贛江井岡山航電樞紐船閘下游口門區及連接段通航水流條件試驗研究

余 凱， 馬 駿， 王志鵬

(1. 江西省港航管理局吉安分局， 江西 吉安343000；2. 江西省港航建設投資集團有限公司， 江西 南昌330008)

引航道口門區位于動靜水交界水域， 常形成斜向水流、 泡漩水等不良流態， 對進出船閘引航道口門區船舶產生斜流效應[1]， 引起船舶發生橫漂和艏揺， 影響通航安全和通航效率。 近年來， 隨著贛江高等級航道開發建設， 在寬淺河道上陸續建成低水頭航電樞紐， 由于河槽寬淺、 沙洲灘地存在， 造成引航道口門區通航水流條件更加復雜。

江西贛江井岡山航電樞紐為低水頭航電樞紐，壩址所在河道寬淺， 樞紐水庫基本利用原河床槽蓄， 總庫容較小。 樞紐布置見圖1， 從左岸至右岸依次為: 左岸土石壩、 船閘、 左區8 孔泄水閘、泄水閘導墻、 右區15 孔泄水閘、 廠閘導墻、 電站廠房、 安裝場、 魚道、 右岸土石壩， 壩軸線總長1 070.3 m。 船閘位于河床左側， 船閘軸線與壩軸線正交， 船閘級別為Ⅲ級， 有效尺度為180 m×23 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)， 采用曲線進閘、直線出閘的過閘方式。 船閘下游導堤左側為小港溪改道排水渠， 排水渠右側在天然地形上回填土石堤， 將小港溪與下游引航道隔開。 受左區8 孔泄水閘下游左側灘地疏挖及小港溪排水渠土石堤影響， 下游引航道口門區存在較明顯的橫流和較大回流區域， 通航條件亟待優化。 因此， 對下游引航道的通航水流條件進行模型試驗研究， 利用工程措施改善船閘下游口門區通航水流條件， 以滿足船閘安全通航要求， 同時為類似工程提供參考。

圖1 井岡山航電樞紐總體布置

1 模型設計與驗證

井岡山航電樞紐水工整體定床模型幾何比尺為1∶100， 模擬范圍包括壩址上游2.0 km 至下游3.5 km 范圍內的河道地形及樞紐建筑物， 模型總占地范圍為15 m×70 m(寬×長)。 模型天然河床地形根據2016 年實測的地形資料模擬， 依據水文推算的天然河道水位流量關系資料進行模型河道糙率校正， 校正后同級流量下模型河道水面高程與水文推算值誤差均在0.1 m 以內， 模型與原型的相似性較好， 滿足相關水工模型試驗規程要求。

船模試驗選取與水工整體模型相同的幾何比尺(λL=100)， 船型選用2×1 000 噸級分節駁船隊: 157 m×10.8 m×2 m(長×寬×吃水)。 因尚無本樞紐船隊實船操縱性能資料， 將船舶操縱性能進行負修正， 總操縱性能指數降低21%， 以確保通航安全。

2 通航水流條件模型試驗

2.1 設計方案試驗研究

2.1.1 船閘下引航道布置

下引航道設計航線與天然航線近似平行， 由690.1 m 的直線段， 接弧長79.7 m、 彎曲半徑800.0 m、 圓心角5.71°的圓弧段， 再接185.9 m的直線段組成， 總長1 158.7 m， 寬50 m。 口門區長320.0 m， 底寬60.0 m。 靠船建筑物布置在引航道右側， 共布置17 個靠船墩， 軸線間距20.0 m，長320.0 m。 船閘引航道與泄水閘之間采用鋼筋混凝土分水墻隔開。 平面布置見圖2。

圖2 下游引航道平面布置(單位: m)

2.1.2 模型試驗工況及通航水流條件標準

為了解設計方案船閘下游引航道口門區通航水流條件， 結合泄洪消能對下引航道水流影響，選取6 個特征通航流量進行試驗， 共計8 個試驗工況， 其中6 000、 8 000 m3∕s 進行泄洪閘敞泄及局部開啟兩種工況試驗， 試驗工況見表1。

