山秀船閘擴能工程上游引航道口門區方案優化研究

王建平，邢方亮，陳奕芬，楊志偉

(1.珠江水利科學研究院，廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室，廣州 510611)

船閘是供船舶通過水利樞紐的通航建筑物，是樞紐各水工建筑物中最易因平面布置不當而出現問題的部分。船閘的平面布置問題一直是樞紐平面布置設計中的重點[1]。目前國內外通航樞紐建設多以單線船閘為主，特別是在山區河流，雙線船閘分布較少。隨著內河航運的發展，原有船閘的通過能力成為航線通過能力的瓶頸，船閘擴能的需求日益突出。擴能船閘的平面布置問題是船閘平面布置中技術最為復雜的，因為在已建樞紐上擴建，擴能船閘位置的選擇空間受到明顯限制，一般要劣于樞紐同期建設的船閘位置。長洲樞紐船閘擴能布置時，上游公路橋和鐵路橋的橋區航道是連接船閘引航道與上游航道的節點，上游口門區航道與大橋主通航孔呈45°夾角，并且通過“S”型反向彎道與上游主航道異岸銜接，航道連接段橫穿整個主流區[1]。貴港航運樞紐擴建二線船閘時發現[2]，當船閘上下游口門區位于彎道段且與樞紐水閘距離較近時，樞紐泄流對上下游口門區通航條件有較為明顯的影響。而布置西津樞紐擴建二線船閘時[3]，二線船閘上游引航道中線與河道主流之間有較大夾角，口門區存在較大范圍的回流和局部較強的斜向流。解決樞紐中通航建筑物平面布置問題的最有效手段是水工模型試驗。

1 山秀船閘擴能工程概況

左江是珠江流域西江水系的主要支流之一，國務院《關于珠江流域綜合規劃(2012～2030)的批復》(國函〔2013〕37號)將左江(龍州-宋村三江口)規劃為Ⅲ級航道。已建的山秀電站位于左江主干流下游河段，該工程以發電為主，同時兼顧航運和灌溉，于2007年建成投產，通航建筑物為單線單級船閘，船閘登記為Ⅴ級，設計代表船型為一頂2×300 t分節駁船隊及300 t級機動駁船，設計單向年通過能力僅為95萬t。為適應中遠期貨運量增長情況，滿足Ⅲ級航道的通航規模要求，擬對山秀船閘進行擴能升級，在現有船閘左側新建一座Ⅲ級二線船閘，上游引航道采用“直線進閘、曲線出閘”的布置方式，主導航墻和靠船墩布置于上游引航道左側，通航銜接段和導航調順段總長400 m，停泊段長300 m，共設15個靠船墩[4]。兩線船閘共用的上游引航道位于彎道河段凹岸下游，工程河段的河道比較狹窄，寬度僅約180 m，引航道寬度為60 m，上游左岸為地勢非常高的陡石山，且山上有“巖畫”文物，引航道布置不能通過擴挖山體向左側移動，由于引航道布置寬度達到了河道寬度的三分之一，故引航道口門區的大部分區域與河道主流區重疊，導致縱向流速比較大。上游引航道中心線與泄水閘主流方向存在10°夾角，口門區靠近泄水閘的水域受斜向水流影響，橫向流速較大，上游口門區方案布置見圖1。綜上，上游引航道口門區所處河段基礎條件很差，通航水流條件非常復雜，工程方案布置和優化受限制的條件較多，需開展物理模型試驗提出可行性強的工程措施，使擴能升級后的船閘上游引航道口門區的水流條件能夠滿足安全通航的要求。

圖1 山秀船閘擴能工程上游引航道口門區布置(設計方案)Fig.1 Layout of upstream approach channel entrance area of Shanxiu Ship Lock Expansion Project (design scheme)

2 模型設計與通航標準

2.1 模型設計與制作

模型比尺可同時滿足最小水深和雷諾數的要求，保證模擬的水流滿足表面張力限制條件并處于紊流區。

河道模型的地形制作，根據新測1:1 000地形資料采用斷面板法進行，通過調整水泥砂漿抹面的收光程度達到糙率相似。模型制作完成后進行河道地形復核和局部修正，使地形誤差不超過2 mm。物理驗證完成后，選取多組實測水文資料進行驗證，使模型與原型實現較好的相似性。

