，2011（4）:114-119.

［6］覃業傳，劉俊濤. 長洲樞紐三線四線船閘上游航線選擇研究［J］.水道港口，2012，33（3）:224-230.QIN Y C，LIU J T. Study on route choice of the upstream of the third line and fourth line lock of ChangZhou Hydro-junction［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（3）:224-230.

［7］李一兵，江詩群，李富萍. 船閘引航道口門外連接段通航水流條件標準［J］.水道港口，2004，25（4）:179-184.LI Y B，JIANG S Q，LI F P. On Standard of flow conditions for navigation in transitional reach outside entrance［J］. Journal of Waterway and Harbor，2004，25（4）:179-184.

［8］劉俊濤，李少希，趙家強. 擴能船閘平面布置技術研究報告［R］. 天津:交通運輸部天津水運工程科學研究所，2011.