滄江水利樞紐船閘通航水流條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

丘佳永，練偉航，張廣傳，宮鵬杰

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

1 概況

滄江水利樞紐工程位于廣東省佛山市高明區(qū)高明河(又稱(chēng)滄江河)微彎河段，由水閘、泵站、船閘三部分組成，是以防洪、排澇為主，兼顧灌溉、航運(yùn)等的Ⅱ等大(2)型綜合性水利樞紐工程。由于水閘和船閘已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)40多年，部分工程質(zhì)量、安全級(jí)別等不能滿(mǎn)足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，擬原址重建(見(jiàn)圖1)。

圖1 滄江水利樞紐工程平面布置示意

重建工程正常蓄水位為2.00 m(珠基，下同)，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%)，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)。其中船閘布置在河道左岸，右側(cè)緊靠泵站，為Ⅵ(2)級(jí)單線(xiàn)單級(jí)船閘，閘室有效尺寸為100 m×12 m×1.6 m(長(zhǎng)×寬×門(mén)檻上最小水深)，設(shè)計(jì)最大通航船舶為100 t，上、下游設(shè)計(jì)最高通航水位均為6.00 m，上、下游設(shè)計(jì)最低通航水位均為-0.464 m(見(jiàn)圖2)。

圖2 設(shè)計(jì)方案船閘平面布置示意

工程處于微彎河段，上游河床主槽偏于左岸，洪水流經(jīng)閘址右側(cè)泄水閘后，又偏向左岸擴(kuò)散下泄，由此導(dǎo)致船閘通航水流條件較為復(fù)雜。為探明并改善船閘出入水流條件，采用整體水工模型試驗(yàn)，對(duì)船閘上、下游引航道及口門(mén)區(qū)布置的設(shè)計(jì)合理性開(kāi)展深入研究。

2 模型設(shè)計(jì)及方案試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)模型試驗(yàn)規(guī)程規(guī)范要求，結(jié)合工程河段河勢(shì)及工程布置特點(diǎn)，樞紐整體水工模型上邊界取至閘址上游約1.5 km，約為閘址處河寬的7.5倍，模型下邊界取至閘址下游約1.2 km，約為閘址處河寬的6倍，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為1∶60的正態(tài)模型。

試驗(yàn)工況采用最高通航水位(洪水標(biāo)準(zhǔn)P=20%、Q=951 m3/s)、最低通航水位、泄水閘閘門(mén)控制泄流等工況組合。

試驗(yàn)顯示，最高通航水位工況下，泄水閘全開(kāi)泄洪時(shí)，閘上游河道水面流速小于1.0 m/s，部分水流流經(jīng)上游引航道停泊段進(jìn)入水閘，停泊段近岸側(cè)存在局部回流，最大回流流速約為0.4 m/s；停泊段區(qū)域水流流向與船閘中心線(xiàn)(航線(xiàn))的夾角小于35°，由此可計(jì)算得出垂直航線(xiàn)的最大橫向流速約為0.5 m/s(見(jiàn)圖3)。過(guò)閘水流部分流經(jīng)泵站出口區(qū)域，進(jìn)入船閘下游引航道停泊段，停泊段近岸側(cè)同樣存在局部弱回流，最大回流流速約為0.2 m/s。停泊段出口區(qū)域流速小于0.2 m/s。

a 船閘上游

最低通航水位工況下，閘上游河道水面流速小于0.7 m/s，上、下游引航道停泊段近岸側(cè)均存在局部弱回流，回流流速均小于0.2 m/s；計(jì)算得出垂直航線(xiàn)的最大橫向流速約為0.3 m/s(見(jiàn)圖4)。

a 船閘上游

試驗(yàn)表明，船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)均出現(xiàn)不同程度的局部回流和橫流流態(tài)，通航水流條件不能滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 優(yōu)化方案試驗(yàn)

