琵琶洲灘航道整治定床物理模型試驗研究

程松 張文侃 孫文紅

摘 要：為研究湘江永州至衡陽三級航道改擴建工程琵琶洲灘航道通航水流條件，通過定床物理模型試驗方法開展相關(guān)工作，本文介紹了模型制作方法、測量方法和試驗工況設(shè)置，分別對水面特征、流態(tài)和通航水流條件進行分析，得到了整治工程實施前該航段通航水流條件，為航道整治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：定床試驗;航道整治;水動力;琵琶洲

中圖分類號：U617? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0114-03

1背景

湘江屬于長江流域洞庭湖水系，是長江七大支流之一，干流全長948km，流域面積94721km2，是湖南省最大河流，具有發(fā)展水運的優(yōu)越自然條件和社會基礎(chǔ)。根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《全國內(nèi)河航道及港口布局規(guī)劃》，確定湘江為全國內(nèi)河高等級航道網(wǎng)的一部分，屬長江水系高等級航道布局方案的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中的一線。建設(shè)湘江永州至衡陽三級航道改擴建工程，連通湘江2000噸級航道建設(shè)的一、二期工程具有十分重要的意義。

琵琶洲彎道險灘地處浯溪樞紐庫區(qū)，如圖1所示，位于浯溪大壩上游約15km，平面上為典型的回頭彎形態(tài)，水深較大但河道彎曲，河心自然彎曲半徑僅約360m，洪水流速大，掃彎水強烈，通航條件較差，對過往的船舶通航安全造成一定影響。因此，為了充分掌握各種工況下琵琶洲彎段通航水流條件，保障上下船只安全順利通行，因此有必要通過物理模型試驗開展琵琶洲灘航道水流條件分析。

2 試驗方法

模型制作依據(jù)2017年4月施測的1：1000 河道地形圖，同時參考2013年6月1：5000 地形測圖，采用斷面板法用水泥沙漿刮制而成。模型共布置了120個斷面，根據(jù)地形特點和重要性，斷面布置間距30～80cm，平均52cm。導(dǎo)線采用全站儀施放，經(jīng)緯儀和鋼尺校核。另外，采用局部斷面、交叉斷面等對凸咀、亂石、礁石、石梁、深潭等局部復(fù)雜地形進行了精心塑造，以確保模型的幾何相似。流量控制系統(tǒng)主要包括蓄水池、水泵、電機、電磁流量計、電腦等控制軟件等組成，流量最大可施放300L/s。水位采用測針測量，精度為0.1mm，河段共布置19個水尺斷面，流速主要采用表面粒子成像系統(tǒng)量測，可較快速、準(zhǔn)確、全面測取表面流場。垂線流速主要采用旋槳流速儀測量。

試驗開始前對模型進行了枯水和洪水水面線、大斷面流速分布等內(nèi)容的驗證。經(jīng)對模型水位、大斷面流速的驗證試驗，其結(jié)果滿足定床河工模型的相似性要求，可進行水流特性、整治工程方案等下一步試驗。

為了較為準(zhǔn)確地獲知各級流量的水流特性和通航水流條件，根據(jù)浯溪樞紐、瀟湘樞紐的主要運行方式，結(jié)合主要特征通航流量等，模型擬定了較為密集的試驗流量工況，具體見表1，開展8個流量工況的水流特性試驗。

3水動力特性分析

3.1 水面特性

圖2給出了琵琶洲灘段航中相對水面線（以各自流量最后一個河心水尺的水位為零點換算），可以看出，河段的水面落差隨著流量的增大而增大，平均比降逐漸增大。水面線沿程雖然出現(xiàn)凸岸不平，局部坡度大小不一，甚至出現(xiàn)倒坡，但整體趨勢上水面坡度沿程分布基本均勻，沒有落差較為集中的河段。

