曹娥江清風(fēng)船閘引航道通航水流條件*

吳惠國(guó)，孫逸豪，史英標(biāo)，鄭國(guó)誕

(1.紹興市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 紹興 312000；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

船閘引航道以及連接段通航水流條件一直是船閘工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題。影響引航道通航水流條件的因素眾多，包括：船閘布置形式、河道河勢(shì)、船閘周邊涉水建筑物布局等。為改善引航道水流條件，目前國(guó)內(nèi)常采取的措施包括：調(diào)整導(dǎo)流堤長(zhǎng)度和堤頭形式、堤身開(kāi)孔引流、導(dǎo)流堤外擴(kuò)開(kāi)孔、導(dǎo)流堤浮式結(jié)構(gòu)、丁潛壩挑流、口門(mén)區(qū)設(shè)置導(dǎo)流墩等。顏志慶等[1]以犬木塘樞紐為例，通過(guò)采用布設(shè)隔流墻、疏浚航道以及調(diào)整航道布線等綜合手段研究并優(yōu)化了船閘在“S”形彎道時(shí)的通航水流條件；何飛飛等[2-3]研究了透空式隔流墻對(duì)八字嘴樞紐貊皮嶺船閘引航道水流條件的作用；劉芷妍等[4-5]通過(guò)研究導(dǎo)流墻和丁壩對(duì)長(zhǎng)安樞紐船閘上游引航道水流條件開(kāi)展優(yōu)化；潘雅真等[6]通過(guò)在導(dǎo)流堤堤頭增設(shè)丁壩，在丁壩挑流作用下，減小了貴港航運(yùn)樞紐船閘工程口門(mén)區(qū)水流流速；朱紅等[7]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)布設(shè)導(dǎo)流墩可以有效改善口門(mén)區(qū)水流條件。由于不同河段具有不同的河勢(shì)，船閘建造須考慮的因素亦有所差異。這也導(dǎo)致了現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)船閘研究無(wú)法實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)代面、全面覆蓋各個(gè)河道，尤其在水流條件復(fù)雜、河勢(shì)彎曲的河段研究稍顯薄弱。

本文以清風(fēng)樞紐船閘下游為例，采用平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法研究不同導(dǎo)流墻方案對(duì)下游引航道的通航水流條件的影響，分析導(dǎo)流墻走向、長(zhǎng)度以及與導(dǎo)流墩組合對(duì)下游引航道通航水流條件改善效果。研究工作旨在填補(bǔ)曹娥江中上游船閘研究的空白，完善束窄彎曲河道內(nèi)建閘研究工作。

1 河道與樞紐概況

曹娥江大閘是亞洲最大的強(qiáng)涌潮河口第一大閘，位于錢(qián)塘江南岸曹娥江河口處，于2008年12月下閘蓄水。大閘的建設(shè)阻擋了外海泥沙進(jìn)入河道，曹娥江也變?yōu)閮?nèi)河水道，同時(shí)閘上河道水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及通航水流條件也隨之改變[8-10]。

清風(fēng)水利樞紐工程位于曹娥江干流中游段，距離上游嵊州市城關(guān)約14 km，下游29 km處建設(shè)有節(jié)點(diǎn)樞紐(上浦閘樞紐)。隨著上游嵊州及新昌等地大宗貨物運(yùn)量快速增長(zhǎng)，通過(guò)新建清風(fēng)船閘打通曹娥江上游航運(yùn)的瓶頸(清風(fēng)樞紐)緊迫且必要。

如圖1所示，工程位于束窄河段，河段走勢(shì)由西南向東北。上游河寬約480 m，船閘下閘首斷面河寬約300 m，而下游清風(fēng)大橋斷面河寬最窄，僅150 m。過(guò)清風(fēng)大橋后，河段走勢(shì)轉(zhuǎn)為正北。

