七星墩船閘上游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

于廣年，趙家強(qiáng)

(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)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，水運(yùn)這種綠色、環(huán)保的交通運(yùn)輸方式也越來(lái)越受到重視，許多原來(lái)不通航的河流開(kāi)始逐漸恢復(fù)通航，已建樞紐增建過(guò)船設(shè)施的情況大量出現(xiàn)，但過(guò)船設(shè)施的布置往往受原有建筑物及河道地形條件等諸多因素制約，導(dǎo)致新建過(guò)船設(shè)施通航條件復(fù)雜，而船閘引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件的好壞直接關(guān)系到船舶進(jìn)出船閘的安全[1-5]。

七星墩樞紐位于廣東省乳源瑤族自治縣境內(nèi)武水干流，現(xiàn)階段未設(shè)置過(guò)船設(shè)施，隨著北江航道擴(kuò)能升級(jí)上延(武江長(zhǎng)來(lái)—桂頭段)工程的開(kāi)展，七星墩樞紐需增建1 000噸級(jí)船閘。由于七星墩樞紐上游400 m存在江心洲將河道分為左右兩汊，新建船閘平面布置受原有建筑物及河道條件制約[6]，上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段布置困難，通航水流條件較難滿足規(guī)范要求，筆者通過(guò)整體水工物理模型+自航船模試驗(yàn)，研究了七星墩樞紐新建船閘上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段平面布置方案。

1 工程概況

1.1 河道概況

武江主流在廣東境內(nèi)比降較陡(平均比降為1.27‰)、流速大、洪水傳播時(shí)間快，流域地勢(shì)高峻、植被較好、河流含沙量較少，是彎曲型的山區(qū)河流。樂(lè)昌峽河段位于武江中游坪石鎮(zhèn)與樂(lè)昌之間。峽谷段自羅家渡至張灘，全長(zhǎng)41 km，天然落差54 m，平均坡降為1.31‰。樂(lè)昌峽河段屬V形峽谷河段，河道曲折，河面狹窄，兩岸溝壑縱橫，且河道切割較深，灘多水急有“九瀧十八灘”之稱。樂(lè)昌—韶關(guān)河段較平緩、開(kāi)闊，比降0.59‰。武江上游徑流受降水影響，具有明顯的夏雨型特征[7]。

1.2 樞紐概況

七星墩水電站是韶關(guān)市武水梯級(jí)規(guī)劃的6個(gè)梯級(jí)中的第5級(jí)，樞紐是以發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)的綜合利用水電工程，水庫(kù)正常蓄水位75.82 m，相應(yīng)庫(kù)容830 萬(wàn)m3，校核洪水位77.04 m，總庫(kù)容1 320萬(wàn)m3，電站為低水頭徑流式電站，不承擔(dān)防洪任務(wù)，未設(shè)防洪庫(kù)容，七星墩樞紐電站現(xiàn)狀擋水建筑物由左岸土壩、右岸土壩、混凝土連接段、泄水閘、發(fā)電廠房等組成，見(jiàn)圖1。壩頂高程為79.12 m。

圖1 七星墩樞紐布置

2 模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

樞紐所在位置河道微彎，上游為分汊河段，樞紐下游300 m右岸為銀溪水電站，根據(jù)河床形態(tài)、地形特點(diǎn)，同時(shí)為保證模型的幾何相似和水流運(yùn)動(dòng)相似，采用整體定床正態(tài)模型，選用1:100 的模型比尺，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。模型模擬范圍上游在江心洲分汊河段以上，下游至樞紐下游約4.2 km彎道以下。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，模型進(jìn)行了133、396、956 m3/s共3個(gè)流量級(jí)的水位及斷面流速驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，沿程測(cè)點(diǎn)的模型水位與天然水位差均在0.1 m以內(nèi)(表1)，各測(cè)流斷面流速分布與原型基本一致，流量偏差在5%以內(nèi)(圖2)，驗(yàn)證結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 沿程水位模型與實(shí)測(cè)偏差值

圖2 上游江心洲流速分布驗(yàn)證

3 方案1

3.1 設(shè)計(jì)方案1試驗(yàn)

