湘江湘祁樞紐船閘下游引航道口門區通航水流條件影響及對策

段元振，鄒開明，2

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011；2.長沙理工大學 水利與環境工程學院，湖南 長沙 410114)

船閘引航道口門區通航水流條件是影響船舶安全進出船閘的重要影響因素，也是通航樞紐規劃布置需考慮的關鍵問題[1-3]，《船閘總體設計規范》對引航道口門區縱向、橫向、回流流速做出了具體規定。但是，在自然河道中修建的通航建筑物往往會在口門區出現復雜的不良流態[4-7]。國內外學者針對礙航流態，在不同的工程中提出了諸多改善措施，主要包括布置潛壩、口門區挖槽、優化導航墻布置、平順岸線、調整引航道長度、優化航線等[8-15]。這些優化方案有效改善了口門區通航水流條件，也為后續工程提供了借鑒意義。

根據湘江水運發展需求，擬通過擴建二線船閘提高湘祁船閘上水過壩運量，擴建船閘位于原有一線船閘左側，級別為Ⅲ級，二線船閘與一線船閘分設引航道，上游引航直線進閘、曲線出閘，下游引航曲線進閘、直線出閘，見圖1。上游導航墻順水流方向長73 m、隔流墻長240 m。下游引航道軸線與船閘軸線平行，導航調順段長130 m；停泊段長180 m，停靠一閘次船舶；直線制動段長86 m；連接段彎曲航道岸邊線弧長131 m、半徑500 m；連接段直線航道與主航道平順連接，與船閘軸線的夾角15°。

圖1 湘江湘祁樞紐二線船閘平面布置

鑒于該工程是在湘祁樞紐一線船閘的基礎上，在已有建筑物岸側增建二線船閘，造成二線船閘引航道與主航道曲線連接。因一線船閘引航道的限制，且一線船閘與二線船閘軸距僅為80 m，使得擬建二線船閘上下游口門區及連接段附近通航水流條件相對較為復雜，造成橫向流速和回流流速超出規范要求，形成礙航水流。根據試驗結果分析，相對上游引航道，下游引航道口門區水流條件更難滿足通航要求。因此，本文依托湘祁樞紐二線船閘擴建工程，采用定床水流物理模型試驗，研究二線船閘下游引航道口門區通航水流條件，提出優化方案并分析改善效果，為類似工程設計提供參考。

1 模型設計

本研究主要討論二線船閘下游引航道口門區及其連接段的通航水流條件，為了使模型能真實準確地反映河道的水流狀態，必須保證河道模型與原型的水力相似。基于1:5 000實測地形圖，根據幾何相似、水流運動相似、動力相似及阻力相似準則，采用1:100正態比尺制作模型，入口位于壩址上游1.0 km、出口位于下游1.8 km處、寬度取整個河道寬度。制模平面采用三角形導線網控制：模型地形采用斷面控制法，模型斷面間距為50～100 cm，特殊地形采用等高線法控制。模型采用水泥砂漿制作，糙率為0.012～0.014，通過抹光或抹面的方式調節糙率，使模型糙率與實際情況相似。

模型建成后，主要觀測中水(Q=6 000 m3/s)和枯水(Q=975 m3/s)情況，根據觀測結果，針對水面線和流速分布進行了驗證，驗證水尺斷面位置見圖2。驗證結果表明：模型中、枯水的水面線與原型水文測驗結果誤差絕對值不大于0.050 m(表1)，中、枯流量水位驗證結果滿足規定的誤差要求；對于中、枯水大斷面流速，模型與原型流速偏差不大于10%，流場相似度較高(圖3)。驗證試驗表明模型與原型水面線基本一致，流速分布吻合較好，符合定床河工模型的技術規范要求，物理模型可作為湘祁樞紐擴建二線船閘整體定床物理模型試驗的基礎。

圖2 驗證水尺及測流斷面位置

表1 水位驗證結果

圖3 Q3斷面流速分布驗證結果

為準確得到各級流量的水流特性和通航水流條件，針對設計方案和優化方案，根據水文資料，結合湘祁水電站水庫汛期運行控制方案，擬定了試驗流量工況，見表2。

表2 模型試驗研究工況設置

2 常規開閘方式對通航水流條件的影響

為了解船閘引航道口門區通航水流條件，對船閘上、下游引航道口門區的流場進行了觀察和測量，根據試驗結果提取出二線船閘下游引航道口門區通航水流條件特征值，見表3。試驗表明，實施二線船閘工程后，針對下游引航道口門區通航水流條件存在兩種結果：1)上游來流流量為Q=265 m3/s、3 a一遇Q=9 200 m3/s、5 a一遇Q=10 400 m3/s、10 a一遇Q=12 000 m3/s時，引航道口門區縱向、橫向、回流流速均滿足規范要求；2)上游來流流量Q為1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s時，在下游隔水堤端一定區域內，橫向流速和回流流速超過規范要求，不滿足通航水流條件。綜上所述，在常規開閘方式條件下，根據樞紐調度方式，選取來流流量Q=6 000 m3/s作為最不利通航流量進行下游引航道口門區優化措施研究，該工況下樞紐流速分布見圖4。

表3 二線船閘下游引航道口門區通航水流條件特征值

圖4 來流流量Q=6 000 m3/s時湘祁樞紐流速分布結果(單位：m/s)