圖1 清風(fēng)水利樞紐工程

清風(fēng)水利樞紐是一個(gè)集防洪、發(fā)電以及通航功能于一體的綜合樞紐。原樞紐由水力自控翻板閘、沖沙閘、河床式電站組成，樞紐集雨面積3 185 km2，多年平均流量77.34 m3/s，樞紐正常蓄水位10.4 m；電站發(fā)電死水位為9.0 m，滿(mǎn)發(fā)流量為101.7 m3/s。電站樞紐工程為Ⅴ等，主要建筑物為4級(jí)、次要建筑物為5級(jí)，樞紐自左向右依次布置有232 m寬攔水壩、7.5 m寬沖沙閘和63.32 m寬電站。其中攔水壩段為22扇5.5 m×10 m(高×寬)水力自控翻板門(mén)。

新建船閘工程包括：船閘、泄洪閘以及電站等。船閘按照Ⅳ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，布設(shè)于河道左側(cè)，采用壩上式布置方法，其中船閘下游引航道貼岸布置，閘室與上游引航道平順于水流方向離岸布置。從船閘位置上看，下游引航道口門(mén)段受河寬束窄、河道轉(zhuǎn)彎等影響，流速增大、水流向北轉(zhuǎn)向。此外，電站排水受下游岸線挑流影響，水流斜向匯入主槽，并對(duì)左側(cè)口門(mén)段產(chǎn)生一定頂沖作用。所以，船閘下游引航道水流流態(tài)存在一定的安全隱患；且受河寬限制，下游引航道的優(yōu)化難度較大。

2 模型建立與驗(yàn)證

對(duì)工程河段建立二維水流數(shù)值模型并開(kāi)展計(jì)算。模型包括一個(gè)連續(xù)性方程和兩個(gè)動(dòng)量方程：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中：h為水深，即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；t為時(shí)間；η為水位；u、v為x、y方向上的流速分量；g為重力加速度；f為柯氏力參數(shù)；ρ為水密度；ρ0為水的參照密度；Sxx、Sxy、Syy為波浪輻射應(yīng)力分量；pa為大氣壓力；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby為底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy為黏性項(xiàng)分量；S為源匯項(xiàng)。

模型計(jì)算范圍的上邊界設(shè)置在清風(fēng)樞紐斷面(位于清風(fēng)樞紐上游9 km左右)、下邊界設(shè)置在上浦閘；對(duì)清風(fēng)樞紐工程區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作了進(jìn)一步加密，最小網(wǎng)格約為2.0 m，網(wǎng)格總數(shù)為65 354，見(jiàn)圖2。二維模型概化區(qū)域包括了兩岸堤防之間河槽之外的灘地，網(wǎng)格岸線為兩岸堤防岸線，并對(duì)曹娥江主槽和邊灘進(jìn)行了網(wǎng)格加密，模型范圍內(nèi)水下地形采用實(shí)測(cè)地形。

圖2 網(wǎng)格示意

采用2015年7月“燦鴻”臺(tái)風(fēng)期間洪水過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。見(jiàn)圖3。

注：洪峰水位實(shí)測(cè)值11.89 m，計(jì)算值11.80 m。

由圖3可知，東沙埠站洪峰水位驗(yàn)證誤差為-0.09 m，在規(guī)程允許偏差10%以?xún)?nèi)，符合《海岸河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求，該模型可用于進(jìn)一步的方案比選工作。

3 方案說(shuō)明

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在電站運(yùn)行情況下，僅打開(kāi)導(dǎo)流墻右側(cè)6孔泄洪閘泄水。為了進(jìn)一步提高船閘通航流量、提高船閘的通航保證率，采用延長(zhǎng)調(diào)整導(dǎo)流墻的方法改善船閘下游引航道水流條件。圖4和表1為原船閘布置方案與3種優(yōu)化方案。

表1 各方案船閘參數(shù)

圖4 船閘比選布置方案(單位：m)

