船閘口門(mén)區(qū)及連接段水流條件研究

蒙秋狄

受樞紐、船閘布置及樞紐區(qū)河勢(shì)地形等條件的影響，船閘工程上下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件為非恒定流，流態(tài)復(fù)雜，表現(xiàn)為斜向水流和大面積的回流，對(duì)船舶通航安全影響很大。文章結(jié)合紅花二線船閘樞紐整體物理模型試驗(yàn)成果，分析船閘口門(mén)區(qū)和連接段航道通航水流條件和影響因素，提出改善通航水流條件的措施，并驗(yàn)證了采取措施后的通航水流條件，為類似樞紐工程提供技術(shù)支撐。

樞紐;船閘口門(mén)區(qū);連接段;水流條件;整體物理模型試驗(yàn);應(yīng)對(duì)措施

0?引言

船閘口門(mén)區(qū)及連接段的水流條件是影響船舶航行安全的主導(dǎo)因素。在通航河道上建造水利樞紐設(shè)施后，由于水壩的擋水功能在滿足擋水和泄洪功能的同時(shí)，在船閘上下游口門(mén)區(qū)產(chǎn)生斜向水流，使航行船舶（隊(duì)）產(chǎn)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控，以致發(fā)生海事事故，影響通航。因此，針對(duì)船閘口門(mén)區(qū)的水流條件研究非常必要。本文基于柳江紅花二線船閘整體模型試驗(yàn)研究成果，分析各種工況條件下一、二線船閘引航道、口門(mén)區(qū)的通航水流條件和影響因素，驗(yàn)證總體布置方案的合理性并提出改善措施，也為類似樞紐船閘工程布置和選址提供技術(shù)支撐，具有重要的工程實(shí)際意義。

物理模型試驗(yàn)就是仿照原體實(shí)物，按照相似準(zhǔn)則將原型縮制成模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，用模型重演與原體相似的自然情況進(jìn)行觀測(cè)和分析研究，然后按照一定的相似準(zhǔn)則引伸到原型，從而作出判斷。物理模型試驗(yàn)因其直觀性和準(zhǔn)確性而被廣泛應(yīng)用。

1?工程概況

柳江紅花水利樞紐二線船閘工程是在已建紅花水利樞紐及一線船閘基礎(chǔ)上的擴(kuò)建工程，二線船閘設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，通航2 000 t級(jí)船隊(duì)并兼顧滿足3 000 t級(jí)單船通航。上游引航道總長(zhǎng)約1 031 m，下游引航道總長(zhǎng)約1 314 m。設(shè)計(jì)最大年通過(guò)能力：?jiǎn)蜗? 860萬(wàn)t，雙向5 504萬(wàn)t。設(shè)計(jì)代表船型采用2 000 t級(jí)貨船、2×2 000 t級(jí)頂推船隊(duì)、2 000 t級(jí)多用途集裝箱船、3 000 t級(jí)船舶（兼顧船型）。

船閘平面布置見(jiàn)下頁(yè)圖1、圖2。

2?模型試驗(yàn)研究

2.1?模型比尺及模擬范圍

綜合考慮工程河段、河床、河勢(shì)條件以及通航流量、試驗(yàn)場(chǎng)地等因素，考慮模型Re要求，整體模型設(shè)計(jì)為正態(tài)模型，幾何比尺為1：100。相應(yīng)各物理量比尺見(jiàn)表1。

模擬范圍：樞紐上游約3.4 km河段（苦練渡口附近），模型下游模擬至樞紐以下約2.8 km。

模型航道流速測(cè)點(diǎn)布置原則為：沿縱向間隔50 m、沿橫向間隔12 m布置測(cè)點(diǎn)。

2.2?試驗(yàn)工況

根據(jù)紅花樞紐調(diào)度原則，設(shè)計(jì)通航流量及紅花樞紐水文條件，擬定試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

3?試驗(yàn)成果分析

3.1?現(xiàn)狀布置一線船閘上下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件分析

現(xiàn)狀布置條件下，在來(lái)流≤4 800 m3/s條件下，由于來(lái)流量相對(duì)較小，上游庫(kù)區(qū)水位較高（正常蓄水位77.50 m），上游來(lái)流流速較小，水流相對(duì)平順，僅在局部岸側(cè)地形突出部位形成小的回流區(qū)，在彎道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速接近1.10 m/s，各工況條件下上引航道連接段及口門(mén)區(qū)水流條件均能夠滿足船舶航行安全要求。

