高陂水利樞紐通航船閘布置優化研究

黃智敏,付 波,陸漢柱,鐘勇明,陳卓英

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635;2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

1 工程概況

通航船閘是攔河水閘樞紐工程的重要組成部分，其作用可在攔河閘壩形成水位落差的條件下，確保船只的正常通航。通常，由于受閘址區域河道復雜河勢和地形的影響、樞紐各建筑物(如泄水閘、水電站等)布置和運行制約等，船閘上、下游引航道口門區的運行流態和流速分布較復雜。因此，大型攔河水閘樞紐的通航船閘等布置，往往需經過水工模型試驗的論證和優化[1-6]。

高陂水利樞紐工程主要建筑物由泄水閘、電站廠房、通航船閘及擋水壩等組成，位于廣東省大埔縣境內的韓江中游，是以防洪和供水為主，兼顧發電、航運、灌溉、改善下游河道生態等綜合效益的Ⅱ等大(2)型工程。樞紐工程正常蓄水位為38.00 m(珠基，下同)，設計洪水頻率為100年一遇(P=1%)，校核洪水頻率為1 000年一遇(P=0.1%)。

根據工程設計資料[7]，高陂水利樞紐通航船閘規模為Ⅳ級，布置在壩址河道的左岸。船閘設計年通過貨運能力為900萬t/a，單向通過能力為720萬t/a，客運為5萬人/a。船閘閘室有效尺度為200 m×18 m×3.05 m(長×寬×門檻上最小水深)，船閘上、下游引航道均采用不對稱式平面布置，引航道總長度均為290 m、底寬為40 m；上游引航道底高程為24.15 m，下游引航道底高程為21.15 m(見圖1～圖2)。

圖1 高陂水利樞紐工程平面布置示意

圖2 設計方案船閘平面布置示意

通航船閘設計的最大通航洪水標準為10年一遇洪水(P=10%)，相應洪水流量Q=11 130 m3/s。船閘設計的通航水位：上游最高通航水位為38.90 m，最低通航水位為28.00 m；下游最高通航水位為38.69 m，最低通航水位為25.00 m。最大通航流量條件下的泄水閘運行水力參數見表1。

表1 泄水閘運行水力參數

樞紐工程閘址區域河道彎曲和狹窄，閘址處河道寬為300～400 m，河床面高程為24.00～26.00 m；閘址右岸電站的右岸坡往下游河道逐漸收縮，至樁號0+900～1+000處河寬縮窄至約280～300 m。閘址下游河床表層為含礫和含卵石的粗沙層(厚度約10～28 m，中值粒徑1.0 mm)，底部為中粗粒黑云母花崗巖。

由于高陂水利樞紐泄水閘泄洪流量大、水頭較高、閘址區域河道彎曲和狹窄等，因此，船閘通航的水流條件較復雜。為了優化高陂水利樞紐通航船閘的布置，在該樞紐工程整體水工模型(1:85的正態模型)進行了船閘布置優化的試驗研究，整體水工模型河道截取的范圍：① 閘址上游河道長為3 km；② 閘址下游河道長為2.5 km[8-10]。

2 船閘上游引航道口門區通航試驗

2.1 船閘引航道口門區范圍分析

根據文獻[11-12]，船閘引航道口門區長度應按設計的最大船舶、船隊確定，頂推船隊采用2.0～2.5倍船隊長，拖帶船隊采用1.0～1.5倍船隊長，2種船隊并有時，取大值。Ⅰ～Ⅳ級船閘引航道口門區水面最大流速限值：平行于航線的縱向流速為v1<2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速為v2<0.3 m/s，回流流速為v3<0.4 m/s。

高陂水利樞紐船閘通航的最大船舶為500 t，船只尺寸為47 m×8.8 m×1.9 m(長×寬×設計吃水)[7]。參考文獻[11-12]，選用2.5倍單船船長為其口門區的長度，因此，高陂水利樞紐船閘上、下游引航道口門區的長度約為為117.5 m。

