鄔年華，羅 優(yōu)，丁晶晶，黃志文

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌330029）

引航道口門區(qū)是指引航道分水建筑物頭部外一定范圍內(nèi)的水域，處于河流動水與引航道靜水的交界處，是船閘進(jìn)出口與河道自由航行河段起紐帶作用的區(qū)域［1］。上、下游引航道軸線通常與河槽主流方向存在一定交角，從而引起的引航道下游口門區(qū)及連接段的斜向水流和回流等不利通航水流條件，影響船舶航行［2-5］。此外，引航道口門區(qū)淤積也是工程中常見的問題［6-8］。針對這些工程問題，很多學(xué)者在引航道布置方案、口門區(qū)水動力特性及整流措施等方面做了大量研究［9-12］。

峽江水利樞紐工程地處贛江中游，是以防洪為主兼有發(fā)電、航運、灌溉、水庫養(yǎng)殖等綜合效益的大（一）型水利樞紐工程。樞紐總體布置（見圖1）從左到右為船閘、門庫段、泄水閘、廠房，左右壩頭采用混凝土重力壩連接，壩軸線總長864m。樞紐通航建筑物布置在左岸，上游引航道口門位于“S”形河段前半段彎道凸岸下游1 000m處，下游引航道口門區(qū)處于后半段下彎道凹岸河道主流頂沖點［13］附近，獨特的地理位置使得上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件更加復(fù)雜。

因此，開展物理模型試驗研究引航道布置優(yōu)化方案和樞紐通航水流條件改善措施，為安全通航創(chuàng)造有利的通航水流條件。

圖1 工程布置示意圖

1 模型設(shè)計及試驗工況

樞紐模型采用正態(tài)整體模型，按重力相似原則進(jìn)行設(shè)計［14-15］，綜合考慮試驗場地、供水、量水設(shè)備及精度要求，選定模型幾何比尺為λl=110，相應(yīng)流速、流量、糙率和水流運動時間比尺分別為10.49、126905.9、2.19和10.49。

模型模擬范圍包括壩軸線上游1 700m，下游1 600m河道及擋水壩、泄水閘、廠房、船閘等建筑物。模型總長（包括進(jìn)水前池及沉沙池）為35m，寬度9m～10m。

峽江水利樞紐工程運用調(diào)度方案分洪水調(diào)度和興利調(diào)度兩種運行方式，根據(jù)樞紐運行調(diào)度方式，確定試驗工況與試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗工況與試驗參數(shù)

2 設(shè)計方案條件下通航水流條件及存在的問題

（1）峽江樞紐船閘上游引航道采用了曲線進(jìn)閘、直線出閘的不對稱布置型式（見圖2）：主導(dǎo)航墻（長162m）兼具調(diào)順和導(dǎo)航作用，停船段（長224 m，底寬55m）通過分水墻（轉(zhuǎn)彎半徑640m，轉(zhuǎn)角50°，底寬60m）與引航道口門區(qū)相連接?？陂T區(qū)位于上游左岸階地之上，通過直線連接段與上游左側(cè)主航道銜接。

圖2 上游引航道方案優(yōu)化示意圖

針對上游引航道布置方案，選取最大通航流量和上游最低通航水位工況（見表1），對引航道口門區(qū)及連接段水流流態(tài)和流速分布進(jìn)行試驗研究。試驗結(jié)果表明，上游引航道中心線與河道主流方向夾角較大，口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標(biāo)回流及橫流：其中最大通航流量工況下口門區(qū)最大回流流速達(dá)1.56 m／s，最大橫向流速達(dá)0.69m／s；上游最低通航水位工況下口門區(qū)最大回流流速達(dá)0.49m／s，最大橫向流速達(dá)0.3m／s，即設(shè)計方案下上游引航道大范圍超標(biāo)回流及橫流將影響船舶的安全行駛。

（2）針對下游引航道設(shè)計布置方案，選取5a一遇洪水工況（見表1）對下游引航道口門區(qū)及連接段水流特性的進(jìn)行試驗研究。研究結(jié)果表明：引航道中心線與河道主流流向夾角較大，口門區(qū)存在小范圍回流；樞紐下泄形成直沖下引航道口門區(qū)的斜向水流，造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大，口門下游150m處最大橫向流速1m／s，最大縱向流速2.08m／s，即設(shè)計方案下下游引航道橫流和縱流超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［1］，影響船舶的安全行駛。

