樞紐引航道口門區利航流態的實現研究

歐陽天庭、魏必文

（江西省路港工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

引航道是在樞紐所在水域設定的用來引導船舶沿著安全航線進入或離開樞紐的專業航道[1]。受樞紐建筑空間分配的制約，樞紐引航道的水域空間相對狹窄，且嚴格受到航道墻線形的約束。其內部流態密切關系和影響船舶通航或靠泊的使用安全，尤其是引航道口門區，該區域是引航道水域與樞紐河道水域的鄰接區，擾流較多，流態復雜，是樞紐引航道建設的重點質量控制區域，也一直是樞紐引航道科研和工程控制的關注點[2-5]。

文章基于工程案例，借助有限容積積分法二維流仿真模擬技術，介紹原設計方案和兩種改進設計方案下引航道口門區流態模擬分析和改進設計等，最終確定實施具有較優利航流態的改進方案2 進行二線引航道續建，期望相關設計和分析成果能夠為樞紐引航道利航流態設計提供參考。

1 工程概述

案例為北江上的一處集調水、防洪、發電、航運等多項功能于一體的樞紐工程。其壩址控制流域總面積約16750km2，二類工程級別，三類主體建筑，按照洪水50 年一遇設計，主體為洪水校核500 年一遇，土壩重點監控區域為千年一遇。樞紐布局從左到右為：左岸土石壩、電站廠房、13 口泄水閘、船閘、右岸連接壩段。樞紐船閘引航道采取雙線設計，先后兩個工期建設。

一線船閘為V 級船閘，閘室臨界水深、寬度、長度分別為2.00m、14.00m、140.00m，可通航300t 級船舶。上游最低和最高通航水位分別為41.32m、45.82m，最大水頭9.00m，通航凈空8.00m。船舶上下水閘采取彎進直出設計。上游引航道右側主航道墻全長205.80m，其中包括182.40m 的直線段和23.40m 的擴展段，左側副航道墻包括長80.00m 直線航道墻段和42.00m 的圓弧航道墻段，上游引航道的底高程為38.82m。

二線船閘為Ⅲ級船閘，閘室臨界水深、寬度、長度分別為4.50m、23m、220.00m，可通航1000t 級船舶。兩座船閘布置在同一岸側，兩座船閘之間的軸向距離為80.00m，引航道寬度50.00m。上游引航道右航道墻為563.80m 的主導航墻，包括靠泊段415.00m 和直線導航段148.80m。靠泊段包括6 個靠泊碼頭和15 個系船柱。左側為全長約224.50m 的副導航墻，采取52.73m 半徑和49°圓心角的弧形延伸段設計，后接長160.00m 的直航段，引航道底高程為36.82m。

2 原設計方案

2.1 船閘平面布置

該樞紐的二線船閘擴改建工程按三級標準設計，閘室長×寬×高為220.00m×23.00m×4.50m，可通過1000t 級船舶。根據周圍環境和河道地形條件，將新船閘設計在原一線船閘的右岸側，兩船閘軸線距離為80.00m，新閘引航道采取向左側擴大的不對稱形式，開挖一線閘右岸山體形成所需航道空間，新閘盡量不影響舊閘的通航條件。船舶上行采取直入曲出的方式，新船閘上游引航道底高程為36.82m，寬度為50.00m。上游引航道右側的航道墻為主航道墻，全長563.80m，包括直行段148.80m，靠泊段415.00m。靠泊段設6 個靠泊碼頭，15 個系船柱。主航道墻的頂高程為48.50m。左側輔助導航堤采取52.73m 半徑、49°圓心角的弧形擴張段，后接直線導航段160.00m，副導航堤也是隔流堤，全長約224.50m，其頂面高程475.20m，齊平于一線閘的右側導航墻。

2.2 船閘上游引航道水流狀態

通過有限容積積分法二維流仿真模擬，獲得原設計方案下一、二線閘上游引航道的最大流速分布情況（見表1 和表2）。數據顯示，原設計方案、保持水庫正常蓄水和各級中小流量運行條件下，船閘上游引航道口門區的流速都比較小，滿足安全通航要求。但當流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時，受泄流和外導墻堤頭水流的影響，一線閘上游引航道口門區幾乎被橫流覆蓋，二線閘上游引航道口門區附近橫流也相對較大，影響船舶安全進出。這時二線閘的右導墻靠泊段基本全部暴露在動水中，流速較快，使船舶靠泊風險提高，有必要進一步優化調整。

表1 原設計方案下二線閘上游引航道的最大流速分布表（m/s）

表2 原設計方案下一線閘上游引航道的最大流速分布表（m/s）

模擬分析顯示，原設計方案下，因二線船閘的外導墻，即一、二線船閘的隔離墻較短，嚴重受到樞紐泄流、二線閘外導航墻的堤頭擾流影響。當流量≥1500m3/s、壩前汛限44.32m 時，一線閘上游引航道口門區存在較大的橫流，幾乎被橫流覆蓋。二線船閘右側的導墻靠泊段此時暴露在動水中，流速很大，可能影響船舶的通航安全，因此有必要通過優化方案來調節隔離墻長度，以控制和減少引航道口門區的擾流和橫流等問題。

3 共用引航道（改進方案1）

3.1 船閘平面布置

為了改善一線船閘上游引航道的水流條件，并大幅取消或縮短二線船閘上游引航道的外導墻，取消一線閘原上游引航道的外導墻圓弧段，并將直線段長度加長，以屏蔽和控制主河槽左側動水的影響，進而改善上游引航道的水流狀態。該上游引航道的底高程為36.82m，寬度為98.50m。

