韓江東山樞紐二線船閘通航條件試驗(yàn)研究

余丹亞，王廣祿，王常紅

(1.廣東省航道事務(wù)中心，廣州 510115；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通 行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

韓江是廣東省第二大河流，由梅江和汀江匯合后而成，以梅江為主流，韓江干流航道是粵東地區(qū)的主要內(nèi)河航運(yùn)干線，是潮州港(海港)唯一的內(nèi)河集疏運(yùn)通道。隨著韓江流域梅州市、潮州市、汕頭市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和潮州港的迅速發(fā)展，建設(shè)韓江三河壩至潮州港擴(kuò)能升級(jí)工程已顯得非常必要和迫切。航道擴(kuò)能升級(jí)工程擬在現(xiàn)航道基礎(chǔ)上，通過航道整治、疏浚、船閘新建重建、橋梁處理等建設(shè)將研究河段航道等級(jí)提升為 1 000 t級(jí)(或 500 t級(jí))航道，為配合該項(xiàng)目的前期研究，對(duì)東山樞紐的新建船閘進(jìn)行了整體定床物理模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)，為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 樞紐概況

東山水利樞紐系大型新建水利工程。工程壩址位于豐順縣東山村，工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)。樞紐平面布置從左到右依次為土壩、300 t級(jí)船閘、泄水閘及發(fā)電廠房，其中船閘有效尺度為200 m×14 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×門檻最小水深)。電站裝機(jī)6臺(tái)，總?cè)萘繛?.5萬kW，單機(jī)容量為1.25萬kW，年平均發(fā)電量3.1億kW·h。泄水閘閘孔凈寬14 m，共設(shè)19孔，最大通航船舶為300 t級(jí)。

2 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)流量

2.1 模型范圍

物理模型設(shè)計(jì)為1∶80正態(tài)定床模型[1]，模型范圍包括：上起樞紐壩址上游2.6 km的峽谷河段，下至樞紐下游3 km處，模擬河段全長(zhǎng)約5.6 km。

2.2 設(shè)計(jì)代表船型

根據(jù)《韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級(jí)工程可行性研究報(bào)告》，本次試驗(yàn)代表船型尺度為[2]：67.5 m×10.8 m×2.2 m(船長(zhǎng)×船寬×滿載吃水)，由船模與實(shí)船各參數(shù)之間的比尺關(guān)系，可計(jì)算出代表船型船模的主要尺度參數(shù)，見表1。

表1 實(shí)船與船模船型及主要尺度表Tab.1 Main scale of ship and ship model

表2 東山樞紐試驗(yàn)流量級(jí)Tab.2 Test flow level of Dongshan water conservancy project

2.3 試驗(yàn)流量級(jí)

模型試驗(yàn)水文工況擬采用數(shù)學(xué)模型提供的各工況條件下水文組合，綜合選擇以下試驗(yàn)工況(表2)進(jìn)行定床物理模型試驗(yàn)。

3 天然水流特性試驗(yàn)

通過11級(jí)典型流量級(jí)的試驗(yàn)表明：(1)東山樞紐上游1.4 km處河道為彎曲河段，受兩岸地形控制，河道彎曲縮窄，水流湍急；下游近壩段為順直河段，樞紐下400 m河道中有一長(zhǎng)560 m寬為250 m的心灘，枯水時(shí)水流分為分汊，淺灘下游兩岸有大量的丁壩群，枯水時(shí)丁壩對(duì)水流的挑流作用明顯[3-4]。(2)在電站發(fā)電、泄水閘關(guān)閉的調(diào)度方式運(yùn)行時(shí)，樞紐上游段基本為靜水，下游近壩段電站尾水水流湍急，流態(tài)紊亂。 (3)泄水閘敞泄時(shí)，樞紐上下游河段的流速隨著流量增加逐漸變大，最大流速集中在樞紐上游1.4 km的彎道河段。樞紐上游流速為2.5～5.5 m/s，樞紐下游主航道流速為1.0～3.5 m/s。當(dāng)流量為6 000 m3/s，樞紐上游700～1 400 m范圍內(nèi)河道流速達(dá)到3.0 m/s，最大流速接近3.5 m/s。隨著流量的增加，流速隨之增大，河道內(nèi)流速超過3 m/s的范圍也隨之?dāng)U大。當(dāng)流量為9 770 m3/s時(shí)，樞紐上游1.5 km范圍內(nèi)的河道流速均都超過3 m/s，最大流速接近4 m/s。當(dāng)流量為17 800 m3/s時(shí)，樞紐上游1.5 km范圍內(nèi)的河道流速都超過4 m/s，最大流速接近5.5 m/s。

