韓江南溪新建船閘通航水流條件試驗研究

李 艷，張緒進(jìn)，劉 洋，周 勤，張春澤

(1.重慶交通大學(xué)西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2.內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，重慶 400016；3.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016)

在通航河流上修建航電樞紐后，船閘上下游引航道、口門區(qū)及連接段是過閘船舶(隊)進(jìn)出引航道的咽喉。船閘口門區(qū)及連接段水流條件的好壞直接關(guān)系到船舶(隊)能否暢通過壩、安全運行，是樞紐平面布置的關(guān)鍵問題之一。韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級工程全長約171 km，其中按通航內(nèi)河1 000 t級船舶標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)南溪船閘是韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級工程的重要組成部分。為研究南溪新船閘的平面布置與通航水流條件問題，開展了整體定床物理模型試驗[1]，研究船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件，驗證確定新建船閘平面布置方案的可行性及改善通航水流條件的措施，并在此基礎(chǔ)上對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化試驗，提出滿足要求的船閘平面布置方案。

圖1 工程附近樞紐位置示意圖Fig.1 Sketch of the upstream and downstream hub on research river

1 工程概況

韓江南溪橋閘位于廣東省汕頭市澄海區(qū)南溪分流口附近，上距南溪與東溪分流口約0.4 km。現(xiàn)有南溪橋閘自1965年4月建成以來至今已運行約50 a，該閘于2012年被鑒定為四類險閘，須進(jìn)行重建。目前南溪船閘已不能正常通航。

工程位于韓江潮州供水樞紐下游河網(wǎng)區(qū)，東溪上游16.7 km有潮州東溪供水樞紐，東溪下游6.5 km有蓮陽樞紐，南溪下游10.3 km有東里橋閘，見圖1。目前，南溪橋閘尚無明確的調(diào)度規(guī)則，僅根據(jù)東溪和南溪實際水位情況進(jìn)行調(diào)度。非泄洪期間，按東里橋閘梯級的綜合利用需水量要求運行。洪水來臨時，在潮州供水樞紐及河口五閘供水體系聯(lián)合調(diào)度原則基礎(chǔ)上，為保證東里橋閘安全，南溪橋閘最大過閘流量應(yīng)控制在1 250 m3/s以內(nèi)。

為滿足韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級要求及符合南溪橋閘的實際情況，韓江新南溪船閘的總體設(shè)計思路是在拆除現(xiàn)有的老南溪橋閘基礎(chǔ)上，結(jié)合水利部門規(guī)劃的南溪橋閘重建工程，采取重建南溪橋閘(不含船閘部分)和新建南溪III級船閘方案，船閘布置于左岸，閘室有效尺度220 m×23 m×3.6 m，通行1 000 t級船舶，通航保證率98%。

2 模型設(shè)計

模型按重力相似和阻力相似的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。選用幾何比尺為1：80的正態(tài)模型。模擬河道范圍包括：東溪河段從南溪分流口以上約2.0 km開始至南溪分流口以下約2.3 km為止；南溪河段從南溪分流口開始至南溪老橋閘以下約2.4 km為止(南溪橋閘上距分流口約0.6 km)，模擬河道總長約7.4 km，見圖2。

圖2 模型試驗研究范圍Fig.2 Range of model experimental research

船模試驗代表船舶選用1 000 t級內(nèi)河貨船，試驗時首先按比尺要求(與水工模型比尺一致)制作船模后在試驗水池中進(jìn)行率定，后用遙控設(shè)備操縱船模在水工模型相應(yīng)航段航行。

根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ305-2001)[2]的規(guī)定，船閘上、下游引航道口門區(qū)水面最大縱向流速≤2.0 m/s、橫向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s；引航道導(dǎo)航和調(diào)順段內(nèi)應(yīng)為靜水區(qū)，制動段和停泊段的水面最大縱向流速≤0.5 m/s、橫向流速≤0.15 m/s；引航道、口門區(qū)宜避免出現(xiàn)如泡漩、亂流等不良流態(tài)。

3 原設(shè)計方案通航水流條件試驗

3.1 平面布置

圖3 南溪新建船閘設(shè)計方案平面布置Fig.3 Layout of design scheme

新建南溪船閘設(shè)計方案下游不占用基本農(nóng)田，船閘上、下閘首長均為38 m、寬均為47 m，船閘軸線與上游東溪及下游南溪河道斜交，交角分別為50°和48°。上引航道左側(cè)主導(dǎo)航墻采用兩段圓弧線，總長254 m。右側(cè)輔導(dǎo)航墻為直線導(dǎo)航墻，長67.5 m。上引航道口門寬58 m。靠船建筑物布置于上游岸邊，長220 m，共布置12個靠船墩，可雙列?？?艘1 000 t級船舶。下引航道左側(cè)主導(dǎo)航墻采用三段圓弧銜接的布置形式，總長408 m。右側(cè)輔導(dǎo)航墻為圓弧段，長165 m。下引航道口門寬51 m?？看挝挥谙乱降揽陂T下游約910 m，長220 m，共布置12個靠船墩，可雙列?？?艘1 000 t級船舶。設(shè)計方案平面布置見圖3。

