船閘口門區(qū)及連接段水流條件研究

蒙秋狄

受樞紐、船閘布置及樞紐區(qū)河勢地形等條件的影響，船閘工程上下游引航道口門區(qū)通航水流條件為非恒定流，流態(tài)復雜，表現為斜向水流和大面積的回流，對船舶通航安全影響很大。文章結合紅花二線船閘樞紐整體物理模型試驗成果，分析船閘口門區(qū)和連接段航道通航水流條件和影響因素，提出改善通航水流條件的措施，并驗證了采取措施后的通航水流條件，為類似樞紐工程提供技術支撐。

樞紐;船閘口門區(qū);連接段;水流條件;整體物理模型試驗;應對措施

0?引言

船閘口門區(qū)及連接段的水流條件是影響船舶航行安全的主導因素。在通航河道上建造水利樞紐設施后，由于水壩的擋水功能在滿足擋水和泄洪功能的同時，在船閘上下游口門區(qū)產生斜向水流，使航行船舶（隊）產生橫漂和扭轉，嚴重時會出現失控，以致發(fā)生海事事故，影響通航。因此，針對船閘口門區(qū)的水流條件研究非常必要。本文基于柳江紅花二線船閘整體模型試驗研究成果，分析各種工況條件下一、二線船閘引航道、口門區(qū)的通航水流條件和影響因素，驗證總體布置方案的合理性并提出改善措施，也為類似樞紐船閘工程布置和選址提供技術支撐，具有重要的工程實際意義。

物理模型試驗就是仿照原體實物，按照相似準則將原型縮制成模型進行試驗研究，用模型重演與原體相似的自然情況進行觀測和分析研究，然后按照一定的相似準則引伸到原型，從而作出判斷。物理模型試驗因其直觀性和準確性而被廣泛應用。

1?工程概況

柳江紅花水利樞紐二線船閘工程是在已建紅花水利樞紐及一線船閘基礎上的擴建工程，二線船閘設計等級為Ⅱ級，通航2 000 t級船隊并兼顧滿足3 000 t級單船通航。上游引航道總長約1 031 m，下游引航道總長約1 314 m。設計最大年通過能力：單向2 860萬t，雙向5 504萬t。設計代表船型采用2 000 t級貨船、2×2 000 t級頂推船隊、2 000 t級多用途集裝箱船、3 000 t級船舶（兼顧船型）。

船閘平面布置見下頁圖1、圖2。

2?模型試驗研究

2.1?模型比尺及模擬范圍

綜合考慮工程河段、河床、河勢條件以及通航流量、試驗場地等因素，考慮模型Re要求，整體模型設計為正態(tài)模型，幾何比尺為1：100。相應各物理量比尺見表1。

模擬范圍：樞紐上游約3.4 km河段（苦練渡口附近），模型下游模擬至樞紐以下約2.8 km。

模型航道流速測點布置原則為：沿縱向間隔50 m、沿橫向間隔12 m布置測點。

2.2?試驗工況

根據紅花樞紐調度原則，設計通航流量及紅花樞紐水文條件，擬定試驗工況見表2。

3?試驗成果分析

3.1?現狀布置一線船閘上下游引航道口門區(qū)水流條件分析

現狀布置條件下，在來流≤4 800 m3/s條件下，由于來流量相對較小，上游庫區(qū)水位較高（正常蓄水位77.50 m），上游來流流速較小，水流相對平順，僅在局部岸側地形突出部位形成小的回流區(qū)，在彎道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速接近1.10 m/s，各工況條件下上引航道連接段及口門區(qū)水流條件均能夠滿足船舶航行安全要求。

而下游引航道口門區(qū)及連接段水流流態(tài)部分工況下不能滿足船舶航行安全要求，電站滿發(fā)流量下，下游水位較低（63.59 m），下引航道隔流潛堤露出水面，電站下泄水流直沖左岸下引航道口門區(qū)，并在口門區(qū)一定范圍內形成回流，但由于總流量不大，主流流速相對較低，回流強度與范圍較小，最大回流流速為0.30 m/s;在Q=4 800 m3/s工況下，泄水閘等開度開啟相應出流較為均勻;而發(fā)電且僅開啟Ⅰ區(qū)泄水閘工況下，出流較為集中且直沖對岸，主流流速明顯較大，下游通航水流條件要稍劣于均勻開啟工況，但總體而言，上下游口門區(qū)通航水流條件是基本能夠滿足要求的。

而在一線船閘設計最大通航流量下，Q=14 100 m3/s，約是Q=4 800 m3/s的3倍，樞紐運行為敞泄方式，上游庫區(qū)水深相對降低約20%，彎道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速達3.50 m/s，航道中心線上最大縱向流速達3.30 m/s。雖然上引航道口門區(qū)水流條件基本能滿足要求，但此連接段上水流流速已大于通常船舶10 km/h的航速，船舶的舵效作用差，操控難度較大。

3.2?二線船閘上下游引航道口門區(qū)水流條件分析

二線船閘上游引航道口門區(qū)在Q≤4 800 m3/s工況條件下，庫區(qū)水位較洪水期高，來流流速較低，上引航道口門區(qū)水流條件滿足要求，口門區(qū)上游樁號-1-700 m～-1-850 m之間橫向流速>0.3 m/s，最大為0.38 m/s。二線船閘下引航道口區(qū)是較強的回流，在Q=4 800 m3/s（電廠運行，開啟右Ⅰ區(qū)8孔閘）工況下，最大回流流速達到0.70 m/s。下引航道口門區(qū)水流條件受樞紐運行調度方式影響較大，較為均勻泄流的工況要優(yōu)于集中泄流工況。

