湘江永衡三級航道瀟湘樞紐船閘改造工程通航水流條件研究

◎ 呂睿 永州市交通信息中心

1.工程概況

本研究依托工程為湘江永州至衡陽三級航道改擴建工程中瀟湘樞紐船閘改造工程。范圍為湘水干流永州市冷水灘區瀟湘樞紐船閘各工程點上游2.5km，下游2.5km的河段。工程對瀟湘樞紐船閘進行改造，改造后等級為Ⅲ級，閘室有效尺度為200m×23m×5.0m。設計代表船型為1000噸級機動貨船，改建一線船閘2035年單向通過能力為698萬噸，2050年單向通過能力為868萬噸，分別滿足2035年和2050年預測的單向過閘貨運量499萬噸（上水）、575萬噸（上水）的要求。

瀟湘樞紐于1993年開工建設，約2004年初通航。瀟湘樞紐工程有攔河壩、水電站廠房、變電站、西河土壩及航運單級船閘、壩頂及廠房上游設有20m寬公路大橋。攔河壩布置在東河（右汊），緊接東河左岸為電站主廠房、端部副廠房，西河（左汊）左岸岸邊布置船閘。樞紐平面布置示意見圖1所示。瀟湘樞紐為低水頭閘壩工程，壩高28m，溢流壩左岸、宋家洲右側布置河床式廠房，安裝4臺13MW燈泡式水輪發電機組。

圖1 瀟湘樞紐布置示意圖

原瀟湘船閘為10 0 t 級，水工結構為襯砌結構，閘室結構尺寸為：80.0m×8.0m×2.0m，設計年通過能力為70萬噸，船閘上、下游直線導航墻長35m，目前該船閘基本為停航狀態。

2.樞紐上游通航水流條件

本文基于工程河段二維水流數學模型[1-5]，開展工程方案實施后通航水流條件模擬研究。如圖2給出了工程方案實施后船閘上游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，圖3給出了部分流量下的航道范圍內縱向流速、橫向流速分布。其中縱向流速為負值表示回流，橫向流速向左為正，向右為負。

圖2 船閘上游航道沿程流速變化

圖3 Q=11508m3/s時船閘上游航道縱向、橫向流速分布

（1）在該方案條件下，在進一步將分流口附近的突嘴切除、航道向左岸側平移35m后，因在分流口附近航道更靠近左岸邊，與設計方案相比，航道流速總體上呈明顯減小態勢；與現狀情況相比，除局部較小范圍內的流場具有一定變化外，對河道總體水流格局影響不大。

（2）航道縱向流速變化主要從沿程斷面最大縱向流速變化和航中線縱向流速變化兩個方面分析。從航道沿程斷面最大縱向流速來看，在距船閘1430m位置的下游區域，各級流量下一般小于1m/s；在距船閘1430～1630m區域，當Q≥6000m3/s時，沿程斷面最大縱向流速呈快速增加態勢，在距船閘1630m位置，Q=6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s時，分別為1.66m/s、1.95m/s、2.09m/s、2.15m/s，比設計方案一分別減小0.13m/s、0.22m/s、0.28m/s、0.31m/s；在距船閘1630～1830m區域，各級流量下航道流速增幅有所變緩。

（3）航道橫向流速變化主要從沿程斷面最大橫向流速變化和航中線橫向流速變化兩個方面分析。修改方案一條件下，在距船閘1230～1630m區域，Q=7398m3/s、11508m3/s時，航道沿程斷面最大橫向流速最大分別為0.36m/s、0.46m/s，與設計方案一相比，分別減小0.18m/s、0.24m/s，航中線橫向流速最大分別為0.19m/s、0.25m/s，與設計方案一相比，分別減小0.23m/s、0.25m/s。

Q=11508m3/s，航道橫向流速最大為0.46m/s，橫向流速超過0.3m/s的長度為150m，最大寬度約占航道的40%，該流量級下，航中線橫向流速均小于0.3m/s。

船閘上游引航道位于宋家洲左汊，引航道及口門區基本為靜水，水流條件較好；但船閘上游1230～1630區域，因位于西河分流口附近，航道流速梯度大，且受左岸突嘴影響，航道較為彎曲，是影響船舶安全進出閘的關鍵區域。工程實施后將左岸突嘴完全切除，將航道向左岸側平移35m后，航道內縱向流速及橫向流速明顯減小，大型船舶操縱模擬結果表明，在該方案條件下，船閘上游最大通航流量可由設計階段的2年一遇提高到10年一遇。