2.2 通航標準

根據《船閘總體設計規范》(JTJ305-2001)確定船閘級別為Ⅲ級，口門區長度取停泊段末端起210 m(約3倍單船長度)，口門區寬度60 m，等同于引航道口門的有效寬度。口門區范圍內的流速指標為：縱向流速不大于2.00 m/s，橫向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。停泊段縱向流速按小于等于0.50 m/s，橫向流速小于等于0.15 m/s控制；導航和調順段宜為靜水區。

2.3 樞紐布置與運行調度

山秀樞紐建筑物從左到右依次為左岸接頭重力壩、二線船閘、一線船閘、溢流壩、河床式廠房、右岸接頭重力壩、右岸接頭土壩等組成。壩頂高程為98.40 m，最大壩高40.50 m，壩軸線總長435.96 m。泄水建筑物由9孔溢流壩組成，采用弧形閘門和液壓啟閉機啟閉，閘門尺寸14 m×16.5 m(寬度×高度)，堰頂高程70.50 m，消能方式為底流消能。

當入庫流量Q>2 410 m3/s 時，需逐步開啟閘門泄洪，電站水位降到死水位86.00 m運行；當Q>5 000 m3/s時，為了減輕上游庫區淹沒損失，敞開全部閘門泄洪，基本上恢復到天然河道狀態，此時上游水位83.00 m為水庫最低運行水位。根據現狀實際運行管理情況，河道下泄流量不超過2 500 m3/s時一線船閘可正常通航。

3 試驗成果與分析

3.1 原設計方案試驗[5]

山秀樞紐所在河段為典型的彎曲河道，彎曲河道因為航道銜接的需要，船閘布置在左側凹岸的下游，船閘擴能時二線船閘與一線船閘并排布置，也位于左側凹岸的下游。彎曲河道的凹岸為河道主流區，相對于靠近凸岸的區域，主流區的流速會偏大。山秀樞紐所在河段也是典型的山區河道，河道斷面窄深，不存在臨岸的緩流區。故現狀河道地形與樞紐布置條件下，二線船閘引航道的通航水流條件比較差。

注：Q10%=8 790 m3/s，上游最高通航水位。圖2 上游引航道停泊段流態Fig.2 Flow pattern of upstream approach channel berth

10 a一遇、5 a一遇、3 a一遇、2 a一遇、上游最低通航水位的敞泄工況下，河道流量達到8 790 m3/s、7 440 m3/s、6 390 m3/s、5 380 m3/s和5 000 m3/s，選取0～460河道斷面計算斷面平均流速分別達到2.42 m/s、2.25 m/s、2.11 m/s、2.01 m/s和1.90 m/s(表1)。根據斷面流速水平分布規律，引航道(與主流區重疊)的水流速度比斷面平均流速偏大；根據垂線流速分布規律，影響通航的表層水流的流速值一般也大于垂向平均流速；故引航道口門區表層流速值會明顯超過河道的斷面平均流速值。上游最高通航水位對應的10 a一遇流量條件下，上游引航道停泊段流態見圖2，停泊段區域的示蹤粒子數量多，流跡線長，表明經過停泊段水域的水量多，流速快，其他工況上游引航道停泊段流態類似。模型實測上游引航道停泊段大部分區域的縱向流速都超過了2.00 m/s。

表1 上游河道平均流速計算成果(0-460斷面)Tab.1 Average flow velocity in upper reaches (0-460 Section)

河道下泄流量小于5 000 m3/s后閘門實施控泄，上游河道的流速分布隨著河道流量的減少和水位的抬高而降低，引航道停泊段的水流速度也隨之降低。0-775至0-550范圍相當于上游口門區，按表層流速縱向分量不大于2.00 m/s的要求，控泄工況下泄流量不能超過5 000 m3/s。0-550至0-250范圍為引航道停泊段，按表層流速縱向分量不大于0.50 m/s的要求，控泄工況下泄流量不能超過1 000 m3/s。

