白石窯一線船閘改擴建下引航道口門區通航水流條件研究

吳 霜，張緒進，謝春航，劉 洋，周 權

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

隨著我國航運事業的發展，許多已建船閘通過能力不能滿足航運量需求，需要對已建船閘進行擴能升級，提升船閘過閘運量。通常下游船閘會受到樞紐已建建筑物、地形河勢條件以及下泄水流的影響[1]，造成口門區出現斜流、橫向環流、回流等不良流態現象[2-4]。因此，許多學者針對此情況進行研究，如李艷[5]、楊峰[6]、尹崇清[7]及符蔚[8]等利用物理模型和數學模型結合的方法展開研究。

北江是珠江水系第二大河流，也是廣東省北部主要水路運輸通道之一。其干流全長258 km，由上至下建有孟洲壩、濛里、白石窯、飛來峽、清遠共5座船閘。近年來，受北江沿線經濟發展、港口航道規劃調整等因素的影響，北江過閘運量快速增長，原有船閘通過能力已不能滿足通航需求。為充分發揮北江水道的作用，相關部門啟動了北江航道擴能升級工作，擬將北江干流全線航道提升為Ⅲ級航道標準，通行千噸級船舶。目前孟洲壩、濛里、白石窯(船閘尺度220 m×23 m×4.5 m，長×寬×門檻水深)[9-10]二線船閘，清遠二線船閘，飛來峽二、三線船閘(船閘尺度220 m×34 m×4.5 m)[11-12]均已建成通航。而白石窯老一線船閘尺度僅為140 m×23 m×4.5 m，與其二線船閘尺度不匹配，通過能力也不能與上、下游樞紐航道相適應。在北江大部分船閘已完成擴能升級的背景下，白石窯老一線船閘將成為限制北江航運的“卡脖子”工程。因此，亟需研究白石窯一線船閘改擴建方案的可行性。

1 工程概況及河道特性

白石窯樞紐位于廣東省英德市上游25 km處，壩址多年平均流量532 m3/s，正常蓄水位37.32 m。設計洪水流量Q=11 200 m3/s(P=1%)，設計洪水位為39.48 m；校核洪水流量Q=14 200m3/s(P=0.1%)，校核洪水位為42.52 m。樞紐總體布置格局為：左岸為雙線船閘、中間22孔泄洪閘、右岸為電站廠房。其中電站廠房共5臺發電機組，機組最大滿發流量為1 300 m3/s。樞紐設計調度運行方式為：當流量Q<1 300 m3/s時，電站發電；當流量Q>1 300 m3/s時，電站滿發，多余流量將優先通過右區9孔泄洪閘控泄；當流量Q≥3 860 m3/s時，電站停機，全閘開啟敞泄洪水。

擬建白石窯一線船閘改擴建工程按Ⅲ級、可通行1 000 t船舶標準建設，與已建成通航的二線船閘尺度相同，即220 m×23 m×4.5 m。兩線船閘并列布置在樞紐左岸，改擴建的一線船閘閘位保持不變，船閘中心線與左側新建成的二線船閘平行，相距75.4 m。兩線共用上、下引航道，引航道寬為98.4 m，下引航道直線長395 m，其中導航調順段長170 m，靠船段長225 m，底高程19.32 m。船舶進出閘方式為直進曲出，下游引航道口門分別采用340 m、500 m轉彎半徑與下游航道相接。

現狀條件下，白石窯壩下河段河勢地形條件比較復雜。根據近期實測地形圖分析(圖1)，由于白石窯樞紐已建成運行多年，且大多數時間段為樞紐蓄水運行，右側電站發電，并且優先通過開啟右區泄洪閘下泄多余流量，進而導致壩下近壩河段存在較為嚴重的清水沖刷。受此影響，消力池后河槽地形散亂，凹凸不平，形成沖坑，最大深度達5～6 m。而電站下游河床長期在尾水的沖刷下，亦形成深槽，深槽最大深度達4 m。其后，樞紐下泄的高速水流逐漸擴散均勻，加之河道展寬，水流流速明顯減小，相應挾沙能力減弱，泥沙落淤。通過多年的演變，在壩下河段右側形成了規模大、形態完整的三板洲邊灘。三板洲全長約1 190 m，中部最寬闊處寬度為305 m，約占整個河道寬的五分之三(圖2)，嚴重束窄了河道的有效過流寬度。三板洲河段主槽位于河道左岸，與三板洲灘面高差約6.5 m，受三板洲束窄作用，主槽寬度僅為198 m。