設(shè)計方案下上、下游引航道回流、橫流和縱流超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，影響船舶的安全行駛，因此，有必要對上游引航道布置方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，研究改善引航道口門區(qū)及連接段通航水流流態(tài)的工程措施。

3 航道布置調(diào)整及整流措施優(yōu)化

3.1 上游引航道

上游引航道口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標(biāo)回流及橫流主要由上游引航道中心線與河道主流方向較大夾角引起，因此改善措施需要調(diào)整上游引航道中心線，以縮小其與河道主流流向的交角，同時在航道左邊界加設(shè)導(dǎo)流堤，調(diào)整上游引航道口門區(qū)及連接段，開挖左邊界。上游引航道中心線調(diào)整有兩套優(yōu)化方案，優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ及航道中心線布置見圖2，方案Ⅱ比方案Ⅰ更靠近左岸。

不同工況條件下試驗結(jié)果表明：優(yōu)化方案Ⅰ和優(yōu)化方案Ⅱ引航道口門區(qū)通航水流條件均較原設(shè)計方案大為改善，除最大通航流量工況外，上游引航道口門區(qū)縱、橫向流速基本能夠滿足規(guī)范要求，綜合考慮到工程設(shè)計的經(jīng)濟(jì)和施工難度，選取相對較優(yōu)布置方案Ⅰ布置為推薦方案。

優(yōu)化方案Ⅰ時，總體上表1各工況口門區(qū)及連接段水流縱橫向流速分布基本能夠滿足規(guī)范要求，較原方案有較大的改善。但在最大通航流量工況下，上引航道口門區(qū)回流范圍及回流強度較大，局部回流流速大于1.0m／s；受彎道凸岸地形影響，在上引航道口門上游800m～900m處，航道中心線右側(cè)局部橫向流速大于0.3m／s。

因此需要進(jìn)行進(jìn)一步整治措施，比如對上游引航道口門區(qū)右側(cè)突出高地進(jìn)行整治開挖，削弱由此處突出地形引起的回流，同時，在此處設(shè)置擋船墩群，擴大上引航道口門張角，延長船舶駕駛反應(yīng)時間，一定程度上能夠保證繞過“S”形河段前半段凸岸的船舶穿過河道主流安全進(jìn)入引航道口門區(qū)。

3.2 下游引航道

設(shè)計布置方案下，樞紐下泄水流形成直沖引航道口門區(qū)的斜向水流是造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大的主要原因，對此提出了四套整流方案（圖3）：整流措施1主要是取消原轉(zhuǎn)彎段弧形分水導(dǎo)流墻，使得處于下泄主流頂沖點附近的口門位置上移，避免水流直沖引航道口門區(qū)；整流措施2在整流措施1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拆除一半直線段分水導(dǎo)墻，并將拆除的原分水導(dǎo)墻用導(dǎo)流墩群代替，以利用導(dǎo)流墩群引入水流來削弱口門區(qū)回流；措施3采取布置伸向河道中心的棱形導(dǎo)流墩群代替原方案中轉(zhuǎn)彎段分水墻，此外，平順下游引航道口門區(qū)及連接段左岸邊界；整流措施4采用伸向河道中心更遠(yuǎn)的底部透空導(dǎo)流隔墻代替原導(dǎo)流墩群，調(diào)整引航道口門區(qū)及連接段左邊界，底部透空導(dǎo)流隔墻結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 下游引航道整流比選措施

試驗研究表明，措施1條件下，口門區(qū)縱、橫流流速超標(biāo)現(xiàn)象較設(shè)計方案下有所改善，但口門區(qū)回流范圍相對增大、強度相對變強；措施2條件下，部分水流導(dǎo)入引航道內(nèi)，口門區(qū)回流范圍有所減小，但引入流量偏大，導(dǎo)致停船段內(nèi)橫向流速大于0.3m／s（Q=14 800m3／s）；措施3條件下，導(dǎo)流墩引導(dǎo)樞紐左側(cè)下泄水流進(jìn)入引航道口門區(qū)，減小了回流強度和口門區(qū)橫向流速，但是即使在相對較優(yōu)的導(dǎo)流墩擺放布置條件下，口門區(qū)橫向流速雖有減小，但是仍不能滿足要求；措施4條件下，航道水流與下泄主流流向的交角減小，下泄水流進(jìn)入引航道口門區(qū)更加平順，除個別點橫向流速略大于0.3m／s，口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，回流范圍及回流強度相對較小。

