劉俊濤，龐雪松，潘榮友

（1.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；2.天津大學(xué) 建工學(xué)院,天津300072；3.廣西壯族自治區(qū)港航管理局,南寧530012）

長洲樞紐位于西江干線，是西江干線最后一座樞紐，下距梧州12 km。長洲樞紐座落在西江干流潯江河段的長洲島上，壩軸線橫跨兩島三江，三江分別為內(nèi)江、中江、外江，兩島為長洲島和泗化洲島［1］。長洲水利樞紐擋水建筑物總長3 000 m，壩頂高程34.6 m（56 黃海高程，下同），從左至右布置有：右岸接頭重力壩及土石壩、內(nèi)江電站（6 臺(tái)機(jī)組）、內(nèi)江泄水閘（12 孔）、長洲島土壩、中江泄水閘（15 孔）、泗化洲島土壩、魚道、外江電站（9 臺(tái)機(jī)組）、外江泄水閘（16 孔）、一線船閘（2 000 t 級(jí)）、兩孔沖沙閘、二線船閘（1 000 t 級(jí)）。一線船閘、二線船閘［1］閘室有效尺度分別為200 m×34 m×4.5 m（長度×寬度×門檻水深，下同）和185 m×23 m×3.5 m。兩線船閘設(shè)計(jì)單向年通過能力為4 012×104t。

擬建三線、四線船閘可供選擇位置有兩處，分別為長洲島右側(cè)和外江二線船閘右側(cè)，簡稱中江方案和外江方案。中江方案位于中江泄水閘左側(cè)；外江方案位于現(xiàn)有二線船閘右側(cè)臺(tái)地，由陸域開挖而成。擬建三線、四線船閘均按3 000 t 級(jí)船閘等級(jí)設(shè)計(jì)，閘室有效尺度為330 m×34 m×5.8 m，每級(jí)船閘單線設(shè)計(jì)通過能力為3 100×104t［2］。

為判別2 個(gè)方案的可行性及船閘平面布置的合理性，開展了定床整體水工物理模型試驗(yàn)和遙控自航船模試驗(yàn)。整體水工物理模型設(shè)計(jì)為正態(tài)定床，模型比尺為1:125，上游始于樞紐壩址上游7 000 m 處，下游至長洲島尾下游約1 000 m 處，模擬范圍全長17 km。遙控自航船模幾何比尺為1:125，代表船型為1+2×2 000 t級(jí)船隊(duì)和3 000 t 級(jí)貨船，船型尺度分別為182.0 m ×16.2 m ×2.6 m 和90.0 m ×16.2 m × 3.6 m［3］。

通過研究2 個(gè)方案的船閘上下游引航道口門區(qū)和連接段航道通航水流條件和船模航行條件，最終確定了三線、四線船閘合理可行的工程布置方案，為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 河段概況

長洲水利樞紐所處河段共有三座島，三座島呈品字形分布，上游為思恩洲島，下游長洲島和泗化洲島分列左右兩側(cè)。思恩洲島位于樞紐上游2 000 m 處，將主河道分為左右兩汊，右汊為較寬，為主河道。長洲島居左，泗化洲島居右，將河道分為三汊，由左至右分別為內(nèi)江、中江和外江。長洲島較大，泗化洲島較小，中江與外江泗化洲島尾匯合成為大外江，也稱龍圩水道［4］。工程河段河勢見圖1。

長洲水利樞紐上游建有2 座橋梁［5］，上游為潯江鐵路橋，距離長洲水利樞紐壩軸線約4 000 m，鐵路橋軸線位置河寬約950 m。鐵路橋設(shè)置了2 個(gè)相鄰的通航孔，跨徑為95 m，臨近右岸。

潯江鐵路橋下游1 000 m 建有潯江公路橋，公路橋橫跨思恩洲，軸線位置河寬約為1 350 m，較潯江鐵路橋跨度寬約400 m。公路橋設(shè)置2 個(gè)相鄰的通航孔，跨徑為135 m，臨近右岸。潯江公路橋與鐵路橋呈5°夾角，公路橋與鐵路橋通航孔連線與鐵路橋軸線法線方向呈14°夾角，與公路橋軸線法線呈9°夾角。