圖1 樞紐布置及壩下河勢圖Fig.1 Layout of junction and river regime below the dam

圖2 典型橫斷面圖(單位：m)Fig.2 Typical cross-sectional view

在閘位確定的情況下，受整體河勢及既有建筑物布置影響，白石窯一線船閘改擴建工程下游口門區及連接段位于三板洲中下部的左側主河槽，處于三板洲束窄的河段，也是下游航線的轉彎段，環境條件復雜，研究下引航道口門區通航水流條件及改善措施是非常有必要的。

2 通航水力學試驗

本研究采用模型比尺為1∶100的正態整體物理模型對白石窯一線船閘下引航道口門區通航水流條件進行研究。模型范圍包括樞紐上游2 km至下游3.5 km，總長5.5 km，模型通過了水面線、流速流向的驗證，率定出了合適的河道糙率，達到了幾何相似、河床阻力相似和水流運動相似的要求，能夠滿足研究精度的要求。

2.1 通航水流標準及試驗量測設備

白石窯樞紐壩下河道寬闊，下泄水流引起的水面波動較小。而下引航道口門區位于樞紐下游1 km左岸處，在流經下引航道口門區時水面波動可以不考慮，只需考慮口門區流速。根據《內河通航標準》(GB50139-2014)對船閘引航道口門區通航水流標準規定：船閘上、下游引航道口門區水流最大縱向流速≤2.0 m/s、橫向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s。

試驗模型進口流量由三角堰或矩形堰進行控制，模型尾水位由翻板門和閘門控制、水位測針測定。表面流速采用西南水運工程科學研究所自主研制的XKVMS-03型大范圍表面流場測量系統進行快速準確測量。XKVMS-03表面流場測量及分析系統是基于粒子圖像測速法(PIV)原理，運用圖像處理、模式識別與快速時序處理等技術開發研制的新一代表面流場測量及分析系統。

2.2 初步方案下游引航道口門區通航水流研究

2.2.1 初步方案布置

為保證水流平順流入下引航道口門區，使水流盡量遠離口門區并向右側進行擴散，試驗初步方案對三板洲左側上游部分及主河槽進行了疏浚，具體方案如下：(1)疏浚挖槽上游與泄洪閘下游深槽相連，疏浚起始高程為21.82 m；疏浚挖槽下游與下引航道口門區右側銜接，疏浚終止高程為20.82 m，疏浚寬度約110 m，兩側邊坡為1：4，挖槽中心線與船閘下引航道軸線之間的交角約24°。(2)為進一步調整下游引航道口門區流向，對下引航道隔流堤外側的河床地形進行適當清理疏浚，其疏浚高程為24.82 m。

圖3 初步方案平面布置(單位：m)Fig.3 Layout of preliminary plan

2.2.2 通航水力學試驗分析

初步試驗觀測表明，當電站單機引用流量Q=250 m3/s時，口門區各項流速指標均未超標。隨著流量增加，當增加到兩臺機組發電流量Q=500 m3/s時，下泄水流受到三板洲阻水作用，主流經左側主河槽斜向流入下引航道口門區，口門區出現了橫向流速超標，最大橫向流速達到0.53 m/s，在口門區右側10～60 m范圍呈階梯分布(如圖4所示)。當流量Q>500 m3/s時，口門區流速超標強度和范圍進一步加劇，通航水流條件進一步惡化。

圖4 初步方案下泄流量Q=500 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.4 Flow velocity vector of the preliminary scheme with discharge flow Q=500 m3/s

由此可見，試驗初步方案確定的開挖方案對水流流向的改變有限，也不能較好地調整斷面流速分布。在三板洲的束窄作用下，左側主河槽過流寬度明顯不足，造成斷面流速分布不均，主流集中于下引航道口門區及連接段內下引航道口門區及連接段處；樞紐電站及泄洪閘下泄水流受到三板洲洲頭的阻水與分流作用，大部分水流斜向進入河道左側主河槽，造成水流與引航道軸線夾角達到24°以上，加之下引航道口門區及連接段處于航線轉彎段，流向與航線夾角亦較大。僅能使流量Q≤250 m3/s時口門區的通航水流條件滿足要求。隨著上游來流的進一步增大，口門區將形成強度大、范圍廣的橫向水流，水流流態差，通航條件惡劣，遠不能滿足船舶通航安全的要求。鑒于此，需要對三板洲進行更大范圍的開挖疏浚。