2.2 設計方案上游引航道口門區試驗

船閘上游引航道導航墻上游端斷面樁號為0-293，其口門區長度約117.5 m，因此，上游口門區河道上游端樁號約為0-410.50。

試驗表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級洪水流量泄流運行時(見表1)，泄水閘上游河道的來流較平順，船閘上游引航道口門區河道水流也較平順和平穩，口門區河道水面流速為v<1.5 m/s，口門區河道的流速流向與船閘中心線(航線)的夾角β≤10°，由此可計算得垂直航線的橫向流速v2<0.3 m/s(見圖3)。因此，上游引航道口門區的流態和流速(v1<1.5 m/s、v2<0.3 m/s、v3<0.4 m/s)可以滿足通航的要求。

圖3 船閘上游引航道口門區流態和流速分布示意

2.3 優化方案上游引航道口門區試驗

由樞紐工程布置可見(見圖1)，高陂水利樞紐船閘上游引航道布置在彎曲河道的約彎頂處，船閘縱向軸線與河道左岸線呈25°～30°夾角，當船只進、出上游引航道進、出口時，船只需繞一定角度后，才能進、出上游引航道，給船只通航帶來不便。因此，為了便于船只進、出上游引航道，在滿足規范規定的引航道直線段總長度的條件下，將上游引航道右導航墻的上游段修改為曲線或折線型導墻，便于船只通航。

《船閘總體設計規范》[11]規定：引航道直線段的總長度(即導航段L1、調順段L2和停泊段L3之和)L≥(3.5～4)Lc(Lc為單船最大船長)。本工程船閘通航的500 t船只最大船長Lc=47 m，計算得引航道直線段的總長度L=165～188 m。因此，取上游引航道右導航墻直線段長度L=220 m，在其上游端往上游延伸的半徑R=400 m的圓弧線上布置12個直徑d=1.5 m、弧線圓心距s=6.0 m的圓柱墩(見圖4)。

圖4 上游引航道右導航墻優化方案布置示意(單位：m)

船閘上游引航道右導航墻優化方案試驗表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級洪水流量泄流運行時，上游引航道口門區的流態和流速與設計方案引航道口門區的流態和流速相近，可以滿足通航的要求，且上游引航道右導航墻優化方案的布置更便于船只通航。

2.4 降低上游引航道右導航墻內、外側水位差試驗

在各級洪水流量泄流運行時，上、下游引航道右導航墻內、外側產生一定的水位差值，在洪水位淹沒上游右導航墻頂之前，泄水閘泄洪流量越大，導航墻內、外側水位差值相應增大，不利于導航墻結構的安全。在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行條件下，進行了上游引航道右導航墻內、外側水位差試驗和改進優化。

1) 測試的上游引航道右導航墻(實體導墻)內、外側水位差值ΔZ約為0.32 m(內側水位高于外側水位)，引航道內面流速為v≤0.35 m/s 。

2) 經試驗比較，在引航道右導航墻高程為 31.00 m 水平線上開設導流孔，導流孔直徑d=1.3 m、孔中心距s=5.0 m，導流孔分布范圍為樁號0-033～0-220 (見圖5)。

圖5 上游引航道右導航墻開孔方案布置示意(單位：m)

洪水流量Q≤11 130 m3/s的泄流運行試驗表明，開孔后的上游引航道右導航墻內、外側水位差ΔZ<0.20 m，引航道內面流速v<0.45 m/s。因此，開導流孔后的上游引航道右導航墻內、外側水位差ΔZ比設計方案相應降低值大于0.12 m，引航道內面流速增加較小，可以滿足船只通航的要求。

