連續(xù)急彎航道灘險礙航特性分析及航線選擇*

鄒開明，乾東岳，彭 哲

(1.湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司，湖南 長沙 410011；2.長沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456)

我國地域遼闊，河流眾多，具有發(fā)展內(nèi)河水運的良好條件。但是，內(nèi)河通航河流很多航段為山區(qū)彎曲河道，其平面形態(tài)彎曲、河床斷面狹窄、通航條件復(fù)雜，航道或者通航建筑物的建設(shè)需要充分研究河道的礙航特性并對航線進行選擇。目前，對于連續(xù)彎道水流的研究已有一些成果：吳華莉等[1]對正弦派生曲線生成的連續(xù)彎曲型水流特性進行了試驗研究；曾慶華[2]研究了彎道縱向時均流速的垂線分布特點；芮德繁[3]通過水槽試驗研究彎道環(huán)流運動，并分析彎道泥沙輸移的作用；普曉剛等[4]結(jié)合湘江土谷塘航電樞紐工程實例，探討?yīng)M窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置的原則；李君濤等[5]總結(jié)導(dǎo)流墩平面布置形式，并分析狹窄連續(xù)彎道口門區(qū)水流條件的改善規(guī)律。已有研究通常是以單一彎道或者概化連續(xù)彎道為研究對象，得到的水流特性研究成果有一定的局限性，不能反映彎曲河段的真實水流運動特性。本文依托浯溪二線船閘工程建設(shè)，充分考慮樞紐運行調(diào)度影響，采用數(shù)學(xué)模型分析上游馬頭嶺連續(xù)急彎航道的礙航特性，總結(jié)航線選擇規(guī)律，為解決急彎段礙航問題提出優(yōu)化方向。

1 工程概況

根據(jù)湖南省內(nèi)河水運規(guī)劃，湘江永州萍島—衡陽蒸水河口283 km航道通航等級為Ⅲ級。目前，湘江衡陽—永州已建成近尾洲、湘祁、浯溪和瀟湘4座樞紐梯級，基本為庫區(qū)航段，除樞紐通航建筑物等級和部分庫尾航道需要疏浚外，大部分航道水深情況比較理想。

浯溪水電站位于湘江干流中游，是湘江干流梯級開發(fā)的第三級，樞紐建筑物由右岸船閘、溢流壩、電站廠房及左岸連接土壩組成。浯溪樞紐一線船閘位于樞紐右岸，通航等級為Ⅳ級，閘室布置于壩軸線下游，船閘軸線與壩軸線正交。為減少水流對下游浯溪碑林的影響并使下游引航道與下游航道平順連接，二線船閘軸線與一線船閘成8°的夾角[6]。

馬頭嶺彎道險灘位于浯溪樞紐上游約2 km，為反“S”形急彎，且河面寬度相對狹窄，最窄處河寬不足250 m，河心自然彎曲半徑約200 m，受浯溪樞紐水庫壅水影響，總體上水流條件較好，但隨著流量的增大，其壩前水位不斷降低，彎道段的水流條件逐漸恢復(fù)至天然情況，導(dǎo)致通航條件逐漸惡化。由于馬頭嶺急彎下彎道處航槽較上彎道轉(zhuǎn)角和曲率更大、彎曲半徑更小、航槽更為狹窄，使得水流集中于凸岸附近下泄，形成掃彎水，過往船舶航行彎曲半徑不能滿足Ⅲ級航道彎曲半徑要求。隨著河道流量的增大，為保障湘江兩岸防洪安全，樞紐壩前水位需繼續(xù)根據(jù)調(diào)度方案降低，通航水流條件將進一步惡化，下彎道段凹岸則出現(xiàn)較大面積的回流區(qū)，凸岸及河心區(qū)域出現(xiàn)明顯的掃彎水，極易造成過往船舶偏轉(zhuǎn)和偏移，從而出現(xiàn)落彎與打搶等事故。

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

2.1 模型的建立

依據(jù)規(guī)范要求[7]，計算域的進、出口須選在順直河段上。本文建模范圍為馬頭嶺急彎、浯溪樞紐一、二線船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段，因此數(shù)學(xué)模型的模擬范圍定為12 km，包括樞紐上游約8 km河段以及樞紐下游約4 km的壩下河段(圖1)。模型采用平面曲線正交網(wǎng)格計算水流運動，網(wǎng)格尺度20 m×8 m(長×寬)，工程區(qū)局部河段加密至5 m×2 m，模型采用實測資料反求的方法確定床面阻力系數(shù)，采用Smagorinsky公式計算紊動黏性系數(shù)。