取消上游引航道外導墻圓弧段的同時，也取消一、二線船閘隔墻的直線段，但保留其拓寬圓弧段。同時按4.50 倍典型船長的標準，將一線閘外導航墻的直線段從80.00m 加長至304.00m，以利于在洪水期降低樞紐泄流和外導墻擾流的干擾，改善口門外側區域的通航水流狀態。

3.2 船閘上游引航道水流狀態

試驗數據顯示，方案1 改進條件下，正常流量2760m3/s 運行時，引航道口門區的縱向和橫向流速較小，未發生回流。流量處于2760～6630m3/s 時，受樞紐泄流、外導墻頭擾流影響，引航道口門區外側的橫向流速逐步加大，超過了設計要求。引航道口門區內側這時的縱向和橫向流速較小，水流平緩，可保證通航安全。上游引航道口門區縱向和橫向流速雖然呈隨流量增加而增加的趨勢，但其橫向流速以及超標范圍均有所降低，說明方案1 優于初始設計方案。但方案1 改進后，右側停泊區上段60.00～100.00m 的區間內仍存在縱向流速較大的情況，無法滿足安全靠泊的流態需求。試驗中還發現，共用上游引航道的外導航墻要處在深水庫區，作業難度和投資均相對較大，且這樣的布局不利于汛期行洪，有必要探討更優化的設計方案。

4 分用引航道（改進方案2）

4.1 船閘平面布置

方案2 是在方案1 的基礎上，分開配置船閘上游引航道，是考慮外導航墻配置狀態作出的一種新選擇，即在外導航墻上段約100.00m 范圍配置8 個透空導流孔，孔口高4.00m，寬2.70m，孔頂高程40.82m，底高程36.82m，且與導墻的直線段呈27°夾角，相鄰孔的中心間距設為12.00m。開孔墻體選擇插板式隔流墻，各孔插板由徑值2.50m 的灌注樁基礎連接。該方案的二線船閘上游引航道的外導墻全長375.00m。并且，在右岸上游彎道附近配置塊石填回護坡，既利于在彎道處調順水流方向，又能夠大幅度消化工程石渣棄方問題。右岸上游側塊石護坡段約500.00m，坡比1∶2.50，采取2 級回填方式，中間配置寬2.00m 的馬道，回填第1 級的頂高程為43.13m，回填第2 級的頂高程為47.50m。

4.2 船閘上游引航道水流狀態

4.2.1 方案2 對二線船閘通航水流條件的影響

當流量≤6630m3/s 時，二線船閘除上游引航道和入口區流速指標有個別點超標以外，通航安全基本可以得到保障；當流量＞6630m3/s 時，二線閘上游引航道口門區外導墻堤區域存在橫流超標。通過比較得知，相比于初始設計方案和改進方案1，方案2 形成的二線船閘引航道流態條件是三者中最好的，船舶安全靠泊長度較長。

4.2.2 方案2 對一線船閘通航水流條件的影響

方案2 采取的是分開布置一、二線船閘的上游引航道方案，二線船閘上游引航道由開挖右岸山體形成，其外導墻位處一線船閘的右岸邊，導航墻長375.00m，一線閘上游引航道入口區的外部狀態基本不變。方案2 的右岸河灣采用長約500.00m 的石砌防護墻，對改善一線船閘上游引航道口門區的水流條件有幫助。

2760m3/s 是維持電站滿發狀態下的樞紐流量狀態，1500m3/s 是樞紐45.82m 常規水位運行條件下的樞紐流量狀態。表3 數據顯示，二線船閘改造方案2實施前后，樞紐中小流量條件下，一線船閘上游庫區及上游引航區的流態保持完好。當達到流量2760m3/s時，一線引航道口門區的縱向和橫向流速峰值分別為1.12m/s 和0.34m/s，最大流速位處一線船閘外導流墻的堤頭附近，引航道口門區內未發生回流，通航水流條件較好，基本與現狀一致。說明按修改方案2 建設二線閘后，一線閘上引航道的通航水流條件不會受到不利影響，前后基本保持不變。

表3 實施方案2 后一線閘口門區的流速改變數據表（m/s）

5 結論

文章結合案例樞紐工程實際情況，梳理原設計方案和兩個改進設計方案下的船閘平面布置及對應的船閘上游引航道水流狀態模擬分析結果。分析顯示：

其一，在原設計方案中，船閘上游引航道雙線采用分離式布置方案，在保持水庫正常蓄水和各級中小流量運行條件下，船閘上游引航道口門區的流速都比較小，滿足安全通航要求。但當流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時，一線閘上游引航道口門區幾乎被橫流覆蓋，二線閘上游引航道口門區附近橫流也相對較大，影響船舶安全進出，因此需要改進設計。

其二，在改進方案1 中，兩線船閘采取共用上游引航道的設計方案，雖然該方案優于原設計方案，但仍存在右側停泊區縱向流速仍然相對較大的情況，無法滿足安全靠泊的流態需求；外導航墻要處在深水庫區，作業難度和投資均相對較大；布局不利于汛期行洪等不足。

其三，改進方案2 采取分開配置船閘上游引航道、加長引航道外航道墻的長度、整治右岸河灣坡岸、堤頭段配置8 個導流開孔等改進措施。引航道口門區流態分析顯示，方案2 進一步改善了之前方案不能充分解決的導航墻堤頭回流、斜流等不利流態，且船舶安全靠泊區較長、工程投資小、施工難度低，因此工程最終采用該方案進行二線船閘和引航道建設。