由圖4和表1可知，各個(gè)方案船閘與泄洪閘的設(shè)計(jì)尺寸一致，唯一不同的是導(dǎo)流墻的設(shè)計(jì)尺寸。原方案導(dǎo)流墻長(zhǎng)150 m；優(yōu)化方案1導(dǎo)流墻長(zhǎng)220 m；優(yōu)化方案2導(dǎo)流墻長(zhǎng)250 m；優(yōu)化方案3導(dǎo)流墻長(zhǎng)220 m，并在導(dǎo)流墻下游增設(shè)3個(gè)長(zhǎng)約8 m的導(dǎo)流墩。

4 通航水流條件比選

本文通過(guò)控制變量法控制各個(gè)方案下模型邊界條件相同，研究各個(gè)方案的優(yōu)化效果。模型上游邊界為流量邊界，為船閘最大設(shè)計(jì)通航流量850 m3/s；下游邊界為水位邊界，為上浦閘閘上最高通航水位7.5 m。

4.1 水流流態(tài)分析

如圖5所示，在相同的泄流與水位條件下，船閘下游河道流態(tài)近似。水流分別由右側(cè)泄洪閘與電站出水至河槽中。受導(dǎo)流墻影響，水流順著導(dǎo)流墻的走向向下，水流通過(guò)導(dǎo)流墻后向左側(cè)水域擴(kuò)散，河道右側(cè)流速放緩，左側(cè)流速增加。

圖5 船閘下游引航道流速分布(單位：m/s)

如表2所示，受各方案不同導(dǎo)流墻布設(shè)影響，水流對(duì)船閘下游引航道的影響位置和入流角度有所差異。原始方案，導(dǎo)流墻長(zhǎng)150 m，并與船閘下游引航道存在10°的夾角，水流于導(dǎo)流墻下游57 m處斜向進(jìn)入靠船段中部，與引航道夾角約26.9°；優(yōu)化方案1，導(dǎo)流墻長(zhǎng)220 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增70 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行)，水流于導(dǎo)流墻下游50 m處斜向進(jìn)入靠船段尾部，與引航道夾角約24.3°；優(yōu)化方案2，導(dǎo)流墻長(zhǎng)250 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增100 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行)，水流于導(dǎo)流墻下游46 m(清風(fēng)大橋)處斜向進(jìn)入口門(mén)段，與口門(mén)段夾角約18.0°；優(yōu)化方案3下，導(dǎo)流墻長(zhǎng)220 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增70 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行，并新增3座8 m長(zhǎng)的導(dǎo)流墩)，水流于導(dǎo)流墻下游46 m(清風(fēng)大橋)處斜向進(jìn)入靠船段尾部，與引航道夾角約22.7°。

表2 各方案流態(tài)

初步可知，優(yōu)化方案2入流角度較小，入流位置在口門(mén)段。與其余方案相比，該方案對(duì)引航道保護(hù)效果相對(duì)較好。

4.2 水流流速分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)各段流速的規(guī)定，通航水流條件是否滿(mǎn)足通航要求的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 引航道各段流速大小參考標(biāo)準(zhǔn) m/s

如圖6所示，為進(jìn)一步了解船閘下游引航道內(nèi)水流流態(tài)情況，在船閘上下游引航道內(nèi)共布設(shè)10個(gè)流速采樣點(diǎn)，從定量上分析上下游導(dǎo)航段、靠船段以及口門(mén)段水流縱向、橫向以及回流流速是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，其流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6 下閘首導(dǎo)航段、靠船段與口門(mén)段流速采樣點(diǎn)布置

如圖5、表4～5所示，受各方案不同導(dǎo)流墻布設(shè)影響，各速度點(diǎn)流速與各段流速超標(biāo)水域面積均不同。在原始方案與優(yōu)化方案1工況下，存在橫向流速超標(biāo)的流速點(diǎn)出現(xiàn)在較明顯的流速超標(biāo)水域。而在優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3下，不存在橫向流速超標(biāo)的流速點(diǎn)，僅優(yōu)化方案3在靠船段存在局部水域不滿(mǎn)足要求。