4 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

4.1 工程布置

新建二線船閘建設(shè)規(guī)模為1 000 t級(jí)，船閘級(jí)別為Ⅲ級(jí)船閘。船閘有效尺度為220 m×23 m×3.6 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)。二線船閘布置在東山水利樞紐的左岸，上下閘首、閘室的結(jié)構(gòu)型式為整體式結(jié)構(gòu)[4]，上閘首長(zhǎng)42.0 m，閘室長(zhǎng)210.0 m，下閘首長(zhǎng)36.0 m，上、下游口門區(qū)均位于彎道段，彎曲半徑僅338 m。

上、下游引航道按?？?排2列船舶等候過閘布置，對(duì)樞紐下游的心灘削填平整，從原有船閘的堤頭向下按照1：92的坡度將高程從14.65 m降至12 m，以此往下將原淺灘高程超過12 m的部位開挖至12 m。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)水位變化。

工程建設(shè)前后樞紐上下游沿程水位變化較小，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的水位略有降落，幅度均在0.10 m以內(nèi)。

(2)通航水流條件。

1)上引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件。

在設(shè)計(jì)最高通航流量(11 800 m3/s)以內(nèi)，樞紐各運(yùn)行工況下船閘上游引航道口門區(qū)的流速均較小，通航水流條件滿足要求。

在樞紐敞泄前(2 500 m3/s流量以內(nèi))，上游引航道連接段基本為靜水；敞泄時(shí)隨著流量的增加河道內(nèi)流速逐漸增大，在流量大于6 000 m3/s時(shí)，連接段的航道內(nèi)流速超過2 m/s，由于水流與航道存在交角，橫向流速均在0.3 m/s以上，最大達(dá)到1 m/s，連接段的末端通航水流條件較差。

2)下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件。

在設(shè)計(jì)最高通航流量以內(nèi)，樞紐各運(yùn)行工況下船閘下游引航道口門區(qū)的流速較小，僅當(dāng)流量為11 800 m3/s時(shí)小范圍內(nèi)略有超標(biāo)，通航水流條件基本滿足要求。

在樞紐敞泄前(2 500 m3/s流量以內(nèi))，下游引航道連接段的流速較小，橫向流速在0.3 m/s左右；樞紐敞泄時(shí)隨著流量的增加河道流速逐漸增大，當(dāng)流量為6 000 m3/s時(shí)，連接段的靠近水流側(cè)流速大于1 m/s，且水流與航道存在較大交角，橫向流速超過0.6 m/s。

(3)船模試驗(yàn)。

上游：6 000 m3/s以下流量，船舶基本可順利通過口門區(qū)及連接段，流量為6 000 m3/s時(shí)，上行船舶用4 m/s的靜水航速上行出口門區(qū)比較順利，隨著連接段流速的增大，對(duì)岸航速明顯減小，連接段末端平均對(duì)岸航速降低至1.9 m/s(圖1)，下行時(shí)船舶打斜，航跡帶較寬，當(dāng)流量大于6 000 m3/s時(shí)，船舶上行至錨地時(shí)已無法通過。

下游：受口門區(qū)彎道影響，船舶需要沿航道中線進(jìn)出，受連接段斜流的影響，上行船舶需打斜航行，航跡帶較寬，船舶向左岸漂移(圖2)，船位可控制在航道內(nèi)，下行船舶出口門區(qū)后將船位調(diào)整至航道中線右側(cè)通過斜流區(qū)。

圖1 船舶上行航態(tài)圖(上游Q=6 000 m3/s)Fig.1 Ship's upper flight state diagram of design project (upstream Q=6 000 m3/s)圖2 設(shè)計(jì)方案船舶上行航態(tài)圖(下游Q=6 000 m3/s)Fig.2 Ship's upper flight state diagram of design project(downstream Q=6 000 m3/s)

5 修改方案試驗(yàn)

設(shè)計(jì)方案存在的主要問題：(1)上游引航道連接段末端距離樞紐上游的彎道僅有400 m，彎道段兩岸地勢(shì)陡峻，水流集中在窄深的河道內(nèi)，水流急，且主流靠右，當(dāng)敞泄時(shí)，連接段水流與航道存在夾角，且上游來流迅急，流速大。船舶上行時(shí)在連接段的末端以4 m/s的航速無法上行，下行時(shí)船尾大幅度偏移，存在安全隱患。

(2)下游引航道連接段的水流與航道交角過大，船模下行時(shí)存在掃尾的危險(xiǎn)。在下游流速未超過2 m/s時(shí)，仍有較大橫向流速。

由于東山樞紐船閘所處位置邊界條件較為復(fù)雜，二線船閘只能布置在現(xiàn)有船閘左側(cè)，通過調(diào)整船閘平面布置方案改善船閘上、下游口門區(qū)及連接段通航水流條件的空間不大，因此只能通過試驗(yàn)局部調(diào)整上下游引航道的連接段。