而下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流流態(tài)部分工況下不能滿足船舶航行安全要求，電站滿發(fā)流量下，下游水位較低（63.59 m），下引航道隔流潛堤露出水面，電站下泄水流直沖左岸下引航道口門(mén)區(qū)，并在口門(mén)區(qū)一定范圍內(nèi)形成回流，但由于總流量不大，主流流速相對(duì)較低，回流強(qiáng)度與范圍較小，最大回流流速為0.30 m/s;在Q=4 800 m3/s工況下，泄水閘等開(kāi)度開(kāi)啟相應(yīng)出流較為均勻;而發(fā)電且僅開(kāi)啟Ⅰ區(qū)泄水閘工況下，出流較為集中且直沖對(duì)岸，主流流速明顯較大，下游通航水流條件要稍劣于均勻開(kāi)啟工況，但總體而言，上下游口門(mén)區(qū)通航水流條件是基本能夠滿足要求的。

而在一線船閘設(shè)計(jì)最大通航流量下，Q=14 100 m3/s，約是Q=4 800 m3/s的3倍，樞紐運(yùn)行為敞泄方式，上游庫(kù)區(qū)水深相對(duì)降低約20%，彎道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速達(dá)3.50 m/s，航道中心線上最大縱向流速達(dá)3.30 m/s。雖然上引航道口門(mén)區(qū)水流條件基本能滿足要求，但此連接段上水流流速已大于通常船舶10 km/h的航速，船舶的舵效作用差，操控難度較大。

3.2?二線船閘上下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件分析

二線船閘上游引航道口門(mén)區(qū)在Q≤4 800 m3/s工況條件下，庫(kù)區(qū)水位較洪水期高，來(lái)流流速較低，上引航道口門(mén)區(qū)水流條件滿足要求，口門(mén)區(qū)上游樁號(hào)-1-700 m～-1-850 m之間橫向流速>0.3 m/s，最大為0.38 m/s。二線船閘下引航道口區(qū)是較強(qiáng)的回流，在Q=4 800 m3/s（電廠運(yùn)行，開(kāi)啟右Ⅰ區(qū)8孔閘）工況下，最大回流流速達(dá)到0.70 m/s。下引航道口門(mén)區(qū)水流條件受樞紐運(yùn)行調(diào)度方式影響較大，較為均勻泄流的工況要優(yōu)于集中泄流工況。

在Q=14 100 m3/s工況下，樞紐開(kāi)閘泄水，庫(kù)區(qū)水位低而上游的來(lái)流量大，上游流速較高，加之受工程上游90°轉(zhuǎn)彎段環(huán)流及彎道下游凸嘴河勢(shì)的雙重作用，口門(mén)區(qū)上游約200 m范圍內(nèi)縱橫向流速均較大，最大縱向流速>3.0 m/s，最大橫向流速達(dá)1.0 m/s以上，水流條件難以滿足通航要求。

在Q=18 400 m3/s流量工況下，上下游水流條件進(jìn)一步惡化，最大縱向流速達(dá)3.70 m/s，最大橫向流速為1.24 m/s。下游口門(mén)區(qū)最大回流流速為0.70 m/s，口門(mén)區(qū)下游200 m最大回流達(dá)1.25 m/s。

3.3?存在的問(wèn)題與影響因素[1-3]

根據(jù)試驗(yàn)研究成果，二線船閘通航水流主要存在的問(wèn)題和影響因素如下：

（1）紅花樞紐上游段受整體河勢(shì)及局部岸線地形影響，有兩個(gè)接近90°角的連續(xù)轉(zhuǎn)彎段，使彎道下游回流區(qū)形成了一個(gè)40 m的深潭，水流流態(tài)極為復(fù)雜。在二線船閘布置方案中，上口門(mén)距離上游航線彎道末端約800 m，僅為船隊(duì)長(zhǎng)度的4倍左右，口門(mén)區(qū)存在較大的橫流，難以保證過(guò)閘船舶安全。

（2）受河道過(guò)水?dāng)嗝嬷萍s，大洪水條件下，來(lái)流流速較大，這一主要影響因素在短距離內(nèi)是難以通過(guò)局部的工程措施來(lái)從根本上改善和解決的。

（3）二線船閘上游引航道口門(mén)距離上游航線轉(zhuǎn)彎段末端800 m左右（僅相當(dāng)于4倍船隊(duì)長(zhǎng)度），在大流量、大流速條件下船舶舵效差、操控反應(yīng)時(shí)間短，操作稍有不慎，進(jìn)閘船舶就會(huì)錯(cuò)過(guò)口門(mén)而引發(fā)海事事故。