2.3 優化方案1下游引航道口門區通航水流研究

2.3.1 優化方案1布置

根據試驗初步方案成果可知，該方案對下泄水流流向及斷面流速分布調整有限，在三板洲的束窄作用下，水流并未明顯向右擴散，主流仍集中于左側主河槽。為調整水流流向及分布，優化方案1對三板洲進行更大范圍開挖疏浚(見圖5)。具體方案如下：

圖5 優化方案1平面布置(單位：m)Fig.5 Layout of optimization plan 1

(1)開挖疏浚寬度在初步方案基礎下進一步向右側三板洲擴挖75 m，即擴寬后疏浚寬度達到185 m。

(2)縱向疏浚范圍在設計方案基礎上向下延伸到引航道靠船墩末端附近，長約160 m，疏浚高程為20.82 m；下引航道靠船墩下游約300 m、橫向寬度為55～135 m的區域內，疏浚高程為19.82 m；在下游約400 m長、寬度約40 m區域內疏浚開挖高程為19.32 m。

2.3.2 通航水力學試驗分析

試驗結果表明，當下泄流量Q<1 000 m3/s時，各級典型流量下口門區各項流速指標均滿足規范要求。當下泄流量Q=1 000 m3/s時，口門區最大縱向流速為1.30 m/s，最大橫向流速為0.53 m/s，最大回流流速為0.14 m/s，橫向流速在口門區右側10～50 m范圍內超標(圖6)。當下泄流量Q>1 000 m3/s時，口門區流速超標幅度和范圍隨流量的增大而擴大。

圖6 優化方案1下泄流量Q=1 000 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.6 Flow velocity vector of optimization scheme 1 with discharge flow Q=1 000 m3/s

由此可見，通過進一步對三板洲開挖疏浚，在中小流量時主流右移至航槽右側邊緣位置，航槽左側區域流速明顯減小，水動力軸線向右偏移約10 m，口門區通航水流條件相較于初步方案有所改善。但由于口門區末端航線轉彎段及連接段是整個河段最窄位置，即使在疏浚擴挖后，主槽寬度也僅為125 m左右，而相應口門區寬度為100 m，連接段航槽寬度為90 m，行洪寬度與過流能力均嚴重不足，形成卡口，是下引航道口門區及連接段流速流態的控制性邊界條件。隨著流量的進一步增大(Q>1 000 m3/s)，通航水流條件仍不能滿足通航安全要求。

結合上下游河勢條件分析，優化方案1疏浚開挖方案末端已基本與下游英德北江大橋右主墩對齊，為確保橋梁橋墩安全及其主通航孔通航條件，三板洲進一步向右擴挖疏浚的空間有限，因此需考慮其他工程措施。

2.4 優化方案2下游引航道口門區通航水流研究

2.4.1 優化方案2布置

針對優化方案1存在的問題，考慮從引航道布置方案入手，配合三板洲開挖疏浚，實現改善下引航道口門區通航水流條件的目的。基于此，研究提出了優化方案2，如圖7所示。具體方案如下：(1)三板洲中上部疏浚寬度在優化方案1的基礎上向右局部擴挖疏浚，擴挖約25 m，總擴挖寬度達到210 m，三板洲下部疏浚寬度不變。(2)在一線船閘靠船墩末端增設長180 m直線隔流堤。

圖7 優化方案2平面布置(單位：m)Fig.7 Plane layout of optimization plan 2

2.4.2 通航水力學試驗分析

試驗結果表明，當下泄水流Q<3 860 m3/s時，口門區水流各項指標均滿足規范要求。當下泄流量Q=3 860 m3/s時，口門區最大縱向流速為2.35 m/s，最大橫向流速為0.33 m/s，最大回流流速為0.45 m/s，口門區縱橫向及回流流速在邊緣位置小范圍超標，其余大部分區域均滿足通航安全要求，如圖8所示。當下泄流量Q≥4 990 m3/s時，各項流速指標均全面超標(表1)。

圖8 優化方案2下泄流量Q=3 860 m3/s時的流速矢量圖(單位：m/s)Fig.8 Flow velocity vector of optimization scheme 2 with discharge flow Q=3 860 m3/s

表1 優化方案2下引航道口門區流速成果表Tab.1 Flow velocity of optimization plan 2 at the entrance of approach channel m/s

由此可見，相較于優化方案1，在隔流堤的挑流作用下，水流流向進一步向右側發生偏轉，水動力軸線向右偏移約25 m；同時，在隔流堤的掩蔽保護作用下，使得中水流量Q=3 000 m3/s、Q=3 860 m3/s時，口門區及連接段的水流整體流速明顯降低，其通航水流條件得到較大改善。