圖4 方案4透空導(dǎo)流隔墻布置（單位：m）

總體上，措施1、措施2和措施3在一定程度上減小了口門區(qū)回流強度，口門區(qū)縱、橫流超標(biāo)得到一定改善，但是口門區(qū)部分?jǐn)嗝娴幕亓骷皺M流流速仍然超出規(guī)范允許值，措施2和措施3使用導(dǎo)流墩后出現(xiàn)間歇性旋流，影響口門區(qū)通航水流條件的穩(wěn)定性；措施4相對于前三種措施引航道流態(tài)明顯平順，沒有因?qū)Я鞫债a(chǎn)生間歇性旋流，回流范圍及回流強度均有所減小，口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，整流效果最好，因此選取措施4為推薦方案。

不同水庫泄水方式（見表2）試驗結(jié)果表明，在推薦方案下，峽江水利樞紐在下泄流量Q＜10 800 m3／s時，優(yōu)化布置方案的水流流態(tài)和流速分布可滿足通航要求；在2a一遇洪水流量即Q=10 800m3／s時，水庫泄水開右邊12孔泄洪時引航道水流可滿足通航要求；在Q=14 800m3／s下，引航道水流基本能滿足通航要求；但當(dāng)泄洪流量Q≥17 400m3／s時，即使采用整流措施，引航道水流也無法滿足通航要求，此時應(yīng)禁航，以利安全。

表2 水庫泄水方式

4 整流最終方案及通航條件改善效果

綜合上下游引航道推薦方案，結(jié)合相關(guān)輔助措施，比如高地開挖、擴大上引航道口門張角、航道左邊界調(diào)整等，得到了引航道最終布置方案（圖5）。圖6和圖7為原設(shè)計方案以及最終布置方案在通航流量Q=14 800m3／s條件下上、下游引航道口門區(qū)流速分布。

圖5 引航道布置最終方案示意圖

由圖6可見，原設(shè)計方案上引航道口門區(qū)產(chǎn)生大范圍超標(biāo)回流及橫流，最大橫向流速大于0.3 m／s；另外，彎道斷面流速分布不均，最大流速位置偏向左岸，水流條件相對較差，不利于船舶航行安全；通過優(yōu)化，最終布置方案口門區(qū)回流現(xiàn)象基本消除，縱向流速沿斷面分布相對均勻，橫向流速也得到很大程度減小，均在0.15m／s以下，基本滿足規(guī)范要求。

由圖7可見，原設(shè)計方案下引航道口門區(qū)存在小范圍回流，樞紐下泄形成直沖下引航道口門區(qū)的斜向水流，造成下引航道口門區(qū)縱、橫向流速偏大，口門下游150m處最大橫流流速1m／s，最大縱向流速2.08m／s，均超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，影響船舶的安全行駛。通過優(yōu)化，最終布置方案口門區(qū)縱、橫向流速基本滿足規(guī)范要求，僅個別點橫向流速略大于0.3 m／s，且位于航道中心線右側(cè)的航道邊線上，對船舶運行影響較小。同時回流范圍及回流強度均有所減小，口門區(qū)整體流態(tài)更加穩(wěn)定。

圖7 下游引航道流速分布圖

5 結(jié) 論

“S”形彎曲河段水流條件復(fù)雜，在該河段內(nèi)布置引航道受到多方面因素限制，包括引航道長度、入流中心線方向等。針對峽江水利樞紐船閘引航道，本文提出了在上游減小引航道中心線與河道主流夾角，在下游采用伸向河道中心的底部透空導(dǎo)流隔墻等措施來改善通航水流條件。彎曲河段水流條件復(fù)雜，河床演變難以預(yù)測，因此需要進(jìn)一步研究所提改善措施對該類型河段河床調(diào)整的適應(yīng)性。

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