圖3分三段進行了平均比降的統(tǒng)計，可看出各段平均比降均隨流量增大而增大，增大的趨勢也基本一致。相對比較而言，上游直段（CS5-CS43）比降最大，下游直段（CS76- CS117）次之，中間彎道段（CS43-CS76）最小，不過它們之間的差異不明顯，最大相差不超過0.1‰，不存在落差比較集中的河段。

3.2 流態(tài)分析

圖4給出了工程前代表流量的流跡線圖片，主流區(qū)基本無特殊流態(tài)，上下游順直段也基本不存在，特殊流態(tài)主要出現(xiàn)在彎道河段，主要有：

（1）掃彎水：彎道主流進口靠左側(cè)凸岸，出口則貼緊右側(cè)凹岸，左、右過渡形成顯著的掃彎水，各級流量均較明顯。

（2）回流：回流主要有兩個區(qū)域，出現(xiàn)在右側(cè)凹岸。第一個回流區(qū)范圍較小，長寬約200m和30m，強度較弱，一般<0.2m/s，最大不超過0.4m/s，位于彎頂稍上的CS54～57。第二個回流區(qū)范圍較大，長約240m，寬度超過130m，強度也較強，Q=2000～11730 m3/s，回流最大為0.29～1.34m/s。

（3）泡漩水：泡漩水出現(xiàn)在兩個回流區(qū)與主流的交界面區(qū)域，上游區(qū)強度大于下游區(qū)，但總體強度不大，范圍較窄，僅局限在主、回流交界面水域。

3.3 通航水流條件分析

琵琶洲灘段雖然為急彎，但滿足2.4m航深的寬度較大，最窄處約200m，通航水域較為寬闊。因此，為了較好分析航槽內(nèi)水流條件，共預(yù)設(shè)了5個航槽進行分析，航槽預(yù)設(shè)布置見圖5。

（1）航槽R480A：航槽按彎曲半徑480m（內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)三級航道的基本要求）靠右岸布置，左邊距岸（水邊）最小距離留足約30m。由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，只是彎道右岸進口和出口航槽邊距離岸邊偏近，可通過適當(dāng)切嘴加以彌補。

（2）航槽R480B：航槽仍按彎曲半徑480m，但靠左岸布置，右邊距岸最小距離留足約30m。由圖可見，除左側(cè)彎頂下段不滿足航深要求外，其余部分均滿足，不滿足部分可通過適當(dāng)切嘴加以解決。

（3）航槽R440：航槽按彎曲半徑440m于河中布置，留足右邊距岸距離。由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離基本可行。

（4）航槽R400：航槽按彎曲半徑400m布置，由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離有一定富裕。

（5）航槽R360：航槽按彎曲半徑360m（稍大于本工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)4倍船長340m）布置，由圖可見，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離富裕較大。

從圖中可以看出，預(yù)設(shè)航槽R360與主流的符合性最好。

4結(jié)論

（1）彎道流速和比降隨流量增加而增大。Q<2000m3/s時，琵琶洲航段庫區(qū)特性明顯，水面近水平，彎道流速不超過0.9m/s;Q=4000～6000m3/s時，彎道具有庫區(qū)與天然河道雙重特性，航槽比降<0.5‰，流速不到2.3m/s;Q=7550～11730m3/s，彎道體現(xiàn)為天然河道特性，航槽最大比降約1.0‰，流速可達2.8～3.9m/s。

（2）彎道主流進口靠左側(cè)凸岸，出口緊貼右側(cè)凹岸，體現(xiàn)出強烈的掃彎水特性。主流線彎曲半徑總體趨勢約320～360m，而最小半徑僅約210～250m，流路曲度明顯大于幾何曲度。

（3）船舶航行彎道河段不宜采用固定的彎曲半徑，宜采用沿程動態(tài)彎曲半徑，即“上行抱凸岸、下行走河心”的航法航行，推薦了合理的上、下行航線，航槽內(nèi)Q≤7550 m3/s的橫流不超過1m/s。

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