表1 水流模型試驗工況

本工程航道等級為Ⅲ級， 根據GB 50139—2014《內河通航標準》[2]， 船閘引航道口門區水流表面最大流速限值為: 引航道口門區縱向流速vy≤2.0 m∕s； 橫向流速vx≤0.3 m∕s； 回流流速vh≤0.4 m∕s； 無其他影響船舶安全航行的泡漩水、亂流等不良流態。 引航道內調順段和導航段宜為靜水區， 制動段和停泊段表面流速限值: 縱向流速vy≤0.50 m∕s， 橫向流速vx≤0.15 m∕s。

2.1.3 模型試驗成果分析

設計方案下， 當Q=2 250 m3∕s 時， 口門區航線中心線右側25 m 水域水流夾角約15°， 橫向流速0.32～0.33 m∕s， 口門近岸側為260 m 長回流區域， 最大為-0.42 m∕s。 連接段航道流速逐步增大， 水流流向與航跡線基本一致， 滿足通航要求；當Q=4 000 m3∕s 時， 右區單號孔均勻控泄， 引航道口門區流速較6 臺滿發Q=2 250 m3∕s 時有所減小， 口門區水流條件滿足規范要求， 引航道最大橫向流速為0.38 m∕s， 位于土石堤下游引航道近岸側。 當Q=6 000 m3∕s 控泄時， 口門區近土石堤側為回流， 最大為-0.43 m∕s， 連接段水流向左偏向較大， 口門區末端至土石堤下游50 m 內多個測點橫向流速超標， 最大橫向流速為0.54 m∕s。 當Q=6 000 m3∕s 敞泄時， 水流與航跡線夾角小于10°， 引航道口門區水流條件可滿足通航要求； 當Q=8 000 m3∕s 控泄時， 除口門區末端至土石堤下游50 m 內多個測點橫向流速超標， 其余區域滿足通航要求； 當Q=8 000 m3∕s 敞泄時， 口門區末端至下游200 m 航線上橫向流速輕微超標， 基本滿足通航要求。 在Q=11 800 m3∕s(保證率P=20%)敞泄條件下， 口門區水流向下游逐步向左側擴展，航道中心線附近橫向流速略微超標， 近岸靠土石堤側為回流區， 最大為-0.77 m∕s。 連接段航道右側多個測點橫向流速輕微超標， 僅有左側40 m 寬航道基本滿足通航要求。 在Q=14 100 m3∕s(P=10%)敞泄條件下(圖3)， 口門中間個別測點橫向流速略微超標， 最大為0.41 m∕s， 近岸靠土石堤側回流最大值為-0.48 m∕s。 連接段航道右側流速水流表面流速超2.00 m∕s， 最大為2.84 m∕s。 航道左側水流向左側偏向較大， 左側較大區域橫向流速超標， 最大為0.51 m∕s， 引航道水流條件難以滿足通航要求。 綜上分析， 須對原設計方案下游引航道布置進行優化。

圖3 Q=14 100 m3∕s 敞泄下游引航道流速(單位: m/s)

2.2 優化方案1

2.2.1 方案布置

結合設計方案試驗成果分析， 由于設計方案隔流墻較長， 口門區末端位于土石堤頭， 水流出隔流墻向口門區內擴散后左偏向堤頭， 引起水流夾角較大， 造成口門區橫流及回流流速超標。 同時在大流量級泄洪閘敞泄條件下， 引航道口門區右邊緣區域縱向流速過大情況。 鑒于此， 首先考慮縮短隔流墻， 則口門區向上移動至土石堤頭上游， 擬定了隔流墻縮短300、 450 m 兩個方案， 對應隔流墻縮短距船閘下閘首分別為854、 704 m。

2.2.2 模型試驗結果分析

選 取Q= 2 250、 4 000、 8 000、 11 800、14 100 m3∕s進行試驗觀測， 結果見表2。 分析可知， 由于隔流墻縮短， 口門區上移， 口門區水域水流表面流速較原設計方案有所減小， 縮短450 m方案減幅較大。 但在機組滿發和右區泄洪閘控泄條件下， 引航道口門區受電站來水及右區泄水和左區8 孔泄洪閘下游灘地影響明顯， 口門區反而出現大面積回流且回流較大超過規范要求， 回流最大值達0.64 m∕s， 縮短300 m 方案回流區長度約為縮短450 m 方案的2∕3， 回流超標值較縮短450 m方案小。 因水流流速小于2.0 m∕s， 橫向流速超標較少。 在機組不運行、 敞泄條件下， 左區泄洪閘開啟， 上述影響減弱， 水流更加平順與航跡線夾角較小， 縮短隔流墻方案橫向流速減小明顯，在Q=14 100 m3∕s 時， 僅有少量測點橫向流速超標，最大值為0.34 m∕s。 縮短隔流墻方案回流較設計方案有所減小， 在縮短300 m 方案下回流輕微超標0.03 m∕s， 回流長度約為縮短450 m 方案的3∕4。 綜上可見， 縮短300 m 方案優于縮短450 m 方案。

