山區河勢受限段改建船閘上游通航條件試驗研究

張愛平，普曉剛，王 能，金 輝

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，長沙 410008； 2.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)

隨著我國經濟的快速發展以及全國內河高等級航道網的實施與推進，國內眾多已建樞紐船閘面臨著通過能力嚴重不足或與規劃航道等級不符的現實，轉而成為實際上的礙航建筑物，船閘礙航問題日益凸顯。為了滿足內河運量的增加，國內眾多通航河流上已建樞紐的改擴建船閘以及礙航樞紐復航的工程逐漸開展且日益增多。

1 研究背景

船閘改擴建工程所面臨的是通航船舶幾何尺度增大，通航保證率的提升，進而對通航條件的要求更高。受已建樞紐建筑物、壩區河勢及兩岸征地拆遷等條件限制，改擴建船閘布置難度較大，相應通航水流條件較差。研究人員針對不同的改擴建工程存在的問題，采用整體物理模型或數學模型開展了方案論證與優化研究，并取得了一定的成果，如：針對飛來峽水利樞紐新建二線、三線船閘布置方案，采用整體定床物理模型開展了引航道平面布置優化、導航墻優化等措施研究[1]；針對大源渡航電樞紐擴建二線船閘存在的影響船舶(隊)安全通航問題，采用整體水工模型試驗，利用疏挖下游河道一定區域并結合布置導流工程的措施進行改善，從而使口門區表面流速符合規范要求[2]；富春江船閘擴建改造工程從改造庫區引航道的可行性出發，采用二維水動力模型分析浮式導航設施對富春江船閘庫區引航道通航安全的影響[3]。本研究依托沅水洪江樞紐改建船閘工程，針對其特殊的山區河流上游岸線受制約段的問題，采用1:80正態整體水工模型和遙控自航船模試驗相結合的手段，開展了通航條件試驗研究，提出通過延長上游導流堤、調整透空堤范圍、調整航線等改善措施，較好地解決了改建船閘通航問題，可為同類項目提供借鑒參考。

2 依托工程概況

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區境內的沅水干流上，是沅水梯級開發的第8級電站。工程以發電為主，兼顧航運、灌溉等綜合效益。壩址以上控制流域面積35 500 km2，多年平均流量705 m3/s。水庫總庫容3.2億m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，調節庫容0.75億m3，屬周調節水庫。樞紐于1998年3月正式開工，2003年12月全部6臺機組投產發電，滿發流量為1 470 m3/s。洪江樞紐現有300 t級船閘位于右岸側，為一線二級船閘。

圖1 洪江樞紐改建船閘工程平面布置Fig.1 Plane layout of ship lock reconstruction project of Hongjiang junction

按照相關規劃，擬將洪江樞紐船閘改建提升至Ⅳ級。由于已建洪江樞紐位于單一微彎的河道，兩岸山體雄厚，空間狹窄，左岸建有電站，中間9孔泄水閘，右岸一線二級船閘，無建設二線船閘的空間位置，新建船閘只能布置在右岸現有船閘處。為盡量減少原船閘的拆除和船閘改建對原壩體結構影響，擬利用原上閘首及一閘室作為改建船閘的導航明渠段，拆除原中閘首、二閘室、下閘首和部分下游導航墻(圖1)。新建船閘設計最大過閘船型為500 t級貨船(67.5 m×10.8 m×1.6 m，船長×型寬×設計水深)，設計最大水頭為27.0 m，采用單線單級船閘，設計單向年過壩運量為540萬t。船閘有效尺度采用215 m×(12～23)m×4.0 m(長×寬×門檻水深)。船舶進、出閘方式采用曲線進閘、直線出閘方式。

3 模型試驗簡介

3.1 模型設計與驗證

依據試驗研究內容及要求，綜合工程壩區河段河道特征，物理模型試驗研究范圍為洪江樞紐壩上1.9 km至壩下3.5 km，模擬河段長度約5.4 km，河段寬度約500 m。為保證模型的水流運動相似和船模航行相似，整體模型為定床正態，幾何比尺選用1∶80，按重力相似準則進行模型設計(同時兼顧到船模的相似性要求)。