（4）上引航道長(zhǎng)度達(dá)1.3 km，船閘充泄水過(guò)程中的非恒定水流條件亦會(huì)對(duì)引航道水流條件造成不利影響。

（5）小洪水條件下樞紐運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)下游引航道口門(mén)區(qū)的影響作用明顯，而適當(dāng)合理的運(yùn)行方式可以改善下游引航道口門(mén)區(qū)的水流條件。

（6）下引航道一二線船閘間隔流堤較短，易導(dǎo)致二線船閘口門(mén)區(qū)的大范圍回流，宜考慮適當(dāng)延長(zhǎng)下引航道隔流堤長(zhǎng)度。

3.4?應(yīng)對(duì)措施與思路分析[4-8]

（1）在整體河勢(shì)無(wú)法改變的條件下，嘗試在上游口門(mén)區(qū)設(shè)置導(dǎo)流順壩，減弱彎道下游凸嘴的挑流作用，降低回流強(qiáng)度。

（2）利用工程挖方棄渣對(duì)局部深潭進(jìn)行回填，以削弱嚴(yán)重的泡漩等惡劣流態(tài)。

（3）在口門(mén)距離上游航線轉(zhuǎn)彎段末端距離較短的情況下，適當(dāng)考慮加長(zhǎng)上引航道一二線船閘間隔堤長(zhǎng)度，使口門(mén)區(qū)后移，增加船舶操控反應(yīng)時(shí)間，也避開(kāi)嚴(yán)重的回流、泡漩區(qū)。

（4）在來(lái)流縱向流速偏大的條件下，難以采取措施有效降低縱向流速，且柳江屬于山區(qū)性河流，洪水歷時(shí)較短，宜適當(dāng)采取保證通航時(shí)間的措施來(lái)降低最大通航流量。

（5）應(yīng)通過(guò)調(diào)整樞紐調(diào)度運(yùn)行方式來(lái)改善下引航道水流條件。

（6）考慮通過(guò)加長(zhǎng)一、二線船閘之間隔流堤長(zhǎng)度，從而減弱下引航道口門(mén)區(qū)的回流和橫流強(qiáng)度，改善通航水流條件。

3.5?調(diào)整方案試驗(yàn)成果

在對(duì)紅花樞紐二線船閘布置調(diào)整優(yōu)化后，在Q=8 800 m3/s流量以下，一、二線船閘上下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件能夠滿足要求。在Q=11 100 m3/s和Q=14 100 m3/s流量下，上下游引航道口門(mén)區(qū)基本能夠滿足要求，僅口門(mén)區(qū)外圍局部測(cè)點(diǎn)回流流速>0.4 m/s，個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速>0.3 m/s。

總體上講，紅花樞紐二線船閘受上游彎段地形影響，水流條件較差。通過(guò)采取局部措施后，流量<14 100 m3/s時(shí)，二線船閘口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件基本可以滿足要求，流量>14 100 m3/s時(shí)水流條件較差。從船舶航行安全角度考慮，建議二線船閘通航流量≤14 100 m3/s。

4?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究成果表明，影響紅花二線船閘通航水流條件的主要因素為整體河勢(shì)及局部岸線地形，尤其是樞紐上游緊鄰兩個(gè)接近90°角的連續(xù)轉(zhuǎn)彎段，使得船舶從上游彎段下行進(jìn)入口門(mén)區(qū)的操縱難度異常大，影響船舶航行安全，且由于涉及開(kāi)挖量非常大，難以通過(guò)工程措施改善水流條件。這些制約因素使得紅花二線船閘只能通過(guò)降低通航標(biāo)準(zhǔn)以滿足通航水流要求，在一定程度上影響了船閘通航能力。因此，建議樞紐工程在選址時(shí)，應(yīng)考慮近遠(yuǎn)期通航建筑物布置的影響，盡可能選擇在相對(duì)順直、整體河床河勢(shì)穩(wěn)定、水流流速流態(tài)良好的航段，避免由于地形影響限制通航，實(shí)現(xiàn)水利樞紐工程發(fā)電、通航效益最大化。

影響船閘通航水流條件的因素很多，由于時(shí)間倉(cāng)促和作者能力有限，本文只通過(guò)整體物理模型進(jìn)行模擬分析，考慮的周邊條件與實(shí)際可能存在偏差，需要更細(xì)致地研究模型周邊條件對(duì)通航水流的影響。

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