3.2 通航水流條件分析

圖4 上引航道船舶進(jìn)閘情況(設(shè)計方案)Fig.4 Situation of ship lock in approach channel (design scheme)

根據(jù)試驗成果，當(dāng)東溪上游來流量為Q≤1 754 m3/s(P=90%)時，設(shè)計方案新建南溪船閘上引航道口門區(qū)的最大縱向流速為0.72 m/s，最大橫向流速為0.25 m/s，水流條件基本滿足規(guī)范要求；當(dāng)東溪上游來流量分別增大至Q=2 842 m3/s(P=50%)、4 094 m3/s(P=20%)和5712 m3/s(P=10%)，相應(yīng)的南溪橋閘出閘流量均為Q=200 m3/s，下游蓮陽橋閘閘前水位仍按防洪限制2.8 m控制運行時，實測口門區(qū)的最大縱向流速依次增加為1.03 m/s、1.32 m/s和1.56 m/s，最大橫向流速分別為0.40 m/s、0.55 m/s和0.65 m/s，橫向速度明顯超標(biāo)，超標(biāo)區(qū)域主要集中在口門區(qū)靠外一側(cè)。結(jié)合船模試驗，由于設(shè)計方案船閘軸線與上游河道交角大，上引航道長度短，進(jìn)閘船舶一直受到橫流下推的影響，船舶難于調(diào)整航向并產(chǎn)生橫漂，極易碰撞下游導(dǎo)墻，尤其是在船舶直接從上游河道進(jìn)閘的情況更是如此，見圖4。

根據(jù)南溪橋閘上、下游樞紐實際運行方式，在東溪上游來流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)等各級流量下，南溪橋閘下泄流量均為200 m3/s，下游東里橋閘均保持2.5 m水位運行。由于下泄流量小，南溪橋閘下游整個河段水流均很平緩，流速總體在0.4～0.6 m/s。實測新建南溪船閘下引航道口門區(qū)的最大縱向流速為0.45 m/s，最大橫向流速為0.18 m/s。新建南溪船閘下引航道口門區(qū)、連接段及停泊段的水流條件均滿足規(guī)范要求，滿足船舶安全進(jìn)出閘航行要求。

3.3 存在的問題

前述船閘設(shè)計方案新建南溪船閘是以不占用下游基本農(nóng)田為控制條件，結(jié)合南溪橋閘重建工程位置的調(diào)整與周邊環(huán)境條件布置而成。該方案船閘布置空間尤其是引航道布置受到很大的限制，船閘軸線與上、下游河道交角大，上引航道短；中大流量時上引航道口門區(qū)的橫向流速全面超標(biāo)，船舶幾乎無法正常進(jìn)入上引航道和船閘閘室。為保證南溪下游防洪排澇任務(wù)的完成，南溪橋閘實際運行下泄流量很小，最大下泄流流量僅200 m3/s，因此新南溪船閘下引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件總體較好?？偟膩砜?，新南溪船閘上游航道通航條件為控制條件。

4 修改方案通航水流條件試驗

4.1 修改方案平面布置

由于新南溪船閘平面布置考慮了南溪橋閘重建工程的實施，受周邊環(huán)境條件的影響，船閘布置空間十分有限。參考相關(guān)文獻(xiàn)并借鑒類似工程經(jīng)驗[3-7]，結(jié)合工程自身特點，本文主要從兩方面進(jìn)行優(yōu)化布置：(1)結(jié)合現(xiàn)場條件，在原設(shè)計方案基礎(chǔ)上，通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，從而有效改善船舶進(jìn)出閘條件；(2)考慮下引航道可少量占用基本農(nóng)田，將船閘位置整體向左岸岸坡適當(dāng)移動，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。在此基礎(chǔ)上，分別提出了修改方案一與方案二。

圖5 修改方案一平面布置Fig.5 Layout of revision plan 1

4.1.1 方案一平面布置

修改方案一是在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，閘室平面尺度由220 m×23 m調(diào)整為150 m×34 m，上、下游引航道均采用向兩側(cè)拓寬的布置方式，以改善上、下游引航道船舶進(jìn)出閘條件。其中，上引航道口門采用傾向上游的喇叭口形狀，左側(cè)主導(dǎo)航墻采用圓弧線與直線組成，總長542 m；右側(cè)輔導(dǎo)航墻(兼隔流堤)為圓弧，長84 m；上引航道口門寬70 m。而下引航道采用傾向下游的喇叭口形狀，左側(cè)主導(dǎo)航墻采用直線+兩段圓弧+直線組合而成，總長587 m；右側(cè)輔導(dǎo)航墻(兼隔流堤)為圓弧段，長128 m。下引航道口門寬56 m。修改方案一平面布置見圖5。