2 河段水流特性分析

長洲水利樞紐發(fā)電及泄洪基本按天然情況各江流量分配比進(jìn)行調(diào)度，水庫運(yùn)行方式在汛期和非汛期有所不同。中枯水流量高水位運(yùn)行、中洪水流量低水位運(yùn)行、大洪水流量敞泄運(yùn)行。當(dāng)流量Q＜10 000 m3/s 時(shí)，水庫維持較高的20.6 m 水位運(yùn)行；當(dāng)流量10 000 m3/s≤Q＜17 000 m3/s 時(shí)，水庫降低水位至18.6 m 運(yùn)行；當(dāng)流量Q≥17 000 m3/s 時(shí)，機(jī)組停發(fā)，水庫敞泄。

試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，當(dāng)流量Q≤7 000 m3/s 時(shí)，樞紐運(yùn)行在正常蓄水位，內(nèi)、外江分流比受電站調(diào)度運(yùn)行方式的影響非常明顯，此時(shí)中江不過流，受此影響，思恩洲左汊和長洲島頭汊道流量均有所增大。當(dāng)流量7 000 m3/s＜Q≤17 000 m3/s 時(shí)，中江開始過流，中江分流比隨流量增大逐漸增大，內(nèi)江和外江分流比均減小。當(dāng)Q＞17 000 m3/s 時(shí)，樞紐敞泄，長洲島頭汊道分流比有所增大，內(nèi)江分流比也隨之增大，中江分流比略有減小，其他汊道分流比變化不大。

2.1 樞紐上游水流特性分析

樞紐上游流速左右分布不均，鐵路橋軸線位置主流靠右，流速較大，左側(cè)流速較小，思恩洲左汊流速與右汊流速比約為1:2。樞紐上游流速沿程分布不均，石良塘口附近流速最大，長洲島和泗化洲島頭附近流速較小。樞紐上游流速隨著流量的增大而增大，長洲島頭的斜流強(qiáng)度隨著流量的增大而增大。

當(dāng)樞紐在20.6 m 水位運(yùn)行時(shí)，上游屬于庫區(qū)航道，水深條件很好，流速很小，橋區(qū)流速不超過0.65 m/s，長洲島頭附近流速不超過0.2 m/s。當(dāng)樞紐運(yùn)行在18.6 m 水位時(shí)，水深條件也較好，流速稍有增大，橋區(qū)附近流速不超過1.44 m/s，長洲島頭附近流速不超過0.9 m/s。當(dāng)樞紐敞泄時(shí)，上游流速大幅增大，最大流速發(fā)生在40 700 m3/s 時(shí)，此時(shí)橋區(qū)流速最大達(dá)到2.66 m/s，長洲島島頭流速達(dá)到1.48 m/s。

2.2 樞紐下游水流特性分析

樞紐下游龍圩水道呈S 形，河道左側(cè)建有整治工程，受整治工程控導(dǎo)，枯水期主流靠右，過西江大橋后主流左偏貼岸，與內(nèi)江主流匯合沿左岸而下。

當(dāng)Q≤7 000 m3/s 時(shí)，中江不過流，外江水流沿泗化洲島右岸而下，并在島尾處向中江擴(kuò)散，流速減小，流速分布在1.4～2.0 m/s，近壩段流速較大。此時(shí)泗化洲島右側(cè)的中江為死水區(qū)。

當(dāng)7 000 m3/s＜Q≤17 000 m3/s 時(shí)，中江開始過流，中江與外江水流在泗化洲島尾處匯合，在島尾處形成緩流區(qū)，兩江水流順勢而下，在下游彎道段主流區(qū)靠近右側(cè)，壩下流速分布在1.1～1.9 m/s，近壩段流速較小，西江大橋河段流速最大。

當(dāng)Q＞17 000 m3/s 時(shí)，樞紐敞泄，上、下游無明顯水位差，河道恢復(fù)到天然狀態(tài)，此時(shí)中江和外江水流在泗化洲島尾匯合，主流取直通過下游的逆時(shí)針彎道，匯合段水流流速隨流量的增大而增大，壩下流速分布在1.6～2.6 m/s，近壩段流速較小，西江大橋河段流速最大。

