融江麻石船閘改擴建工程下引航道通航水流條件模型試驗*

陳 明，段黎明,王多銀,吳 信,麥建清,陳明棟,黃海津

(1.重慶交通大學，水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;2.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530000)

為加快西江黃金水道發展，根據《廣西壯族自治區人民政府關于印發廣西西江水運建設和管理體制改革實施方案的通知》，其總投資近2億元，開工建設西南水運出海通道中線起步工程廣西段。該工程自紅水河曹渡河口—橋鞏樞紐航道總長450 km，按Ⅳ級航道標準建設，設計代表船型為500噸級貨船，全線按一類航標配布。隨著船舶的大型化發展，麻石已建船閘無法適應未來航運發展要求，需要建設新的通航建筑物作為過壩設施，結合現場實際和河勢等因素，有必要在舊船閘同一側擴建新船閘。同時研究船閘上、下游引航道口門區水流條件能否滿足通航安全非常必要。眾所周知，船閘引航道口門區水流條件是影響船舶安全進出閘的關鍵。融江麻石改擴建工程所處河段較為順直，但其規劃航線偏向河心，加之河床左高右低，下泄洪水和電站出流斜沖引航道口門區，流態較為復雜。目前改善口門區水流條件的措施主要有兩類：1)修筑建筑物，如導流墩[1]、隔流堤[2-5]、導航墻[6-7]等；2)優化疏浚，如調整河流與主航道線夾角、清淤、浚深和優化導航建筑物尺寸、拓寬航道等。由于麻石樞紐右岸連接高山，開挖疏浚困難，故需要尋求一種有效解決復雜水流的導航建筑物。透空式隔流堤[8-10]是常用于改善口門區斜向水流的導航建筑物，并具有引流和阻擋表流的特性，即引進穩定水流抵消部分回流，削弱開孔部位表流動蕩，對改善斜流和回流較大及振蕩性水流的效果較為明顯。

因此，本文依托麻石樞紐船閘改擴建工程，采用1:100整體水工模型，著重分析透空式隔流堤改善下引航道口門區通航水流條件的效果。

1 工程概況

麻石已建船閘為單級船閘[11]，所處河段原航道等級為Ⅶ級，按通行60 t機動駁船或2個20 m×6 m(長×寬)的過壩木排尺寸設計，船閘等級為Ⅵ級，布置在電站右岸，舊船閘閘室有效尺度為40.5 m×8.0 m×1.1 m(長×寬×檻上水深，下同)。整個船閘由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首及下游引航道組成，全長212.4 m。麻石船閘設計年貨運量6.0萬t，其中上行3.7萬t。

融江麻石船閘改擴建標準為：通航500噸級船舶(兼顧1 000噸級單船)。新船閘仍布置在樞紐右岸，與壩軸線呈85°夾角，平面位置右移約50 m。推薦方案閘室有效尺度由原來的40.5 m×8.0 m×1.1 m增大為130 m×23 m×4.5 m。上、下游引航道采用不對稱布置，設計寬度為55 m。引航道長度設計為：上游導航調順段長150 m，停泊段長130 m，口門區長300 m；下游引航道導航調順段長150 m，停泊段長130 m，口門區長320 m。上游錨泊地距離上游引航道口門區約570 m，下游錨泊地距離下游引航道口門區約800 m。新建船閘投入使用后舊船閘停止使用。下游總體布置見圖1。