3.樞紐下游通航水流條件

根據各級流量的流場情況，選擇Q=1000m3/s、6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s作為典型流量對修改方案一條件下航道的流場及流速進行分析。圖4給出了工程方案實施后船閘下游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，圖5給出了部分流量下的航道范圍內縱向流速、橫向流速分布。其中縱向流速為負值表示回流，橫向流速向左為正，向右為負。

圖4 船閘下游航道沿程流速變化

圖5 Q=11508m3/s時船閘下游航道縱向、橫向流速分布

（1）在該方案條件下，將透空導堤的透空段變為非透空型式后，距船閘1200m的上游區域因導堤的掩護作用，航道內基本為靜水；與設計方案一相比，距船閘1200～1600m區域，航道右側邊緣處航道流速略有增大。

（2）航道縱向流速變化主要從沿程斷面最大縱向流速變化和航中線縱向流速變化兩個方面分析。從沿程斷面最大縱向流速來看，距船閘1200m的上游區域，以Q=11508m3/s時最大，為1.19m/s；距船閘1200～1600m區域，位于導堤堤頭下游約400m范圍，該區域航道斷面沿程最大縱向流速隨流量增加而增大，Q≤7398m3/s時，小于1.88m/s，Q=9900m3/s、11508m3/s時，分別為2.09m/s、2.22m/s。

（3）航道橫向流速變化主要從沿程斷面最大橫向流速變化和航中線橫向流速變化兩個方面分析。從航道沿程斷面最大橫向流速來看，距船閘1200m的上游區域，Q≥6000m3/s時，航道邊緣僅個別測點超過0.3m/s，其余一般小于0.15m/s；距船閘1200～1600m區域，位于導堤堤頭下游約400m范圍，從各級流量來看，該區域航道橫向流速最大，主要集中在航道右側邊緣局部區域，以Q=11508m3/s時最大，為0.62m/s，超過0.3m/s的最大寬度為23m，約占航道斷面寬度的29%。

從航中線橫向流速來看，距船閘1200m的上游區域，各級流量下一般小于0.1m/s；距船閘1200～1600m區域，僅個別測點大于0.3m/s，其余一般均小于0.3m/s。

（4）各級流量下，船閘下游引航道宋家洲洲尾處航道的回流流速較小。

該工程方案將透空導堤修改為非透空型式，同時，在堤頭布置4個長35m的導流墩，試驗結果表明，船閘下游連接段航道回流流速較小，船閘下游1200～1400m區域，航道斜流有所減弱，航道最大橫流降至0.62m/s；在樞紐泄洪流量Q≤7398m3/s時，一般僅航道右側邊緣個別測點超過0.3m/s；Q=11508m3/s時，橫流雖略有增大，但一般普遍小于0.4m/s，超過0.3m/s的最大寬度為23m，約占航道斷面寬度的29%，航中線最大橫流僅0.17m/s，該方案對航道水流條件也具有較好改善作用。

分析可知，工程建成后，壩上河段河道流速、流態不會發生大的變化。在壩下河段，由于隔水墻、導流墩的作用，減小了左側航道的橫向流速，減小了大壩泄洪對左岸（當沖岸）的岸坡及沖刷作用，相應得使得流態變化，水流中泓略向右偏，對右岸可能產生沖刷。導流墩頂高程為96.00m，在小洪水時（2年一遇及以下洪水），對河勢的影響相對較明顯。隨著水位的升高，水位淹沒導流墩的水深加大，影響會逐漸減小。導流墩距離右岸約400m，根據同類工程經驗，經一定距離擴散后，右岸近岸流速變化較小，且右岸為凹岸（非當沖岸）現狀也建有堤防及護坡工程，抗沖能力較強。因此，隔水墻、導流墩對河勢的影響主要體現在對河床的局部沖刷上。

4.結語

基于建立的工程河段二維水流數學模型，針對湘江永州至衡陽三級航道改擴建工程中瀟湘樞紐船閘改造工程建設對通航水流條件的影響開展研究。分析了工程方案實施后船閘上游近壩段航道沿程斷面最大縱向流速、航道沿程斷面最大橫向流速、航中線縱向流速、航中線橫向流速，討論了不同流量條件下航道范圍內縱向流速、橫向流速分布特征。