在前述水流條件試驗的基礎上進一步開展了自航船模試驗。船模驗證試驗亦表明，在隔流堤的保護作用下，靠船段下游180 m區域內水流平緩，可視為制動段；對于上行船舶可通過口門區左側緩流區進入制動段并降低航速制動停泊；對于下行船舶，由于對三板洲進行了疏浚開挖，拓寬了航線轉彎段的通航水域寬度，達到寬約180 m，在Q≤3 860 m3/s時，船舶能夠安全進出下引航道。

綜上所述，優化方案2可將最大通航流量提高至3 860 m3/s(樞紐設計敞泄分界流量)。結合北江水文資料分析可知，工程河段1 a中流量大于3 860 m3/s的天數屈指可數，從通航保證率而言，已能滿足III級航道的通航需求。因此，本方案可作為白石窯一線船閘改擴建工程的建設方案。

3 動床試驗

三板洲主要由砂卵石組成，一般層厚1.0～10.0 m，平均厚度5.87 m，優化方案2對三板洲進行了大范圍的疏浚開挖，三板洲河段泥沙淤積情況發生改變，存在下引航道口門區及連接段的淤積及三板洲挖槽的穩定性問題。為此，試驗在定床模型確定的方案基礎上，開展了動床系列年泥沙沖淤試驗。結合地形、地質和床沙組成進行動床制作，鋪沙厚6～10 cm(原型6～10 m)，并由斷面板控制鋪制動床初始地形，床沙鋪設合格后方可進行動床沖淤試驗。

動床沖淤試驗采用北江豐、中、枯系列及近期代表年水沙資料作為模型進口邊界條件，參照電站運行情況控制壩前水位，根據水位-流量關系控制模型下游尾門水位，進行系列年輸沙循環試驗。一個循環后暫停放水，觀測壩下游河段的沖淤情況、沖淤分布、沖淤量及厚度等，以掌握工程后的河床沖淤演變規律。試驗結果表明：

(1)淤積區域主要位于疏浚挖槽右側邊緣坡腳位置和下游引航道口門區及連接段處的左岸深槽處。疏浚挖槽右側邊緣坡腳淤積區域長約560 m。在第4年末，淤積厚度為0.2～0.7 m；在第8年末，淤積厚度為0.3～0.7 m。下游引航道口門區及連接段處的左岸深槽淤積區域長約270 m。在第4年末，淤積厚度為0.4～0.8 m；在第8年末，淤積厚度為0.6～0.9 m。

(2)沖刷區主要位于三板洲末端長約120 m的疏浚挖槽左側邊緣和左岸主河槽區域。在第4年末，沖刷深度為0.2～0.6 m；在第8年末，沖刷深度為0.3～0.5 m。

(3)經過系列年輸沙過后，三板洲河段床面形態將不斷往穩定的方向演變，泥沙沖刷及淤積量均較小，不存在單向淤積或單向沖刷趨勢，沖淤基本保持平衡。

由此可見，受到隔流堤束水和挑流作用，主流集中于三板洲疏浚挖槽中，水流流速大，挾沙能力強，上游來沙大部分被主流輸移至下游，僅在疏浚挖槽邊坡坡腳和下引航道口門區及連接段的緩流及回流區存在泥沙淤積。總體來說，工程實施后三板洲疏浚挖槽開挖邊坡穩定，整體上形態完整，穩定性較好；下引航道口門區及連接段泥沙淤積幅度不大，航深亦能滿足船舶吃水要求。

9-a 第4年末沖淤地形9-b 第8年末沖淤地形圖9 系列年泥沙沖淤地形Fig.9 Topography of sediment erosion and deposition in a series of years

4 結論

(1)受壩下三板洲和既有建筑物影響，白石窯一線船閘改擴建工程建設后，下引航道口門區通航水流較差，其口門區水流條件主要表現為流速大、夾角大、水流集中等流態。

(2)為改善口門區通航水流條件，試驗采用1∶100正態整體物理模型對下引航道口門區通航水流條件進行研究。試驗結果表明：優化方案2將最高通航流量提高至3 860 m3/s，改善的口門區及連接段通航水流條件能夠滿足Ⅲ級航道通航需求。因此，優化方案2可作為白石窯一線船閘改擴建工程建設方案。

(3)為驗證建設方案的穩定性，開展了動床系列年泥沙沖淤試驗。試驗結果表明：該建設方案下，三板洲整體形態完整，挖槽邊緣泥沙淤積變化小，總體穩定性好，下引航道口門區通航水流條件較好。試驗成果可為類似工程提供參考和借鑒。