圖1 浯溪樞紐數(shù)學(xué)模型模擬范圍

2.2 試驗條件的驗證

采用浯溪樞紐實測地形和水位資料，對數(shù)學(xué)模型分別進行流速和水位的驗證。本次驗證左右岸共布置17把水尺，分別是L1～L9、R1～R8，將L9作為控制水尺，模型共布置6條測流斷面，其中浯溪樞紐上游布置CS01～CS04共4條，樞紐下游為CS05、CS06共2條。模型測流斷面及水尺布置見圖2。測流斷面在1 150、6 300 m3/s兩級流量下，樞紐上、下游河道內(nèi)各測點水位與實測水位基本一致，模型計算水面與原型水位偏差均在規(guī)定范圍內(nèi)(±0.1 m)；流量基本閉合，流量偏差在±5%以內(nèi)。結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)選擇合理，該模型能較好地模擬研究河段的水流運動情況，模型計算精度能夠滿足要求。

圖2 模擬河段測流斷面及水尺布置

3 通航水流條件研究

3.1 航道水深與比降分析

圖3所示為各級流量下馬頭嶺急彎段航道內(nèi)水深。馬頭嶺彎段航道的統(tǒng)計范圍自設(shè)計船閘口門區(qū)上游3.2 km起，至1.2 km止，共計2 km長。由圖3可知，隨著流量的增大，航道水深呈先減小后增大的規(guī)律，當(dāng)流量Q=7 550 m3/s時，航道水深最小。這一特點與樞紐運行方式密切相關(guān)。從整體看，8級典型流量彎道航段水深基本在10 m以上，完全滿足設(shè)計水深要求。馬頭嶺急彎段內(nèi)3處局部比降較大，分別是馬頭嶺急彎段入口處(距口門2.5 km)、急彎段凸嘴處(距口門2.1 km)、急彎段出口放寬處(距口門1.6 km)，但3級洪水流量下，最大局部比降均不超過2‰。

圖3 馬頭嶺急彎段航道水深

3.2 航道流速分布

為研究馬頭嶺急彎段通航水流條件，基于8級典型流量計算結(jié)果，分別統(tǒng)計航道內(nèi)縱向及橫向流速最大值，以及急彎段航道內(nèi)橫向流速分布。

當(dāng)流量不超過6 000 m3/s時，因樞紐處于控制泄洪運行狀態(tài)，航道內(nèi)縱向流速整體較小，最大值小于1.6 m/s；當(dāng)流量Q≥7 550 m3/s時，樞紐敞泄，航道內(nèi)縱向流速迅速增大，2處極大值分別位于距二線船閘口門約2.5和1.5 km處，即馬頭嶺急彎段入口處和急彎段出口放寬處；當(dāng)Q=7 550 m3/s時，流速分別達2.17和2.35 m/s；當(dāng)Q增大至11 730 m3/s時，流速分別為2.53和3.08 m/s。

圖4統(tǒng)計了馬頭嶺彎段航道內(nèi)橫向流速最大值沿程變化。由圖4可知：當(dāng)來流量小于2 000 m3/s時，樞紐以發(fā)電為主，庫區(qū)水位基本水平，水動力微弱，故馬頭嶺彎段航道內(nèi)橫向流速很小，基本在0.2 m/s以內(nèi)；當(dāng)來流量在2 000～4 000 m3/s時，隨著泄水閘泄流量增大，庫區(qū)水流運動變強，橫向流速凸顯，橫向流速較大的位置主要集中在彎道的入彎段和出彎段。在入彎段由于航線先于水流彎曲，水流保持慣性仍向右岸頂沖，故此段橫向流速指向右岸；過彎頂后在出彎段，受曲率半徑限制，航線晚于水流彎曲，水流自彎頂折返后居中，故此段橫向流速主要指向左岸。如圖4中所示入彎段橫向流速為負(fù)值，出彎段橫向流速為正值。當(dāng)流量為4 000 m3/s時，入彎段橫向流速達0.53 m/s，出彎段橫向流速達0.47 m/s，船舶在此急彎段航道內(nèi)航行可能存在困難；當(dāng)流量Q≥7 550 m3/s時，泄水閘開始敞泄，庫區(qū)水流流動加劇，彎道段橫向流速值有一個較為顯著的增幅，橫向流速較大的范圍在入彎段和出彎道分別向上、下游延伸，水流條件十分惡劣；當(dāng)流量為7 550 m3/s時，入彎段橫向流速達1.21 m/s，出彎段橫向流速達0.88 m/s；當(dāng)流量達到11 730 m3/s時，整個彎道段橫向流速均在0.4 m/s以上，其中入彎段極值約1.51 m/s，而出彎段極值也達到了1.32 m/s，船舶通航條件十分惡劣。