模型制作完成后，依據壩區河段洪、中、枯共三次實測水面線和典型斷面流速流量資料，進行了驗證試驗。經驗證，模型左、右岸水面線與天然水面線基本吻合，模型與原型達到了阻力相似，斷面流速分布趨勢與原型基本一致，模型的水流運動與原型相似，驗證結果滿足《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》等技術規范要求。

3.2 通航條件要求

表1 模型試驗水文參數Tab.1 Hydrological parameters of model test

模型試驗的水文參數如表1所列。根據設計論證，改建船閘需滿足的最大通航流量為2 a一遇的洪水，相應流量7 820 m3/s。按照《船閘總體設計規范》(JTJ305-2001)要求，口門區長度為2.0～2.5倍船長，洪江樞紐船閘設計通航500 t級船舶，代表船型船長為67.5 m，因此船閘上游引航道口門區及連接段布置為：導流堤堤頭至堤頭以上200 m為口門區，連接段為導流堤堤頭外200～600 m范圍內航道。

口門區通航水流標準：引航道口門區表面流速：縱向流速不大于2 m/s，橫向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。口門區與主航道之間的連接段水流條件，參照口門區通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優劣。

船舶進出口門區航行標準：船舶或船隊在口門區航行時，為保證安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角應不大于20°，航行漂角應不大于10°。船模在航道航行時，上行的難易程度以對岸航速不得小于4 km/h來判定。

4 原設計方案通航水流條件

為保證洪江樞紐泄洪時新建船閘上游引航道內水流平穩，在原180 m長直立式實體導航墻基礎上，向上游布置長158 m的底部透空式隔流堤，堤頂、底高程別為191.5 m、181.5 m，底部為自然河床，底高程介于165.0～180.0 m，航道底寬為50 m。該方案改建船閘布置特點為，船閘位于左凹右凸微彎河段的右岸側，船閘軸線與壩軸線基本垂直，愈向上游延伸，航道愈伸向河心，且航線與河勢夾角愈大；同時受上游右岸凸嘴臺地限制，為確保航道內水流平順，上游靠右側航道與口門區通過圓弧段相連。

設計方案各級流量下船閘上游引航道口門區及連接段最大橫向流速沿程變化見圖2。可看出，各級流量下樞紐上游在190.0 m正常蓄水位時，上游庫區河道內水流平緩，河道內水流流速隨流量增加而增加，Q≤3 820 m3/s時，船閘上游引航道口門區及連接段水流較小，橫向流速均在0.3 m/s以內，通航水流條件較優。Q=7 820 m3/s時，上游庫區河道內流速增至1.5 m/s左右，受堤頭上游400 m附近右岸側存在一凸嘴臺地挑流影響，堤頭上游150～400 m口門區及連接段航道內左向水流與航線夾角偏大，一般在22°左右，致使航道內橫向流速偏大(圖3)，航中線左側航道內橫線流速大多在0.3 m/s以上，最大為0.44 m/s，通航水流條件不滿足要求。

圖2 船閘上游航道最大橫向流速變化Fig.2 Variation of the maximum lateral velocity in the upper channel of the lock圖3 設計方案樞紐上游流場及航道內流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel (Q=7 820 m3/s)

5 修改方案

5.1 修改方案布置

一般而言，船閘引航道口門區通航條件改善的途徑可分為工程措施和非工程措施兩個方面，但無論哪一種措施，都必須研究分析口門區不利流態的成因，最后針對不同成因采取相應的有效措施[4-8]。對本工程設計方案存在的問題分析認為，主要受船閘平面布置及上游河道邊界影響所致。受兩岸山體限制，洪江樞紐新建船閘只能在已建船閘基礎上進行改建，已建船閘布置于微彎河段的凸岸側，船閘軸線與壩軸線基本垂直，口門區及連接段航道需順右岸微彎河勢布置與上游主河道相連，而受上游右岸凸嘴臺地限制及挑流影響，航道內左向橫流偏大，影響船舶安全進出船閘。