表4 下游引航道采樣點(diǎn)縱向、橫向流速 m/s

在原始方案下，超標(biāo)的流速點(diǎn)有：靠船段XKC3點(diǎn)橫向流速0.17 m/s、口門(mén)段XKM2點(diǎn)橫向流速0.31 m/s，此外，靠船段縱向流速超標(biāo)1 426 m2、橫向流速超標(biāo)1 727 m2、口門(mén)段橫向流速超標(biāo)576 m2；優(yōu)化方案1超標(biāo)的流速點(diǎn)有口門(mén)段XKM2點(diǎn)橫向流速0.28 m/s，此外，靠船段縱向流速超標(biāo)131 m2、橫向流速超標(biāo)142 m2、口門(mén)段橫向流速超標(biāo)172 m2；優(yōu)化方案2，船閘下游引航道與口門(mén)段流速均滿(mǎn)足要求；優(yōu)化方案3，流速點(diǎn)縱向與橫向流速均滿(mǎn)足要求，僅靠船段橫向流速超標(biāo)140 m2。

分析比較原始方案與優(yōu)化方案1可知：通過(guò)改變導(dǎo)流墻走向平行引航道可以有效減小水流擴(kuò)散斜向進(jìn)入航道的角度、有效減小引航道中水體橫向流速、有效減小引航道中流速超標(biāo)的水域面積，其中靠船段縱向流速和橫向流速的改善效果達(dá)90%，口門(mén)段橫向流速改善效果達(dá)70%。

分析比較優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2可知：通過(guò)延長(zhǎng)導(dǎo)流墻長(zhǎng)度，可以進(jìn)一步改善引航道內(nèi)水流通航條件；優(yōu)化方案2中的導(dǎo)流墻長(zhǎng)度為250 m，其尺寸與船閘下游引航道(導(dǎo)航段+靠船段)長(zhǎng)度近似，對(duì)引航道內(nèi)水體起到充分的掩護(hù)作用；河道右側(cè)下泄水流通過(guò)導(dǎo)流墻后，擴(kuò)散并直接進(jìn)入口門(mén)段，由于口門(mén)段航道轉(zhuǎn)向正北方向，使得水流斜向進(jìn)入口門(mén)段的角度進(jìn)一步減小，更好地保證了口門(mén)段通航水流條件。根據(jù)表5可知，與優(yōu)化方案1相比，優(yōu)化方案2在靠船段縱向流速和橫向流速的改善效果以及口門(mén)段橫向流速改善效果均達(dá)100%。

表5 下游引航道縱向、橫向流速超標(biāo)面積 m2

分析比較優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案3可知：通過(guò)在導(dǎo)流墻末端增設(shè)導(dǎo)流墩，對(duì)引航道以及口門(mén)段的水流條件存在一定的改善作用；增設(shè)導(dǎo)流墩后，靠船段的縱向流速與口門(mén)段的橫向流速均滿(mǎn)足規(guī)范要求，然而導(dǎo)流墩對(duì)靠船段橫向流速并沒(méi)有明顯的改善效果，該段水域橫向流速超標(biāo)面積仍為140 m2。根據(jù)表5可知，與優(yōu)化方案1相比，優(yōu)化方案3在靠船段縱向流速和口門(mén)段橫向流速改善效果均達(dá)100%，在靠船段橫向流速改善效果不足2%。

5 結(jié)論

1)原始方案與優(yōu)化方案1對(duì)比，在下泄水流與引航道存在一定交角時(shí)，通過(guò)布設(shè)平行于引航道的導(dǎo)流墻可以較好地保護(hù)航道內(nèi)水流條件，其靠船段與口門(mén)段通航水流條件改善效果可達(dá)70%～90%。

2)優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2對(duì)比，導(dǎo)流墻長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)引航道掩護(hù)作用越充分、通航水流條件改善效果越好，靠船段與口門(mén)段通航水流條件改善效果可達(dá)100%。

3)優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案3對(duì)比，通過(guò)布設(shè)導(dǎo)流墩，可以較好地改善引航道內(nèi)縱向流速條件，改善效果均達(dá)100%；但對(duì)靠船段橫向流速條件的改善效果不明顯，改善效果不足2%。