設(shè)計(jì)方案1新建船閘布置于左岸階地，上游引航道直線段長(zhǎng)306 m、底寬55 m、口門(mén)區(qū)寬72 m。樞紐上游江心洲將河道分為兩汊，主航道由左汊與船閘引航道相接。引航道口門(mén)段與主航道通過(guò)彎道銜接，彎曲半徑330 m、轉(zhuǎn)角14°，見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)計(jì)方案1船閘上游工程布置

試驗(yàn)對(duì)上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件進(jìn)行研究，試驗(yàn)工況分別選取277 m3/s(電站滿發(fā))、800 m3/s(電站、泄洪閘聯(lián)合調(diào)度)及1 200 m3/s(工程河段通航限制流量)。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)當(dāng)Q≤277 m3/s時(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)基本為靜水狀態(tài)，口門(mén)區(qū)及連接段航道流速在0.35 m/s以下，橫流強(qiáng)度基本小于0.1 m/s，通航水流條件優(yōu)良，隨著上游來(lái)流量的增加，庫(kù)區(qū)內(nèi)流速逐漸加大。2)Q=1 200 m3/s時(shí)(圖4)，口門(mén)區(qū)段航道流速在0.9～1.2 m/s，受左汊水流向泄水閘匯入影響，口門(mén)區(qū)附近水流與航道存在約28°的交角，導(dǎo)致口門(mén)區(qū)航道右側(cè)邊緣最大橫向流速分量為0.42 m/s，其他位置基本小于0.3 m/s；連接段航道，江心洲上游分汊口附近，由于左側(cè)河岸凸出，對(duì)水流產(chǎn)生一定擠壓，加之該段航道布置較為彎曲，水流與航線夾角在33°左右，導(dǎo)致彎道段約170 m范圍內(nèi)橫向流速較大，局部橫向流速分量達(dá)到0.7 m/s，水流條件較差，船模試驗(yàn)表明，該流量級(jí)上、下行船舶均無(wú)法安全通過(guò)該區(qū)域。

圖4 設(shè)計(jì)方案1橫向流速分布

從水流條件試驗(yàn)及船模試驗(yàn)均可看出，設(shè)計(jì)方案1存在以下問(wèn)題：1)口門(mén)區(qū)航道右側(cè)橫向流速略有超標(biāo)，船舶經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)漂角較大；2)連接段末端航道水流與航道交角較大，導(dǎo)致橫向流速過(guò)大，加之航道轉(zhuǎn)彎半徑較小，船舶操縱困難，上、下行船舶無(wú)法安全通過(guò)。

3.2 修改方案1試驗(yàn)

針對(duì)設(shè)計(jì)方案1存在的問(wèn)題進(jìn)行修改：1)修整上游江心洲，特別是江心洲洲尾左緣；2)江心洲上游左岸切灘，并根據(jù)水流方向調(diào)整航線。

樞紐上游江心洲修整，特別是江心洲洲尾左緣開(kāi)挖后，各級(jí)流量下船閘上引航道口門(mén)區(qū)附近流速均有所減小，Q=1 200 m3/s時(shí)(圖5)，上游口門(mén)區(qū)流速由0.9～1.2 m/s減小至0.6～0.9 m/s，口門(mén)區(qū)最大橫向流速分量0.34 m/s，出現(xiàn)在口門(mén)區(qū)航道右側(cè)邊緣，其他位置均小于0.30 m/s；江心洲上游分汊口附近，切灘及航線調(diào)整后，最大橫向流速分量由原來(lái)的0.70 m/s減小至0.38 m/s，通航水流條件明顯改善。船模試驗(yàn)表明，船舶進(jìn)出船閘上游口門(mén)區(qū)及通過(guò)江心洲上游分汊口河段均比較順利，最大舵角18.4°，最大漂角-8.7°。

4 方案2

4.1 設(shè)計(jì)方案2試驗(yàn)

為減少征地，方案2船閘上游引航道盡量靠近泄洪閘布置，挖除上游江心洲，船閘上游口門(mén)區(qū)及連接段布置在原江心洲位置，利用疏浚土回填左岸側(cè)邊灘，見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)計(jì)方案2船閘上游工程布置