3 中江方案研究

3.1 中江方案工程布置

中江方案位于長洲島右緣，中江泄水閘左側(cè)，臨江而建。三線船閘居右，四線船閘居左，兩座船閘并排平行布置。三線四線船閘共用上下游引航道，上游引航道長715 m，寬145 m?？陂T位于長洲島右緣，右側(cè)設(shè)上導(dǎo)航墻，長712 m，上導(dǎo)航墻堤頭距樞紐637 m，距潯江公路橋主通航孔直線距離2 500 m。由于上游主航道位于河道右側(cè)，船閘上游口門區(qū)與主航道由一“S”型彎道相連，橫跨外江和中江。下游引航道長500 m，寬145 m，下導(dǎo)航墻長500 m，下導(dǎo)航墻堤頭距樞紐950 m。下游口門區(qū)通過開挖邊灘形成連接段航道，與右側(cè)主航道平順銜接。中江方案平面布置見圖1。

3.2 研究結(jié)果

（1）上游通航條件。

該方案共開展了9 組不同流量條件下的通航水流條件試驗(yàn)，同時(shí)開展了4 組流量級(jí)的船模航行試驗(yàn)。

船閘上游航道屬于庫區(qū)航道，可航水域?qū)掗煛Ｓ捎谏嫌谓ㄓ? 座大橋，大橋的主通航孔均設(shè)在右側(cè)，使得船閘上游口門區(qū)航道與主航道以“S”型彎道相連，公路大橋與鐵路大橋橋區(qū)航道和船閘口門區(qū)航道均屬于限制性航道，因此，在2 個(gè)限制性航道之間所需連接的航段可稱之為橋閘連接段航道，該航道可寬可窄，其航道邊線可根據(jù)實(shí)際航行軌跡來設(shè)置。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，三線四線船閘上游通航條件很差，主要原因即橋閘連接段航道通航條件不能滿足要求［6］。不論船模出閘進(jìn)入橋區(qū)航道還是船模通過橋區(qū)航道進(jìn)閘，均需通過橋閘連接段航道，也就是說船模是攜帶了橋閘連接段航道通航條件信息進(jìn)出閘，所以，該連接段航道通航條件是制約三線四線船閘上游通航條件的關(guān)鍵。

李一兵等［7］通過研究認(rèn)為，要滿足船舶安全航行的要求，同岸連接的連接段航道內(nèi)水流條件應(yīng)滿足：縱向流速≤2.5 m/s；橫向流速≤0.45 m/s。對(duì)于異岸連接的連接段來說，連接段與主流的交角應(yīng)盡可能減小，并控制在20°以內(nèi)。當(dāng)主流流速為2.0 m/s 時(shí)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)船閘的連接段與主流的交角不宜大于20°；當(dāng)主流流速為2.5 m/s 時(shí)，Ⅲ、Ⅳ級(jí)船閘的連接段與主流的交角不宜大于15°，而Ⅴ級(jí)船閘的口門區(qū)與主航道應(yīng)盡量布置在同一岸。

由于三線四線船閘上游口門區(qū)航道與公路橋主通航孔航線呈45°夾角，并且走向相反，致使連接段航道的航線呈“S”型彎道，受此影響，連接段航道橫向流速非常大，在7 000 m3/s 流量時(shí)橫向流速已達(dá)到0.60 m/s，在17 000 m3/s 流量時(shí)橫向最大流速已達(dá)到1.37 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出船舶航行要求。

上游口門區(qū)位于長洲島島頭，在中江和內(nèi)江的分流口處，由于缺少掩護(hù)，致使上游口門區(qū)內(nèi)靠近長洲島島頭附近橫流較大。由于Q思恩洲左＜Q內(nèi)江，所以在長洲島頭附近必然存在斜向內(nèi)江的水流，斜流流速隨著流量的增大而增大，斜流流向變化不大。當(dāng)流量超過17 000 m3/s 時(shí)，上游口門區(qū)橫流超過《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［GB50139-2004］（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）要求，并且隨著流量的增大而快速增大，在40 700 m3/s 流量條件下達(dá)到0.95 m/s。中江方案上游通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果見表1。

船模航行試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，在中水流量（17 000 m3/s）以上時(shí)，上游口門區(qū)及連接段航道通航條件已不能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）下游通航條件。

該方案共開展了9 組不同流量條件下的通航水流條件試驗(yàn)，同時(shí)開展了3 組流量級(jí)的船模航行試驗(yàn)。

表1 中江方案三線四線船閘上游通航條件研究結(jié)果匯總表Tab.1 Navigation flow condition in upstream channel of 3rd and 4th line ship locks of middle river plan