在Q=14 100 m3/s工況下，樞紐開閘泄水，庫區(qū)水位低而上游的來流量大，上游流速較高，加之受工程上游90°轉彎段環(huán)流及彎道下游凸嘴河勢的雙重作用，口門區(qū)上游約200 m范圍內縱橫向流速均較大，最大縱向流速>3.0 m/s，最大橫向流速達1.0 m/s以上，水流條件難以滿足通航要求。

在Q=18 400 m3/s流量工況下，上下游水流條件進一步惡化，最大縱向流速達3.70 m/s，最大橫向流速為1.24 m/s。下游口門區(qū)最大回流流速為0.70 m/s，口門區(qū)下游200 m最大回流達1.25 m/s。

3.3?存在的問題與影響因素[1-3]

根據試驗研究成果，二線船閘通航水流主要存在的問題和影響因素如下：

（1）紅花樞紐上游段受整體河勢及局部岸線地形影響，有兩個接近90°角的連續(xù)轉彎段，使彎道下游回流區(qū)形成了一個40 m的深潭，水流流態(tài)極為復雜。在二線船閘布置方案中，上口門距離上游航線彎道末端約800 m，僅為船隊長度的4倍左右，口門區(qū)存在較大的橫流，難以保證過閘船舶安全。

（2）受河道過水斷面制約，大洪水條件下，來流流速較大，這一主要影響因素在短距離內是難以通過局部的工程措施來從根本上改善和解決的。

（3）二線船閘上游引航道口門距離上游航線轉彎段末端800 m左右（僅相當于4倍船隊長度），在大流量、大流速條件下船舶舵效差、操控反應時間短，操作稍有不慎，進閘船舶就會錯過口門而引發(fā)海事事故。

（4）上引航道長度達1.3 km，船閘充泄水過程中的非恒定水流條件亦會對引航道水流條件造成不利影響。

（5）小洪水條件下樞紐運行調度方式對下游引航道口門區(qū)的影響作用明顯，而適當合理的運行方式可以改善下游引航道口門區(qū)的水流條件。

（6）下引航道一二線船閘間隔流堤較短，易導致二線船閘口門區(qū)的大范圍回流，宜考慮適當延長下引航道隔流堤長度。

3.4?應對措施與思路分析[4-8]

（1）在整體河勢無法改變的條件下，嘗試在上游口門區(qū)設置導流順壩，減弱彎道下游凸嘴的挑流作用，降低回流強度。

（2）利用工程挖方棄渣對局部深潭進行回填，以削弱嚴重的泡漩等惡劣流態(tài)。

（3）在口門距離上游航線轉彎段末端距離較短的情況下，適當考慮加長上引航道一二線船閘間隔堤長度，使口門區(qū)后移，增加船舶操控反應時間，也避開嚴重的回流、泡漩區(qū)。

（4）在來流縱向流速偏大的條件下，難以采取措施有效降低縱向流速，且柳江屬于山區(qū)性河流，洪水歷時較短，宜適當采取保證通航時間的措施來降低最大通航流量。

（5）應通過調整樞紐調度運行方式來改善下引航道水流條件。

（6）考慮通過加長一、二線船閘之間隔流堤長度，從而減弱下引航道口門區(qū)的回流和橫流強度，改善通航水流條件。

3.5?調整方案試驗成果

在對紅花樞紐二線船閘布置調整優(yōu)化后，在Q=8 800 m3/s流量以下，一、二線船閘上下游引航道口門區(qū)水流條件能夠滿足要求。在Q=11 100 m3/s和Q=14 100 m3/s流量下，上下游引航道口門區(qū)基本能夠滿足要求，僅口門區(qū)外圍局部測點回流流速>0.4 m/s，個別測點橫向流速>0.3 m/s。

總體上講，紅花樞紐二線船閘受上游彎段地形影響，水流條件較差。通過采取局部措施后，流量<14 100 m3/s時，二線船閘口門區(qū)及連接段通航水流條件基本可以滿足要求，流量>14 100 m3/s時水流條件較差。從船舶航行安全角度考慮，建議二線船閘通航流量≤14 100 m3/s。

4?結語

通過試驗研究成果表明，影響紅花二線船閘通航水流條件的主要因素為整體河勢及局部岸線地形，尤其是樞紐上游緊鄰兩個接近90°角的連續(xù)轉彎段，使得船舶從上游彎段下行進入口門區(qū)的操縱難度異常大，影響船舶航行安全，且由于涉及開挖量非常大，難以通過工程措施改善水流條件。這些制約因素使得紅花二線船閘只能通過降低通航標準以滿足通航水流要求，在一定程度上影響了船閘通航能力。因此，建議樞紐工程在選址時，應考慮近遠期通航建筑物布置的影響，盡可能選擇在相對順直、整體河床河勢穩(wěn)定、水流流速流態(tài)良好的航段，避免由于地形影響限制通航，實現水利樞紐工程發(fā)電、通航效益最大化。

影響船閘通航水流條件的因素很多，由于時間倉促和作者能力有限，本文只通過整體物理模型進行模擬分析，考慮的周邊條件與實際可能存在偏差，需要更細致地研究模型周邊條件對通航水流的影響。

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