圖1 原設計方案的總體布置

2 模型設計

樞紐整體水工物理模型比尺為1:100，為正態模型[12]。河道模型的制作以斷面板法為主，同時輔以等高線法相配合。在模型平面上用三角網進行控制，高程由水準儀進行測定。制模過程中嚴格控制精度，確保模型平面誤差小于5 mm，高程誤差小于1 mm，且不存在系統誤差，從而保證了模型與原型達到幾何相似的要求(圖2)，達到了JTS/T 231-4—2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》規定的幾何相似精度控制指標。流速由重慶西南水運工程科學研究所研制的HD-4B電腦測速儀進行觀測。模型上游進口選取在大浪鄉衛生所附近，距壩軸線長約3.05 km，下游出口選取焦花塘渡口附近，距壩軸線長約1.85 km，模擬原型河道長度約為5 km，在上、下游引航道制動段和口門區各布置了10個統計斷面(XSC1～10)，見圖3。由于實測資料匱乏，模型針對典型枯水流量(Q=560 m3/s)下沿程水位和沿程主流流速進行驗證，見圖4。結果表明，僅下游存在一個測點水位誤差相對較大，原因為該點距泄洪閘出口較近，出流十分紊亂，水面波動較大所致，其余各測點水尺水位與原型水位的誤差均在±0.1 m允許范圍內，滿足規范要求，即模型達到了阻力相似要求；斷面流速分布趨勢與原型基本一致，差值基本控制在10%以內，即模型達到了水流運動相似要求。模型試驗放水條件見表1。

圖2 水工模型

圖3 方案布置

表1 麻石樞紐水工模型試驗放水條件

圖4 Q=560 m3/s時水面線及流速驗證

3 試驗成果分析

3.1 原設計方案

下游引航道原設計方案布置有導航墻、靠船墩和導流墩，頂高程均為129.3 m，航道底高程107.5 m。引航道導航調順段長150 m，停泊段長130 m、寬50 m。其中共設置7個靠船墩和8個導流墩，其連線總長121 m，導流墩縱軸與導航墻中心線呈15°夾角，彎曲半徑400 m。

根據表1的工況，試驗觀測了出庫流量Q≤13 800 m3/s時，各級流量情況下的船閘下引航道流速分布，結果表明：Q=720 m3/s時口門區橫向流速0.77 m/s，已超過規范規定的0.3 m/s的標準，同時口門區及制動段內出現大面積回流，最大回流流速0.47 m/s，超過規范規定的0.4 m/s的標準；尤其是Q=2 500 m3/s時，受河勢影響，船閘下游引航道形成振蕩性回流，口門區縱向流速范圍為0.24 ～2.25 m/s(規范規定的限值為2.0 m/s)，制動段縱向流速范圍為0.24 ～1.10 m/s，均不滿足規范要求；當Q≥7 540 m3/s時，口門區及制動段縱、橫向流速均超過規范要求，口門區最大縱向流速為2.86 m/s，最大橫向流速為0.77 m/s，制動段最大縱向流速為1.30 m/s，最大橫向流速為0.67 m/s，口門區及制動段靠右岸側還存在大面積回流，口門區最大回流流速為0.70 m/s，均超過規范要求。限于篇幅，本文重點給出典型流量Q=7 540 m3/s時原設計方案流場見圖5。

圖5 Q=7 540 m3/s時原設計方案流場(單位：m/s)

出現上述不良水流現象，其原因在于：1)引航道彎曲半徑較小，從而引航道中心線與主流交角較大。同時，導流墩擺向迎向河心，盡管彎曲半徑較小，挑流能力依然較差，且使得引入引航道的流量增大，容易造成流速超標。2)獨立導流墩對表流削弱能力弱，在引航道內易形成振蕩性水流。

3.2 優化方案1

針對原設計方案存在橫、縱向流速過大，導流墩改善斜流不佳等問題。優化方案1將下游引航道導流墩更換為透空式隔流堤，其布置長度為120 m，中心連線曲率半徑為940 m。過流孔寬12 m、高8 m、孔間距20 m。同時，下游引航道寬度由50 m調整為55 m，航道中心線整體偏向右岸。方案布置見圖3，剖面見圖6。

圖6 優化方案1的1-1剖面(單位：m)