試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，在各級(jí)流量條件下，長州樞紐三線四線船閘下游口門區(qū)均完全位于回流區(qū)。當(dāng)流量小于7 000 m3/s 時(shí)中江不過流，船閘下游口門以下1 000 m 范圍內(nèi)基本為死水區(qū)。當(dāng)流量大于7 000 m3/s 時(shí)中江過流，船閘下游回流區(qū)位于口門以下500 m 的范圍內(nèi)，回流范圍隨中江流量的變化不大，下游口門區(qū)通航水流條件基本滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。船閘下游連接段航道通航水流流速在2.0 m/s 以內(nèi)，橫向流速不超過0.45 m/s，基本滿足設(shè)計(jì)要求。中江方案下游通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 中江方案三線四線船閘下游通航條件研究結(jié)果匯總表Tab.2 Navigation flow condition in downstream channel of 3rd and 4th line ship locks of middle river plan

船模試驗(yàn)結(jié)果顯示，在各級(jí)流量條件下，下游通航條件均能夠滿足船模安全通過口門區(qū)及連接段航道進(jìn)出三線四線船閘的要求。

4 外江方案研究

4.1 工程布置

三線四線船閘外江設(shè)計(jì)方案位于現(xiàn)有二線船閘右側(cè)臺(tái)地，兩線船閘平行并排布置，船閘軸線相距57 m。四條線船閘軸線走向平行，三線船閘軸線與二線船閘軸線相距130 m，中間由寬85 m 的土壩相隔，三線船閘上閘首位較二線船閘上閘首下移100 m（圖2）。三線四線船閘上引航道與主航道平順銜接，三線四線船閘上游口門與一線二線船閘上游口門基本持平，上引航道長700 m，寬153 m，底部高程為12.8 m；左側(cè)導(dǎo)航墻下距樞紐壩軸線600 m，上距公路大橋2 400 m。

4.2 研究結(jié)果

（1）上游通航條件。

該方案開展了10 級(jí)流量通航水流條件試驗(yàn)、選用2 000 t 級(jí)船隊(duì)和3 000 t 級(jí)單船分別開展了8 組和4組流量級(jí)的船模航行試驗(yàn)。

試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，三線、四線船閘的建設(shè)，除對(duì)一線、二線船閘口門區(qū)及連接段的局部水域外，對(duì)樞紐上游整體表面流速分布、斷面流速分布以及各汊道分流比沒有明顯影響。

受一線船閘左側(cè)導(dǎo)航墻的影響，三線、四線船閘上游口門區(qū)基本位于緩流區(qū)，最大流速為0.80 m/s，最大橫向流速為0.20 m/s，無回流，通航水流條件滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求；三線四線船閘上游口門區(qū)連接段航道內(nèi)最大流速為1.01 m/s，最大橫向流速為0.25 m/s，無回流，通航水流條件滿足設(shè)計(jì)要求。船模航行試驗(yàn)結(jié)果顯示船模能夠順利通過口門區(qū)和連接段進(jìn)出三線四線船閘。外江方案上游通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 外江方案三線四線船閘上游通航條件研究結(jié)果匯總表Tab.3 Navigation flow condition in upstream channel of 3rd and 4th line ship locks of outer river plan

一線二線船閘上游口門區(qū)通航水流條件因三線四線船閘的建設(shè)略有變差，口門區(qū)橫向流速增大0.10 m/s，最大橫向流速為0.46 m/s，除個(gè)別點(diǎn)外基本滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。

（2）下游通航條件研究。

該方案共開展了10 級(jí)流量通航水流條件試驗(yàn)，選用2 000 t 級(jí)船隊(duì)和3 000 t 級(jí)單船分別開展了8 組和4 組流量級(jí)的船模航行試驗(yàn)。研究結(jié)果顯示：

受一線船閘右側(cè)導(dǎo)航墻的掩護(hù)，在導(dǎo)航墻下游形成一順時(shí)針回流區(qū)，回流區(qū)范圍覆蓋一線二線船閘下游口門區(qū)的大部分和三線四線船閘下游引航道口門區(qū)的全部。在各級(jí)流量條件下，三線四線船閘下游口門區(qū)通航水流條件均能滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。連接段流速分布在0.96～1.55 m/s，最大橫向流速分布在0.48～0.59 m/s，位于連接段末端，連接段通航水流條件稍差。