圖4 馬頭嶺急彎段航道內(nèi)最大橫向流速沿程變化

4 方案優(yōu)化

設(shè)計方案中提出的馬頭嶺急彎段航線布置，各級流量下航道水深、航道內(nèi)局部比降和縱向流速均可滿足通航要求，馬頭嶺急彎段的主要問題在于流量超過4 000 m3/s后，彎道橫向流速過大。

基于利用彎頂緩流區(qū)過彎的整治思路，利用數(shù)學(xué)模型進行了填潭與擴挖方案的探索性試驗。對于7 000 m3/s以上的流量，對比方案實施前、后的水位流速變化發(fā)現(xiàn)，水位變幅不超過0.03 m，流速大小與流向的改變也十分有限。因此主要從改變航線布置，以及改變上、下行船舶過彎方式著手，對馬頭嶺急彎段通航條件進行優(yōu)化(圖5)。

圖5 馬頭嶺優(yōu)化航線布置

與調(diào)整前相比變化較為明顯，橫向流速較大的航段原本處于入彎段位置，調(diào)整后此區(qū)域下移至馬頭嶺彎頂附近，下移的同時橫向流速值也大幅減小。原航線入彎段最大橫向流速在4 000 m3/s時已超過0.4 m/s，6 000 m3/s時超過0.8 m/s，當(dāng)流量為7 550 m3/s時達1.2m/s。航線調(diào)整后，當(dāng)流量不超過6 000 m3/s時，彎頂處橫向流速均在0.4 m/s以內(nèi)；當(dāng)流量在7 550 m3/s及以上時，最大橫向流速值達到0.8 m/s左右。

在馬頭嶺出彎段，調(diào)整前橫向流速也較大，7 550 m3/s時最大橫向流速可達0.8 m/s。調(diào)整后的航線，因采取利用彎頂緩流區(qū)過彎的思路，出彎段航道與水流流速基本順直，橫向流速較小，各級流量下最大橫向流速均在0.4 m/s以內(nèi)。

航道內(nèi)最大縱向流速、最大橫向流速沿程分布的分析結(jié)果(圖6)表明，馬頭嶺急彎段調(diào)整后的航線通航水流條件大幅改善，可將其作為解決急彎段礙航問題的優(yōu)化方案。結(jié)合船舶模擬試驗，船舶行駛經(jīng)過馬頭嶺彎道，無論采取何種航線布置，均會受到橫向流速的影響，特別是7 550 m3/s以上的洪水流量，橫向流速影響更為顯著，使船舶舵角與漂角均較大，航行軌跡連續(xù)性較差。通過充分利用馬頭嶺彎道彎頂處的緩流區(qū)，可以達到調(diào)整船舶航向的目的。在保證航道水深滿足要求的前提下，上行船舶入彎后先駛?cè)刖徚鲄^(qū)，在此調(diào)整航向后再出彎。同樣，下行船舶入彎后，進入緩流區(qū)調(diào)整航向，而后出彎進入下游。

圖6 馬頭嶺急彎段優(yōu)化航道內(nèi)最大橫向流速沿程變化

5 結(jié)語

1)沿程水位和斷面流速分布實測資料計算模型驗證結(jié)果表明，水位及斷面流速分布偏差滿足規(guī)范要求，能較好地模擬研究河段的水流運動情況。

2)樞紐上游水位變動區(qū)的通航設(shè)計水位受樞紐運行調(diào)度方案影響較大，應(yīng)結(jié)合樞紐運行調(diào)度方案及河段水文特征，充分考慮河段沖淤等影響因素綜合研究確定。

3)在疏浚、填潭等其他整治方案受限時，改變航線布置，以及改變上、下行船舶過彎方式是急彎段通航條件優(yōu)化的有效手段。

4)通常渠化樞紐庫區(qū)航段連續(xù)彎道在枯水流量時，上游為深水庫區(qū)，庫區(qū)河道內(nèi)水流平緩，斷面流速分布相對均勻，船舶基本可以按照既定的航線航行，航行風(fēng)險較低。中洪水流量時，船舶在彎道水域航行時產(chǎn)生的漂距和橫移速度均較大，且須長時間壓大舵角，存在一定的航行風(fēng)險。