船閘軸線位置無法改變，上游右岸凸嘴臺地高程較高，且建有企業及民宅，拆遷和切除凸嘴難度較大。因此，改善通航條件措施主要從調整上游航線和口門區導流建筑物兩方面開展。其一，盡量利用右岸側水域，將船閘上游航線在設計方案的基礎上逆時針向右岸側偏轉2.2°，以減小航道軸線與水流流向夾角，同時對右岸側航道內局部河床高程開挖至180.0 m；其二，通過多組次試驗觀測，結合導墻附近天然地形，將上游透空隔流堤延長75 m，并將設計方案的靠近已建導航墻段100 m透空隔流堤改為實體隔流堤，即上游引航道導航墻長280 m，透空式隔流堤長133 m，以減少口門區及連接段航道范圍內的分流量，相應減小航道內水流流速。修改方案平面布置見圖4。

圖4 修改方案平面布置Fig.4 Modified plan layout

5.2 修改方案通航條件試驗

修改方案通航水流條件試驗成果表明：

當Q≤3 820 m3/s時，泄水閘與電站聯合調度，船閘上游引航道口門區及連接段水流流速均在0.7 m/s以內，橫向流速均在0.3 m/s以內，通航水流條件較優。

Q=7 820 m3/s時，通過航線向右岸偏移和導航墻上延及透空堤透空范圍的調整，船閘上游口門區及連接段通航條件得到有效改善(圖5)。口門區航道內最大橫向流速為0.3 m/s,較設計方案減小0.06 m/s，最大縱向流速為1.03 m/s，通航水流條件滿足規范要求。連接段航道內水流與航線偏角減至19°左右，較工程前減少約3°；連接段右側航道內橫流均在0.3 m/s以內，左側航道內最大橫流為0.35 m/s，較工程前減少0.09 m/s。

圖5 修改方案樞紐上游流場及航道內流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.5 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel under modified scheme (Q=7 820 m3/s)

船模航行試驗成果表明：當流量Q≤7820 m3/s時，船閘上游航道內通航條件較好，船舶能夠安全經過口門區及連接段航道進出船閘。Q=7 820 m3/s時，船模以3.0 m/s航速下行通過連接段航道時，船模航行過程中漂角最大為-8.85°,調整航態所需最大舵角為10.34°。在距上游口門約100 m處，受堤頭附近左向斜流影響，最大漂角為-4.85°。船模以3.0 m/s航速上行時，行至距口門約100 m處時，在該段航道內橫流作用下，船模向右漂移，漂角最大為7.55°；航行過程中，船模最大需操10.88°舵角抵御左向橫流；船模進入連接段航道后，最大需操-14.71°舵角調整航態，航行過程中漂角最大為7.69°。

6 結語

(1)研究采用整體正態定床物理模型與遙控自航船模試驗相結合的方法，對山區河勢受限段改建船閘典型案例之一的沅水洪江樞紐改建工程船閘上游通航條件存在問題及影響因素進行了分析，提出了工程優化措施和調整航線輔助措施，較好地解決了工程技術問題，可為同類項目提供借鑒參考。

(2)山區河流受地形地貌限制改建船閘引航道口門區及連接段處于彎道凸岸側彎時，通航水流條件不同于順直河段，彎曲航道縱向水流流向與航線存有差異，流向與航線軌跡難于一致，總是存在某種夾角；當船舶在彎道上航行時存在一個艏向角，船舶重心位于航線上，船頭位于航線的內側或外側，相反，船尾位于航線的外側或內側；船舶航行受彎道水流與航線夾角和船舶軸線與航線夾角的雙重作用，船舶操舵較順直河段困難。

(3)考慮到船閘引航道口門區及連接段處于彎道凸岸側通航水流條件的復雜性，彎道段航線布置時應盡量順應彎道水流流向，以減少彎道水流對通航水流條件的影響；同時可以考慮設置一定長度的底部透空式隔流堤，適當引導調順水流，以減弱口門區邊界條件收縮或擴大而形成水流的斜向效應，達到改善通航水流條件。