2 000 t 級(jí)船隊(duì)航行試驗(yàn)結(jié)果顯示，船模在上行通過連接段時(shí)需操最大約18°的左舵，下行時(shí)在連接段操約12°的右舵便能順利通過連接段航區(qū)進(jìn)入主航道。3 000 t 級(jí)單船航行試驗(yàn)結(jié)果顯示，在各級(jí)流量條件下均能夠較為順利進(jìn)出三線四線船閘下游口門區(qū)和連接段航區(qū)。

三線四線船閘的建設(shè)對(duì)一線二線船閘下游口門區(qū)通航水流條件無明顯影響，但對(duì)連接段航道存在不利影響。當(dāng)Q≤5 000 m3/s 時(shí)，外江和中江泄水閘關(guān)閉，外江電站泄流，由于泗化洲島尾右緣建有高程約8.0 m 平臺(tái)，平臺(tái)擠壓主河道，洲尾河道左側(cè)地形較高，在地形和電站導(dǎo)水建筑的共同作用下，枯水期水流由左側(cè)斜向右側(cè)主航道，并且在距離一線船閘下游口門500～700 m 區(qū)域進(jìn)入主航道，從而造成該區(qū)域水流橫向流速較大。

表4 外江方案三線四線船閘下游通航條件研究結(jié)果匯總表Tab.4 Navigation flow condition in downstream channel of 3rd and 4th line ship locks of outer river plan

5 結(jié)語

通過開展多組通航水流條件試驗(yàn)和遙控自航船模試驗(yàn)，對(duì)長洲樞紐三線、四線船閘布置位置進(jìn)行了較為深入的研究，研究結(jié)果表明［8］：

（1）三線、四線船閘中江方案中，由于船閘上游口門區(qū)位于長洲島島頭，上游汊道和三江分流比的變化，使得長洲島頭一直存在斜向內(nèi)江的橫向流速，該流速隨著流量的增大而增大。由于位于庫區(qū)，該橫向流速很難通過工程方案控制，船模航行試驗(yàn)也揭示了船舶進(jìn)出口門區(qū)較為困難，安全隱患極大。

（2）樞紐上游公路橋和鐵路橋通航孔位于河道右側(cè)，橋閘連接段航道非常彎曲，在中洪水流量條件下不能滿足三線四線船閘中江設(shè)計(jì)方案的通航要求。研究表明，中江方案不能與原航道平順的銜接，致使上游連接段航道扭曲，連接段航道內(nèi)通航水流條件惡劣，船舶難于操控。

（3）中江方案下游口門區(qū)回流和橫流強(qiáng)度不大，船模進(jìn)出口門區(qū)和連接段航道較為順利。根據(jù)長洲樞紐調(diào)度規(guī)則，中枯水流量條件以下中江不過流，隨著流量增大，中江過流，因此，泄水閘的開啟對(duì)于船閘下游連接段航道會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但該問題可以通過延長導(dǎo)航墻的方法予以解決。

（4）外江方案試驗(yàn)研究結(jié)果表明，三線、四線船閘上游口門區(qū)及連接段航道內(nèi)通航水流條件均能滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求，對(duì)一線二線船閘上游口門區(qū)流速略有影響，但基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）三線、四線船閘下游口門區(qū)和連接段航道內(nèi)通航水流條件滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求，船模能夠較為順利進(jìn)出航行；受三線四線船閘開挖影響，枯水期一線二線船閘下游連接段航道內(nèi)橫向流速有所增大，試驗(yàn)表明可通過延長導(dǎo)航墻或者增設(shè)導(dǎo)流墩予以解決。

（6）綜合長洲樞紐三線、四線中江方案和外江方案試驗(yàn)結(jié)果，表明現(xiàn)狀條件下中江方案不成立，外江方案可行，優(yōu)選外江右岸作為三線四線船閘平面布置位置。

［1］劉俊濤，黎國森.長洲水利樞紐三線四線船閘初步設(shè)計(jì)階段整體水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［2］劉俊濤，黎國森.長洲水利樞紐三線四線船閘工可階段整體水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

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