3.1 優(yōu)化方案布置

綜合工程所在河段河勢(shì)、河床主槽分布特點(diǎn)，提出河道清淤+延長(zhǎng)導(dǎo)航墻的優(yōu)化思路。

河道清淤的試驗(yàn)方案包括樞紐上游河床不同范圍分別清淤至-2.00 m、-3.00 m高程，水閘下游防沖槽段后河床局部清淤寬度80 m和60 m，清淤高程分別為-2.00 m、-3.00 m；延長(zhǎng)導(dǎo)航墻方案主要是延長(zhǎng)停泊段右側(cè)導(dǎo)航墻，包括上游停泊段右側(cè)導(dǎo)航墻長(zhǎng)度延長(zhǎng)30 m、50 m，下游停泊段右側(cè)導(dǎo)航墻長(zhǎng)度延長(zhǎng)30 m、50 m等。對(duì)以上方案開(kāi)展了不同組合的試驗(yàn)，經(jīng)比較，最終確定較優(yōu)的優(yōu)化方案是：上、下游河道分別局部清淤至-3.00 m高程，船閘上游停泊段右側(cè)導(dǎo)航墻長(zhǎng)度延長(zhǎng)30 m(見(jiàn)圖5)。

a 樞紐上游清淤范圍

3.2 試驗(yàn)效果分析

試驗(yàn)表明，上游河床局部清淤后拓寬了右側(cè)河道過(guò)流斷面，上游來(lái)流可較快向泄水閘側(cè)擴(kuò)散，進(jìn)閘主流向河道中間偏移，同時(shí)上游引航道右側(cè)導(dǎo)航墻延長(zhǎng)后，可有效隔開(kāi)水流對(duì)引航道口門(mén)區(qū)流態(tài)的不利影響。在最高通航水位工況下，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)范圍平行航線(xiàn)縱向流速小于0.7 m/s，水流流向與船閘中心線(xiàn)(航線(xiàn))的夾角小于20°，計(jì)算得出垂直航線(xiàn)的最大橫向流速約為0.27 m/s(見(jiàn)圖3a)。在最低通航水位工況下，上游引航道口門(mén)區(qū)范圍平行航線(xiàn)縱向流速小于0.5 m/s，水流流向與船閘中心線(xiàn)(航線(xiàn))的夾角小于15°，計(jì)算得出垂直航線(xiàn)的最大橫向流速約為0.1 m/s(見(jiàn)圖4a)。

下游河床局部清淤后，出閘水流主要經(jīng)清淤范圍下泄，各試驗(yàn)工況下船閘下游引航道口門(mén)區(qū)范圍流態(tài)較為平穩(wěn)，平行航線(xiàn)縱向流速小于0.3 m/s，未見(jiàn)明顯的橫流或回流(見(jiàn)圖3～圖4)。

針對(duì)最高通航水位工況下，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)仍存在橫向流速略大于規(guī)范要求的情況，考慮到工程河段水位受西江洪水頂托影響，試驗(yàn)選取了上游來(lái)流量分別為800 m3/s、700 m3/s、600 m3/s，下游水位為最高通航水位6.00 m的工況組合，進(jìn)一步論證船閘的通航水流條件。

試驗(yàn)表明，當(dāng)下游水位為6.00m時(shí)，上游來(lái)流量為800 m3/s或700 m3/s時(shí)，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)仍存在不同程度的橫流流態(tài)，易造成通航安全隱患；上游來(lái)流量為600 m3/s時(shí)，船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)流態(tài)均較為平穩(wěn)，各項(xiàng)水流要素均滿(mǎn)足規(guī)范要求，船只可安全通行。因此，建議船閘最大通航流量不超過(guò)600 m3/s。

根據(jù)樞紐的水位、流量關(guān)系成果，上游來(lái)流量600 m3/s時(shí)，下游對(duì)應(yīng)水位約為6.67m，選取的600 m3/s流量與6.00 m水位的組合工況，其試驗(yàn)成果相對(duì)是安全的。此外，根據(jù)洪水頻率綜合計(jì)算成果，600 m3/s流量級(jí)洪水出現(xiàn)的概率平均為1年不到2次，限制性通航對(duì)船閘的正常運(yùn)行和管理影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

彎曲河段上布置的船閘，其通航水流條件往往受河勢(shì)、彎道水流等不利影響，而不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。本文針對(duì)典型工程存在的引航道口門(mén)區(qū)不良流態(tài)問(wèn)題，結(jié)合工程河段河勢(shì)、河床主槽分布特點(diǎn)，提出河道清淤、延長(zhǎng)導(dǎo)航墻、限制最大通航流量的優(yōu)化組合措施，較好的改善了船閘的通航水流條件，提高船閘通航安全性。研究成果已應(yīng)用于工程建設(shè)，并取得了預(yù)期效果，可供類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)參考。