3 船閘下游引航道口門區通航試驗

船閘下游引航道長度為290 m，泄水閘的下游河道逐漸縮窄，至樁號約0+900～1+000斷面區域，河道窄口段的河面寬度約280～300 m(見圖1)。船閘下游引航道出口斷面樁號為0+545.50，下游引航道口門區長度約117.5 m，則下游引航道口門區的下游河道末端斷面樁號約為0+663。

3.1 下游引航道口門區運行試驗

3.1.1定床模型試驗

1) 在最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行時，船閘下游引航道口門區水流較平順和平穩，受右導航墻布置的影響，口門區為弱回流區，回流流速為v3<0.4 m/s。因此，下游引航道口門區的流態和流速基本可以滿足通航的要求(見圖6)。

圖6 船閘下游引航道口門區流態和流速分布示意

2) 在泄洪流量Q<11 130 m3/s泄流運行時(見表1)，隨著泄洪流量減小，下游引航道口門區的回流區范圍和回流流速相應減小，下游引航道口門區的流態和流速可以滿足通航的要求。

3) 在泄洪流量Q≤11 130 m3/s泄流運行時，測試的船閘下游引航道右導航墻內、外側水位差ΔZ≤0.20 m(內側水位低于外側水位)，引航道內水流較平靜。因此，下游引航道右導航墻內、外側水位差值較小，對導航墻的不利影響相應較小。

3.1.2動床模型試驗

泄水閘下游河道動床范圍為閘下消力池下游海漫段末端(樁號0+222)至樁號1+600的下游河床(見圖1)。動床模型沙選用中值粒徑為0.5 mm的塑料沙，河床覆蓋層底部基巖(高程為8.00 m以下)采用花崗巖碎石模擬(相應原型不沖流速約為4.5 m/s)[9-10]。動床模型試驗表明：

1) 在電站4臺機組單獨發電運行時，受電站發電尾水的影響，下游引航道口門區水面回流流速為v3<0.35 m/s，口門區航槽區域淤積厚度約為1 m。

2) 在正常蓄水位為38.00 m、閘門開度e≤4.3 m(泄流量Q≤6 700 m3/s)泄流運行時，下游引航道口門區水面回流流速v3<0.4 m/s，口門區航槽區域淤積厚度約為1～2 m。

3) 在泄洪流量Q=9 220(P=20%)～11 130 m3/s(P=10%)泄流運行時，下游引航道口門區水面回流流速為v3<0.4 m/s，口門區航槽區域淤積厚度約為 2～3 m。

因此，船閘下游引航道口門區為低流速的回流區，口門區易產生淤積，嚴重時會影響船只通航。建議運行期應對口門區河床進行定期監測，并采取適當的防淤和清淤措施，確保船閘的正常運行。

3.2 下游引航道口門區的下游河道通航分析

在泄水閘閘門全開的泄洪流量Q=6 700 m3/s至最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行時，測試的下游河道窄口段(樁號0+900～1+400，見圖1) 的河道水面流速為v≥2.0 m/s，不利于船只的安全通航，船閘建成運行時應給予充分的注意和重視[8-9]。

4 工程應用

本項目通航船閘上游引航道右導航墻優化方案等試驗研究成果得到了工程建設的應用，船閘工程已建成投入運行。目前，船閘的初步運行情況良好，后續的運行情況有待于進一步觀察和分析。

5 結語

高陂水利樞紐工程泄洪流量大、水頭較高、閘址區域河道狹窄和彎曲，其船閘上、下游引航道口門區水流條件較復雜。通過水工模型試驗，測試了船閘上、下游引航道口門區運行流態和流速分布，取得的主要研究成果為：

1) 優化了船閘上游引航道右導航墻的布置，改善了船閘通航運行條件；在船閘上游引航道右導航墻開設導流孔，降低了導航墻內、外側的水位差，有利于導航墻的安全。

3) 對船閘下游引航道口門區運行流態、通航條件及口門區下游窄口段河道的不利影響等進行了分析。

本文成果已應用工程建設，可供類似工程設計和運行參考。