3.2 彎曲河段口門區水流分布規律及改善措施

船閘引航道口門區范圍的水流分布有以下特點：河道主流與航線存在的夾角會在口門區形成斜流，造成停泊段出現回流；受導墻的影響，口門區河段的過流斷面因束窄會形成口門區斜流和導墻頭部的局部繞流。受離心慣性力的作用，彎曲河段在斷面上呈現橫向環流特征，在河段上形成復雜的三維螺旋流態。三維螺旋流形態會隨河道流量的變化產生轉變，沿程頂沖河段凹岸并且頂沖點位置不恒定[6]。通航樞紐的船閘常布置在臨岸緩流區，緩流區的流速指標較易滿足通航要求，彎曲河道因為航道銜接的需要，船閘通常布置在凹岸的下游，在三維螺旋流的疊加效應影響下，口門區水流條件表現的更為復雜：(1)航道軸線與主流的夾角會隨同河道流量一起變化，口門區斜流的流向不恒定；(2)上游口門區因過流斷面突縮形成的斜流被橫向環流效應放大；(3)口門區附近水體呈現高度的三維水流特征，動水區與靜水區過渡段的壓力分布規律性不明顯，口門區形成復雜的三軸回流。

工程常用的船閘引航道口門區的通航水流條件改善措施有：連續性導墻、分散式導墻(墩)、浮式隔流堤、挑流丁壩或潛壩、拋填水下平臺、隔流堤體型優化、局部岸線開挖等。上述措施中多數在船閘引航道口門區通航水流條件整體較好的基礎上對其做進一步改善，通過“點”型工程措施做“量”的提高，以滿足安全通航的要求，改善范圍和改善程度都比較有限。如設置浮堤和隔流堤身開孔都能將引航道內的水體與主河道從底層連通，以削弱口門區的斜流和橫流；導流墩可將橫流區或斜流區打散分解成多個不連續的小區，縮短主動力作用長度、分散能量，有利于船舶的安全航行[7]。在水流條件較為復雜的山區彎曲河段，口門區的水流條件較為惡劣，需要轉變研究思路，從宏觀著手，發揮主動，以調整河勢為手段，把局部工程措施前置上移，形成線狀分散布置，削弱彎道螺旋流效應的不利影響，在口門區水域構建緩流區，結合局部措施針對性解決口門區通航水流問題，使引航道口門區的各流速分量指標滿足規范要求[8]。

3.3 方案優化

根據一線船閘實際運行管理情況，河道下泄流量不超過2 500 m3/s時一線船閘可正常通航。山秀船閘擴能后，一線、二線船閘共用上游引航道，鑒于河道本身天然通航水流的基礎條件較差，原址擴建又有諸多限制，且山區河流大洪水出現的時段很短，綜合工程效益、工程投資、施工難度等多方面因素，經多方協商，建議將山秀船閘擴能工程的通航標準調整為2 a一遇(5 380 m3/s)，后續試驗方案優化在該流量條件下進行。

二線船閘原設計方案的停泊段水域沒有導航建筑物防護，使得停泊段水域的流速指標成為整個上游引航道可通航流量的控制節點。方案1：在上游停泊段范圍沿引航道外邊線布置一道浮式隔流堤，浮堤截面為矩形(圖3)，寬度5.0 m，水上高度1.5 m，水下深度3.5 m。試驗表明，停泊段加設浮堤對上游河段口門區的水流條件改變不大，只對停泊段水域的表層水流有一定的阻擋作用，阻水效應沿程累積，越往下游越明顯，因整體河勢及引航道尺度沒有變化，上游引航道可通航流量提高有限。按表層流速縱向分量不大于0.50 m/s的要求，控泄工況下泄流量不能超過2 000 m3/s。試驗流態如圖4所示。

圖3 浮式隔流堤斷面布置 圖4 上游引航道口門區停泊段流態(方案1，Q=2 000 m3/s)Fig.3 Section layout of floating separation dike Fig.4 Flow pattern of berthing section in upstream approach channel entrance area (Scheme 1, Q=2 000 m3/s)