該平面布置方案，船閘上游口門(mén)區(qū)距離泄洪閘較近，受泄洪閘泄流影響，樞紐上游左岸側(cè)水流以較大角度斜穿口門(mén)區(qū)向泄洪閘收縮，口門(mén)區(qū)水流與航線交角在30°左右，Q=1 200 m3/s時(shí)(圖7)，口門(mén)區(qū)堤頭以上20～80 m航中線右側(cè)區(qū)域最大橫向流速分量超過(guò)0.5 m/s(流速0.7～0.9 m/s)，通航水流條件較差。分析其原因，上游江心洲開(kāi)挖后，樞紐上游整體河勢(shì)呈反“S”形，雖然左岸側(cè)進(jìn)行了回填，但由于船閘上游口門(mén)區(qū)及連接段距離左岸側(cè)較遠(yuǎn)，航道左側(cè)水流仍在口門(mén)區(qū)堤頭0～50 m位置集中斜穿口門(mén)區(qū)，導(dǎo)致新建船閘上游口門(mén)區(qū)局部橫向流速過(guò)大，通航水流條件較差。

圖7 設(shè)計(jì)方案2橫向流速分布

4.2 改善上游口門(mén)區(qū)通航水流條件試驗(yàn)

針對(duì)設(shè)計(jì)方案2存在的問(wèn)題，進(jìn)行改善上游口門(mén)區(qū)通航水流條件的試驗(yàn)。

1)F2-1。①引航道堤頭上游約400 m左岸側(cè)布置1條丁壩，壩長(zhǎng)55 m；②口門(mén)區(qū)左側(cè)布置2個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度20 m、間距8 m。

2)F2-2。①上游左岸側(cè)邊灘不回填；②引航道堤頭上游約320 m左岸側(cè)布置1條正挑丁壩，壩長(zhǎng)118 m，堤頭距航道44 m；③口門(mén)區(qū)左側(cè)布置2個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度20 m、間距8 m。

圖8為1 200 m3/s兩方案船閘上引航道口門(mén)區(qū)橫向流速分布。從圖8可以看出，左岸側(cè)增加丁壩后，左岸側(cè)水流在丁壩挑流作用下開(kāi)始向航道內(nèi)擴(kuò)散，加之口門(mén)區(qū)右岸側(cè)導(dǎo)流墩作用，水流不再集中斜穿口門(mén)區(qū)，口門(mén)區(qū)局部橫向流速過(guò)大問(wèn)題得到解決；兩方案相比較，F(xiàn)2-2左岸側(cè)不回填，同流量級(jí)上游庫(kù)區(qū)內(nèi)流速更小，相應(yīng)橫向流速分量小于F2-1，整治效果更優(yōu)，口門(mén)區(qū)及連接段最大橫向流速分量小于0.3 m/s，船?？身樌M(jìn)出口門(mén)區(qū)及連接段。

圖8 橫向流速分布

通過(guò)改善試驗(yàn)可以看出，當(dāng)船閘布置離岸較遠(yuǎn)、水流集中斜穿口門(mén)區(qū)時(shí)，利用丁壩挑流提前分散水流，對(duì)改善口門(mén)區(qū)通航水流條件效果明顯。

5 結(jié)論

1)七星墩樞紐位于分汊河段下游約400 m，擬建船閘位于左岸側(cè)凸岸邊灘，受現(xiàn)有樞紐布置及上游江心洲影響，船閘上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件較差。

2)方案1通過(guò)擴(kuò)大口門(mén)區(qū)附近過(guò)流面積(開(kāi)挖江心洲洲尾左緣)、切灘及根據(jù)水流走向調(diào)整航線等措施，有效改善了通航水流條件，但上引航道征地較多。

3)方案2挖除上游江心洲、船閘上引航道靠近泄洪閘布置，征地較少，通過(guò)增加丁壩挑流及導(dǎo)流墩等工程措施有效解決了水流集中斜穿口門(mén)區(qū)導(dǎo)致橫向流速過(guò)大問(wèn)題，各級(jí)通航流量下船閘上游口門(mén)區(qū)及連接段水力指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4)當(dāng)船閘布置離岸較遠(yuǎn)、水流集中斜穿口門(mén)區(qū)時(shí)，在上游布置丁壩挑流提前分散水流，對(duì)改善船閘上游口門(mén)區(qū)通航水流條件效果顯著。