5.1 修改方案布置

針對(duì)船閘上游引航道連接段末端水流與航道交角較大問題，將上游連接段航道向左岸側(cè)偏移[5]，船閘上游停泊區(qū)由原來的雙排雙列改為單排四列；針對(duì)船閘下游引航道連接段水流與航道交角較大問題，將口門區(qū)下游圓弧段調(diào)整順直，在下游左岸側(cè)不拆遷的基礎(chǔ)上，盡量減小連接段航道與水流方向交角。具體見圖3和圖4。

圖3 修改方案工程布置圖(上游)Fig.3 Layout plan of modification project (upstream)圖4 修改方案工程布置圖(下游)Fig.4 Layout plan of modification project (downstream)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)對(duì)防洪影響。

本方案與設(shè)計(jì)方案工程布置相比，僅將引航道位置向左偏移，岸線繼續(xù)向左拓寬，沒有減小河道的過水?dāng)嗝?，工程建設(shè)前后樞紐上下游沿程水位同設(shè)計(jì)方案基本一致。新建二線船閘工程不會(huì)對(duì)河段防洪產(chǎn)生不利影響。

(2)上引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件。

①在Q≤11 800 m3/s時(shí)，船閘上游口門區(qū)流速基本滿足規(guī)范限值要求[6]，但由于口門區(qū)處于彎道段，船舶上、下行時(shí)存在個(gè)別較大舵角和漂角，因此進(jìn)出此段需要單向航行；

②將上游連接段向左順直偏移后，和設(shè)計(jì)方案相比連接段的流速值和水流夾角都變小，橫向流速值相應(yīng)變小，在流量為11 800 m3/s時(shí)最大橫向流速值為0.6 m/s，出現(xiàn)在連接段的末端航中線右側(cè)；

③船模試驗(yàn)表明：連接段的水流條件較設(shè)計(jì)方案有了明顯改善，船舶可順利通過口門區(qū)及連接段，在距堤頭0～500 m范圍內(nèi)，船舶下行存在較大的最大舵角(圖5)，為了船舶安全航行，船舶應(yīng)避免在上游錨地與口門區(qū)之間會(huì)船。

(3)下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件。

①在Q≤11 800 m3/s時(shí)，船閘下游口門區(qū)流速滿足規(guī)范限值要求；

②將下游連接段向左偏移后，和設(shè)計(jì)方案相比連接段的流速值和水流夾角都變小，橫向流速值相應(yīng)變??；但當(dāng)流量在6 000 m3/s以上時(shí)連接段的末端與主航道銜接段，仍有較大的橫向流速值；考慮到連接段的左岸為緩流區(qū)，大流量時(shí)水深滿足要求的條件下船舶可沿左岸的緩流區(qū)航行。

③船模試驗(yàn)表明：在流量6 000 m3/s以上時(shí)，上行船舶航行至連接段末端時(shí)需打斜航行，航跡帶較寬，船位可控制在航中線；船舶下行至該航段時(shí)，船位向左岸漂移至航道邊線，緊貼左岸的丁壩壩頭。從船舶航行參數(shù)看，上行船舶在口門區(qū)的彎道段舵角較大，最大為25.9°；下行船舶在距口門300～400 m航段舵角超過20°，最大為22.7°，漂角超過10°的航段在距口門300～500 m，最大為-17.2°(圖6)。因此，受連接段斜流和口門區(qū)彎道的影響，船舶需單向航行通過口門區(qū)及連接段水域，船舶應(yīng)避免在口門區(qū)及連接段會(huì)船。

圖5 優(yōu)化方案船舶下行航態(tài)圖(上游Q=6 000 m3/s)Fig.5 Ship's down flight state diagram of modification project (upstream Q=6 000 m3/s)圖6 優(yōu)化方案船舶下行航態(tài)圖(下游Q=6 000 m3/s)Fig.6 Ship's down flight state diagram of modification project (downstream Q=6 000 m3/s)

6 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)方案和修改方案的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)修改方案使樞紐上下游連接段的通航水流條件有所改善[7]，連接段的末端橫向流速值變小，船舶更容易通過連接段。(2)由于平面布置空間的限制上下游口門區(qū)均位于彎道段，船舶在此航行存在個(gè)別較大的漂角和舵角，因此船舶在進(jìn)出上下游口門區(qū)時(shí)都需要盡量靠近航中線行駛；當(dāng)泄水閘開啟后，連接段與主航道的交界區(qū)橫向流速值較大，船舶需要選擇靠近岸邊的緩流區(qū)行駛，建議上下游口門區(qū)及連接段設(shè)置單向航行。(3)修改方案的通航水流條件和船模試驗(yàn)優(yōu)于設(shè)計(jì)方案，作為二線船閘的推薦布置方案。