4.1.2 方案二平面布置

圖6 修改方案二平面布置Fig.6 Layout of revision plan 2

修改方案二是在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，考慮下引航道可少量占用下游基本農(nóng)田，將船閘整體向左岸適當(dāng)移動，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。該方案船閘軸線與上游河道主流交角約36°，閘室平面尺度為220 m×23 m。并通過調(diào)整上、下引航道導(dǎo)航墻線型，將上引航道進(jìn)口及下引航道出口分別調(diào)整為向上游、下游擴(kuò)展的喇叭口形狀，以改善船舶進(jìn)出閘條件。上引航道長97 m，下引航道長137 m，上、下引航道口門寬均為60 m。修改方案二平面布置見圖6。

4.2 修改方案模型試驗結(jié)果分析

4.2.1 方案一通航水流條件

修改方案一通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大了引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，有效改善了船舶進(jìn)出閘條件。結(jié)合水流條件及船模試驗，在東溪上游來流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)時，上引航道口門區(qū)最大縱向流速僅0.97 m/s，最大橫向流速僅0.32 m/s，口門區(qū)無回流；連接段的最大縱向流速為1.03 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s。上引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件基本能夠滿足船舶安全進(jìn)出閘要求；當(dāng)東溪上游來流量Q>2 842 m3/s以后，口門區(qū)外側(cè)橫向流速有所超標(biāo)，最大橫向流速達(dá)0.60 m/s，船舶無法安全進(jìn)出閘。由于南溪橋閘實際下泄流量小，實測在東溪上游來流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)、相應(yīng)的南溪橋閘出閘流量Q≤200 m3/s時，新南溪船閘下引航道口門區(qū)、連接段及停泊段的水流條件均滿足規(guī)范要求，滿足船舶安全航行要求。修改方案一上引航道口門區(qū)流速分布見圖7。

圖7 修改方案一上引航道口門區(qū)流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.7 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 1圖8 修改方案二上引航口門區(qū)道流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.8 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 2

4.2.2 方案二通航水流條件

在東溪上游來流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)時，上引航道口門區(qū)最大縱向流速為0.81 m/s，最大橫向流速為0.30 m/s，口門區(qū)無回流；連接段的最大縱向流速為0.85 m/s，最大橫向流速為0.24 m/s。上引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件滿足規(guī)范要求。結(jié)合船模試驗，船舶能夠安全進(jìn)出閘；當(dāng)東溪上游來流量2 842 m3/s(P=50%)

4.2.3 小結(jié)

受周邊環(huán)境條件及工程所在河勢條件的影響，新南溪船閘布置空間尤其是引航道的布置受到了極大的限制。船閘閘室軸線與河道交角較大，導(dǎo)致引航道口門區(qū)橫流較大，對船舶通航不利。根據(jù)工程河段上游的潮安水文站近20 a(1997～2016年)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，研究河段流量大于2 842 m3/s(P=50%)的天數(shù)僅42 d，滿足通航保證率98%的要求。

從通航水流條件來看，修改方案一與修改方案二船閘的通航條件均滿足船舶安全進(jìn)出閘要求，最高通航流量均能達(dá)到2 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，滿足Ⅲ級航道通航保證率98%的要求。由于方案二占用了一定的永久基本農(nóng)田，因此從工程實施難易程度而言，方案一優(yōu)于方案二。

5 結(jié)語

由于新建南溪船閘平面布置考慮了南溪橋閘重建工程的實施，受周邊環(huán)境條件及工程所在河勢條件的影響，船閘布置空間尤其是引航道的布置受到了極大的限制。新南溪船閘設(shè)計方案船閘閘室軸線與河道交角較大，導(dǎo)致引航道口門區(qū)存在較大橫流，通航條件較差。

修改方案一是在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場條件，通過調(diào)整船閘平面尺度，采用短而寬的船閘閘室，增大引航道尤其是上游引航道的長度及口門寬度，從而有效改善船舶進(jìn)出閘條件；修改方案二則考慮下引航道可少量占用基本農(nóng)田，將船閘位置整體向左岸岸坡適當(dāng)移動，船閘軸線向東溪上游適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以增加上引航道的長度，減小上引航道與上游河道的交角。兩方案船閘的通航條件均滿足船舶安全進(jìn)出閘要求，最高通航流量均能達(dá)到2 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，滿足Ⅲ級航道通航保證率98%的要求。

根據(jù)船閘布置方案的水流條件、船舶進(jìn)出閘航行條件、項目建設(shè)環(huán)境條件(移民征遷、土地利用、永久基本農(nóng)田占用情況及船閘運行管理等)和工程投資等方面綜合分析，建議新建南溪船閘修改方案一作為推薦方案。