當720 m3/s≤Q≤7 540 m3/s時，各流量下口門區縱向流速均滿足要求，其中最大縱向流速為1.45 m/s。但口門區均出現大面積回流，通航條件較差，最大回流流速為0.77 m/s，超過規范要求，見圖7。其中，Q=2 500 m3/s時，研究發現泄洪閘開孔數小于9孔時，水流條件不滿足通航要求；開孔數達到9孔后，基本滿足通航要求。當Q=13 800 m3/s時，流速分布均勻，主流方向基本沿航道走向發展，各項水流指標均滿足規范要求。

圖7 Q=7 540 m3/s時優化方案1流場(單位:m/s)

相比原設計方案，優化方案1通航水流條件有所改善，口門區內縱向流速明顯變小，振蕩性水流問題消失，但受地形條件的限制，當上游來流量Q< 13 800 m3/s時，口門區均存在大面積回流，不滿足通航要求。導致水流條件改善不佳的主要原因在于隔流堤曲率半徑調整過大，從而未能達到較好的引流和挑流效果。

3.3 優化方案2

針對優化方案1存在回流過大的問題，優化方案2將航道寬度改回50 m。下游隔流堤仍采用透空形式，隔流堤平面布置與優化方案1不同的是，隔流堤長度為126 m，其曲率半徑縮小為500 m。其中過流孔高8 m、寬13 m、孔間距21 m。方案布置見圖3，2-2剖面見圖8。

圖8 優化方案2的2-2剖面(單位：m)

試驗結果表明，Q≤13 800 m3/s時除極個別點流速出現超標外，基本滿足船舶通行要求，回流現象基本消除，如圖9所示。其中，Q=2 500 m3/s時，流態與優化方案1相似，隨著泄洪閘開孔數增加逐漸變好，開孔數達到9孔后，滿足通航要求。由此說明，曲率半徑由優化方案1的940 m改變至500 m，孔寬和孔高分別取13和8 m后，制動段和口門區流態得到進一步改善，引流和挑流效果比較理想。

圖9 Q=7 540 m3/s時優化方案2流場(單位：m/s)

3.4 優化方案3

鑒于優化方案2的過流孔高達8 m，會對船行安全造成一定影響，本文對優化方案2進行了補充試驗，即優化方案3。將過流孔高度由8 m降低為4 m，孔頂高程由115.5 m降低為111.5 m，其他結構尺寸均未改變，見圖10。

圖10 優化方案3的2-2剖面(單位：m)

優化方案3條件下，下游引航道在Q≤13 800 m3/s和開孔數在9孔及以上時基本滿足通航要求。與優化方案2相比，優化方案3回流現象較為明顯，通航水流條件不如優化方案2，如圖11所示。原因在于：降低過流孔高度后，進入引航道的水體量減少，從而未能充分發揮縱向水流對回流形成的削弱作用。

綜合比較各優化方案，優化方案3的過流孔高度減小至4 m后，造成引流能力減弱，容易在口門區形成回流區域，其水流條件不如優化方案2。但總體而言，優化方案2和3的水流條件均優于優化方案1，且基本滿足Q≤13 800 m3/s條件下的通航要求。因此，為保障船舶安全進出閘，建議至少應按優化方案3進行設計。

圖11 Q=7 540 m3/s時優化方案3流場(單位：m/s)

4 結論

1)鑒于麻石船閘改擴建工程下引航道的原設計方案水流條件較差的情況，通過1:100整體水工模型試驗研究，采用系列工程措施進行優化，推薦采用透空隔流堤形式，隔流堤長度126 m，曲率半徑500 m，過流孔高至少4 m、孔寬13 m、孔間距21 m。

2)根據本文系列優化試驗成果，研究發現采用透空隔流堤形式時，同步優化隔流堤彎曲半徑，能有效改善引航道制動段和口門區的斜流、振蕩性水流和回流等水力學問題，該優化思路可為類似工程提供技術參考。

3)本階段尚未進行閘門不同開啟方式和不同運行水位組合的系列試驗，建議下階段進行更深入的研究，同時可開展下引航道三維水流分布研究，以進一步保障本工程建設方案的合理性和試驗成果的豐富性。