表2 隔流墻縮短前后口門區水流表面流速變化

2.3 優化方案2

2.3.1 方案布置

由優化方案1 試驗成果可知， 雖然縮短了隔流墻長度， 口門區水流條件得到一定改善， 但受下泄尾水及地形影響， 口門區仍存在大范圍回流區， 口門區右側邊緣縱向流速仍較強勁， 口門區的通航水流條件未得到根本改善。 參照類似工程經驗， 采取工程措施進一步減小口門區斜流、 削弱回流強度[3-5]。 在縮短隔流墻方案基礎上增設透水墻， 提出優化方案2， 即: 隔流墻縮短至船閘下閘首下游560 m之后， 向右偏轉2°設置長260 m 透水墻， 透水墻兩個墩軸線間距為20 m， 透水孔長17 m、 高1.5 m， 孔底高程60 m。 透水墻平立面布置見圖4，優化方案2 平面布置見圖5。

圖4 引航道口門區設置透水墻布置(單位: m)

圖5 引航道口門區設置透水墻布置(單位: m)

2.3.2 模型試驗結果分析

試驗觀測結果表明， 由于隔流墻開孔， 部分表層水流進入引航道口門區內， 有效地壓縮了口門區回流。 同時， 由于隔流墻由順直型改為頭部外挑，減小了水流斜穿口門區角度， 使得在增設透水墻方案條件下， 下游引航道口門區回流區段縮短至約120 m 范圍內， 自透水段100 m 處起， 引航道內水流與航跡線基本一致， 且流速比單純縮短隔流墻方案減小明顯。 在Q=14 100、 11 800 m3∕s 敞泄條件下， 除透水墻段最大回流分別為0.48、 0.43 m∕s，略微超標。 其他區域水流條件均滿足通航要求。 在其他更小流量工況條件下， 透水墻段及引航道口門區最大回流及最大橫向流速均較未超標。

3 船模航行試驗

為進一步研究船閘引航道的通航水流條件，在優化方案2 定床模型試驗成果的基礎上， 選取Q=2 250、 1 534+103(3 臺機組+小港溪)、 5 500、8 000、 11 800、 14 100 m3∕s 通航特征流量進行船模航行試驗。 根據葛洲壩、 三峽等樞紐的試驗成果及國內學者研究經驗[6-8]， 參照《三峽船舶航行標準》， 本次試驗船模進出口門航行標準為: 上水航行對岸瞬時航速vL≥0.5 m∕s， 平均航速vLp≥1.0 m∕s； 舵角δ≤25°； 漂角β≤10°； 船隊與河岸最小安全距離B=10.8 m。 各通航流量級船模試驗主要航行參數見表3。

表3 各通航流量級船模試驗主要航行參數

上述試驗結果表明， 各級工況條件下， 船隊進出下游引航道口門， 上、 下行航行指標均滿足船隊安全進、 出口門區的航行標準， 航行姿態較好， 優化方案2 滿足船舶的通航要求。 從各級工況最大舵角分析可知， 船隊上行難度大于下行，主要由于船隊上行是從引航道較寬水域操舵平衡斜流效應進入較窄口門區水域， 并操舵轉彎進入停泊段。

4 結論

1)井岡山航電樞紐原設計方案下游引航道布置隔流墻較長， 口門區末端位于岸側小港溪土石堤頭， 口門區大范圍回流超標， 大流量級下橫向流速超標， 表面水流強勁， 水流條件不滿足通航要求。

2)僅通過縮短隔流墻， 口門區橫向流速及縱向流速雖得到有效減小， 但存在較大范圍強勁回流區。 縮短隔流墻至船閘下閘首560 m 后輔以增設260 m 透水式隔流墻， 并透水段向河心側外挑，壓縮回流區域， 解決了口門區回流較大的問題，改善口門區通航水流條件， 可保證較寬水域滿足船舶安全通航要求。

3)在優化方案2 條件下， 船隊進出下游引航道口門航行參數指標均滿足航行標準， 引航道口門區通航水流條件滿足船舶安全通航要求。