3 下游引航道口門區通航水流條件影響因素及優化措施

3.1 泄水閘開啟方式優化

根據前述試驗結果，對來流流量Q=6 000 m3/s時泄水閘開啟方式進行優化，優化措施見表4。

表4 Q=6 000 m3/s時泄水閘開啟方式優化措施

為了解泄水閘開啟方式優化后船閘下游引航道連接段通航水流條件，對船閘下游引航道連接段的流場進行了觀察和測量，試驗結果見圖5。表5給出泄水閘開啟方式優化前后二線船閘下游引航道口門區通航水流條件變化情況。在Q=6 000 m3/s時，其他條件保持不變，泄水閘開啟方式優化后，可以看出：1)右岸泄水閘(1#～7#)開啟時，適當開啟左岸泄水閘(13#～19#)，對減小二線船閘下游引航道口門區橫流、回流是有利的；2)均勻開啟全部泄水閘(1#～19#)，減小了下游引航道口門區及連接段橫向流速，對二線船閘下游引航道口門區通航水流條件有利。

圖5 泄水閘開啟方式優化后樞紐下游流速分布(單位：m/s)

表5 泄水閘開啟方式優化前后通航水流條件對比

3.2 二線船閘下游引航道隔水堤優化

根據前述試驗結果，為調整下游引航道口門區流速分布特征，考慮對下游引航道隔水堤進行優化，優化方案見圖6。

圖6 二線船閘下游引航道隔水堤優化方案

為了解二線船閘下游引航道隔水堤優化對下游引航道口門區及連接段水流條件的影響，對下游流場進行了觀察和測量，試驗結果表明：

1)從總體上看，二線船閘下游引航道隔水堤優化后，對整個河道水流影響較小，對下游引航道連接段河流主流與航道中心線的夾角、連接段內的橫向流速影響較小，僅對二線船閘下游引航道口門區流速產生影響。

2)對于二線船閘下游引航道口門區，當上游來流較小時，二線船閘下游引航道隔水堤長度減少對減小回流有利；但當上游來流大于6 000 m3/s以后，二線船閘下游引航道隔水堤長度的減少對整個河道水流影響很小，但是會引起口門區回流流速的增大，平均增大20%左右。

3)二線船閘下游引航道隔水堤長度減少，導致一線船閘下游引航道口門區橫向流速有所減小，平均降幅達10%；同時引起了回流流速的增大，平均增大55%左右。

綜合考慮，不建議優化下游隔水堤。

3.3 電站出流口下游河道局部疏浚

電站下游右岸大堤優化后，雖然引航道口門區水流條件有所改善，但是電站下泄水流仍然沖向引航道。考慮到將下游右岸大堤后移實施難度較大，提出局部疏浚電站出流口附近下游河道右岸的方案(圖7)，將河底高程65～66 m的地形疏浚至64 m，與周圍左岸高程接近，根據地形圖估計疏浚量約為13 600 m3。

圖7 電站下游出流口河道疏浚方案

為了解電站出流口下游河道局部疏浚對下游引航道口門區及連接段水流條件的影響，對下游流場進行了觀察和測量，結果表明：

1)局部疏浚二線船閘下游引航道口門區、電站出流口下游河道后，口門區的縱向、橫向、回流均有所減小。在電站滿發、泄水閘關閉情況下，二線船閘下游引航道口門區的縱向流速減小87%、橫向流速減小65%、回流流速減小56%；在電站發電、泄水閘3#、5#、7#孔開度2.5 m情況下，口門區的縱向流速減小27%、橫向流速減小24%、回流流速減小39%。

2)局部疏浚一線船閘下游引航道口門區、電站出流口下游河道后，在電站滿發、泄水閘關閉情況下，口門區的縱向流速減小90%、橫向流速減小65%，但是造成了回流的產生，回流流速達0.5 m/s，不滿足規范要求。

3)對下游引航道連接段河流主流與航道中心線的夾角影響較小，但是減少了連接段內的橫向流速，在電站滿發泄水閘關閉情況下，減少幅度達50%左右。

3.4 綜合優化調整方案

綜合前述試驗結果，考慮電站下游疏浚和泄水閘開啟方式優化等措施，針對上游來流流量Q=6 000 m3/s，通過綜合優化的措施進行試驗。為了解船閘引航道連接段通航水流條件，對船閘上、下游引航道連接段的流場進行了觀察和測量，結果見圖8，此時，下游引航道口門區縱向、橫向、回流流速均滿足規范要求。

圖8 Q=6 000 m3/s時綜合優化方案條件下樞紐下游流速分布(單位：m/s)

對比二線船閘實施后一線船閘口門區水流條件與原一線船閘下游引航道口門區水流條件，得到結論：1)在流量2 500～6 000 m3/s時，下游引航道口門區會產生超過規范的回流；原一線船閘在流量大于2 500 m3/s時口門區最大橫流大于0.30 m/s，不能正常通航。因此擴建二線船閘對原一線船閘不產生惡化。2)在流量為2 a一遇8 000 m3/s情況下，縱向流速大于2.0 m/s，超過規范限值，無法通航。因此擴建二線船閘，不影響一線船閘正常通航。

4 結論

1)在常規開閘方式條件下，上游來流流量Q為1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s時，在下游隔水堤一定區域內，橫向流速和回流流速超過規范要求，不滿足通航水流條件。為改善口門區水流條件，須優化方案。

2)二線船閘下游引航道口門區的水流受樞紐運行方式影響較大。試驗結果表明右岸泄水閘(1#～7#)開啟時，適當開啟左岸泄水閘(13#～19#)，對減小二線船閘下游引航道口門區橫流、回流有利；均勻開啟全部泄水閘(1#～19#)，減小了下游引航道口門區及連接段橫向流速，對二線船閘下游引航道口門區通航水流條件有利。

3)通過優化泄水閘開啟方式、二線船閘下游引航道隔水堤、電站下游右岸大堤，局部疏浚電站出流口下游河道等一系列措施的試驗研究，提出了綜合電站下游疏浚和泄水閘開啟方式優化措施，使下游引航道口門區通航水流條件滿足規范要求。按照優化方案擴建二線船閘，沒有惡化原一線船閘通航條件。