采用浮堤方案，不僅二線船閘通航保證率較低，而且一線船閘的通航保證率也受影響。為滿足上游引航道設計要求，在引航道尺度不變的前提下，必須對整體河勢做出較大調整，并且對停泊段防護到位，將口門區的水域改造為低流速區，停泊段由低流速區過渡為靜水區，這樣導航調順段的水流條件也能滿足。方案2布置見圖5，具體調整措施為：(1)在上游停泊段靠近河道側沿程布置導航墻，其中上游段150 m為底部透水式導航墻，沿引航道進入停泊段的水體經導墻底部透水孔流出，避免這部分水體頂沖擴散形成橫流或回流導致停泊段水域流速超標；其余導墻為實體導墻，與一線船閘原墩板式導航相接并將墩板式改造成不透水導墻，在實體導墻防護下，停泊段內流速才能降緩并過渡至導航調順段形成靜水區。(2)因引航道寬度達到了河寬的三分之一，引航道靠近河道側布置導航墻后河道過流寬度束窄較多，需將對岸進行擴挖，以降低對河道行洪的影響，同時提供河勢調整的空間。(3)從上游彎曲河道的末端，在航道范圍內沿程布置7道間距100 m的拋石潛壩，壩頂高程逐漸增加，可避免在潛壩頂部出現明顯集中的水面跌落，減少對船舶通行產生的不利影響。通過反復試驗，確定潛壩頂高程從最上游的72.00 m逐漸增加至最下游的75.00 m，河道主流在潛壩群沿程作用下逐漸被挑離左岸，趨于河道中間流動，使得上游引航道范圍的流速值沿程減小，最終在口門區營造出低流速區，且減少進入停泊段的水量和流速，可明顯改善停泊段的通航水流條件。

圖5 山秀船閘擴能工程上游引航道口門區布置(方案2)Fig.5 Layout of upstream approach channel entrance area of Shanxiu Ship Lock Expansion Project (Scheme 2)

方案2布置條件下，5 380 m3/s工況上游口門區及停泊段的流態見圖6，由示蹤粒子的分布和流跡線變化規律可知，上游來流在潛壩群沿程阻流作用下，主流逐漸趨于河道中部，上游引航道水流速度逐漸降低，進入停泊段水域時已接近靜水區，上游引航道口門區、停泊段的流速指標均能滿足規范要求，上游引航道的通航標準可提高至2 a一遇。方案2布置條件下，施放50 a一遇泄流規模洪水流量，上游300 m測得水位雍高0.05 m，上游1.5 km測點水位雍高0.02 m，通航整治工程措施對河道行洪影響較小。5 000 m3/s流量敞泄工況，對應上游最低通航水位； 5 000 m3/s流量控泄工況是泄水閘控泄的最大過流工況，和敞泄工況相比上游水位升高，上游潛壩群淹沒水深加大，潛壩群對河勢的調整效果可能發生變化；故上述兩工況均需要在方案2條件下驗證上游引航道的通航水流條件。試驗表明，這兩個典型工況上游引航道的水流條件與2 a一遇工況比較接近，均能滿足通航要求，航道流速分量見表2(靠近左岸的引航道邊線起為1號測點，靠近河道中心的引航道邊線上為7號測點，同一斷面各測點等間距布置)。小流量工況河道流速趨緩，通航條件易于滿足，不作贅述。

圖6 上游引航道口門區及停泊段流態(方案2， Q50%=5 380 m3/s)Fig.6 Flow pattern of upstream approach channel entrance and berth (Scheme 2, Q50%=5 380 m3/s)

表2 二線船閘上游引航道流速分量(方案2)Tab.2 Velocity component of upstream approach channel of the second line lock (Scheme 2)

4 結語

(1) 山秀船閘位于山區彎曲河道的凹岸下游狹窄河段，引航道口門區通航條件較為惡劣，只有下泄流量降至5 000 m3/s控泄工況才能達到通航要求，停泊段水域沒有導航建筑物防護，只有下泄流量降至1 000 m3/s后才能達到通航要求，停泊段水域的流速指標成為整個上游引航道可通航流量的控制節點。

(2) 在上游引航道停泊段河道一側布置浮式隔流堤，對引航道口門區的水流條件改變不大，只對停泊段水域的表層水流有一定的阻擋作用，阻水效應沿程累積，可通航流量提升至2 000 m3/s。

(3) 采用“對岸擴挖+潛壩群+透水導墻”的優化措施，通過調整上游河勢從而為下游河段的船閘口門區構建緩流水域，上游引航道口門區、停泊段的流速指標滿足規范要求，引航道的導航段和調順段趨于靜水區，可將船閘上游引航道的通航標準提高到2 a一遇，且工程措施對河道行洪影響較小。

(4) 本項研究從宏觀處著手，將“點”狀工程措施前置上移形成“線”型措施，通過調整河勢而解決引航道口門區的通航水流問題，為山區彎道河流船閘口門區通航水流條件優化提供了一個新的方向。