彭永勤，彭 濤

(1.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016；2.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400016)

船閘的上、下游引航道與河流相連接的口門區(qū)及連接段是過閘船舶(隊(duì))進(jìn)、出引航道的咽喉，船閘引航道口門區(qū)水流條件是影響船舶航行安全和通航效率的重要因素，因此研究改善船閘引航道口門區(qū)水流條件具有重要意義。國內(nèi)已有大量針對引航道通航水流條件的研究成果：趙志舟等[1]對烏江銀盤電站下游引航道布置及口門區(qū)通航條件進(jìn)行研究，主要研究下游引航道長度、隔流墻堤頭布置形式、堤身開孔等工程措施以及非工程措施對口門區(qū)通航條件的影響，提出合理的引航道布置方式及運(yùn)行措施。李偉等[2]對不同引航道寬度、水流流速、水深等對下引航道口門區(qū)回流長度等特性的影響進(jìn)行研究，得出船閘下引航道口門區(qū)回流長度的計(jì)算公式；朱紅等[3]對順直河段船閘下游引航道口門區(qū)在無、有導(dǎo)流墩情況下的水流條件進(jìn)行概化試驗(yàn)研究，認(rèn)為導(dǎo)流墩是削弱口門區(qū)回流、減小橫向流速的有效工程措施；韓昌海等[4]針對飛來峽水利樞紐下游引航道口門區(qū)泥沙淤積礙航問題，提出將下游引航道堤頭改為浮堤形式的方案，并采用相應(yīng)的輔助設(shè)施，可減小口門區(qū)回流強(qiáng)度和泥沙礙航淤積量，從而改善引航道口門區(qū)的通航條件；李一兵等[5]通過對通航水流條件、實(shí)船航行情況和船模航行試驗(yàn)資料的分析，提出修筑隔流堤對改善葛洲壩三江下引航道口門區(qū)通航條件是有效的；黃明海等[6]和黃國兵[7]采用二維非恒定流數(shù)學(xué)模型，模擬三峽工程上游和下游引航道在不同布置方案和各種樞紐運(yùn)行方式下的引航道內(nèi)非恒定水流；李明德等[8]通過對株洲樞紐船閘下引航道口門區(qū)及連接段的河道右岸灘地采用綜合整治措施，較好地解決了下引航道口門區(qū)及連接段通航、淤積等問題；黃倫超等[9]對株洲航電樞紐工程施工期通航水流條件進(jìn)行了研究。

為提高船閘通過能力，將白石窯一線船閘閘室長度由140 m延長至220 m，船閘尺度與二線船閘一致，均為220 m×23 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)。一線船閘延長后，主河道被束窄，受船閘和右側(cè)三板洲灘地的約束，主流將斜向流過一、二線船閘口門區(qū)和連接段，造成橫向流速超標(biāo)，口門區(qū)通航條件較差。為研究白石窯一線船閘閘室尺度變更后下引航道通航水流條件，并提出優(yōu)化改善措施，筆者基于北江(曲江烏石—三水河口)航道擴(kuò)能升級工程白石窯一線船閘閘室尺度變更整體物理模型試驗(yàn)研究成果[10]，提出采取開挖三板洲及增設(shè)直線隔流堤等措施改善下引航道口門區(qū)通航條件。

1 工程概況

白石窯樞紐位于廣東省英德市上游約25 km的北江干流上，是北江干流上的第3個(gè)梯級。為提高船閘通過能力，將白石窯一線船閘閘室長度由140 m延長至220 m，船閘尺度與二線船閘一致，均為220 m×23 m×4.5 m。

根據(jù)航運(yùn)規(guī)劃、航道規(guī)劃、水運(yùn)量預(yù)測、船型等要求，北江干流上的白石窯樞紐工程通航等級為Ⅲ等，船閘設(shè)計(jì)代表船型為1 000噸級貨船；根據(jù)樞紐實(shí)際調(diào)度運(yùn)行方式，船閘最高通航流量為敞泄分界流量，即3 860 m3/s，最低通航水位保證率為95%。船閘引航道及口門區(qū)最大表面流速縱向不超過2 m/s，橫向不超過0.3 m/s，回流流速不超過0.4 m/s。制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向不應(yīng)大于0.5 m/s，橫向不應(yīng)大于0.15 m/s，靜水區(qū)與動(dòng)水區(qū)之間的流態(tài)可有過渡。

受右側(cè)三板洲及河道河勢走向(圖1)的影響，在樞紐來流流量Q>260 m3/s時(shí)下引航道口門區(qū)水流條件較差，橫向流速超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，口門區(qū)通航條件較差。筆者對改善下引航道口門區(qū)通航條件措施進(jìn)行研究。

圖1 船閘下引航道平面布置

2 設(shè)計(jì)方案船閘下引航道口門區(qū)的通航條件

根據(jù)設(shè)計(jì)擬定的水庫運(yùn)行方式、樞紐通航論證和規(guī)范規(guī)定，確定船閘下引航道口門區(qū)通航水流條件的試驗(yàn)工況(表1)。各測流斷面縱橫向流速變化范圍見表2和圖2。

表1 船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件試驗(yàn)工況

表2 船閘下引航道口門區(qū)設(shè)計(jì)方案流速

圖2 船閘下引航道口門區(qū)水流流態(tài)(Q=3 860 m3/s)(單位：m/s)

試驗(yàn)結(jié)果表明：受整體河勢及下引航道布置方案影響，下引航道口門區(qū)及連接段位于三板洲中下部的左側(cè)主河槽和航線轉(zhuǎn)彎段。引航道軸線與上游三板洲左側(cè)主河槽走向交角達(dá)到24°，上游下泄來流基本斜向進(jìn)入下引航道口門區(qū)及連接段。同時(shí)，在三板洲的束窄作用下，該處過流寬度明顯不足，造成主流集中于口門區(qū)及連接段內(nèi)，流速較大。因此，在設(shè)計(jì)方案下，制動(dòng)段、口門區(qū)及連接段處不僅流速較大且流速與航線夾角也較大，在樞紐下泄流量Q>260 m3/s(1臺機(jī)組發(fā)電)時(shí)，通航水流條件均較差，不能滿足船舶通航安全的要求。

3 優(yōu)化調(diào)整方案船閘下引航道口門區(qū)的通航條件

通過對設(shè)計(jì)方案船閘下引航道口門區(qū)通航水流條件的分析，經(jīng)多種優(yōu)化調(diào)整方案對比，推薦采用開挖三板洲及增設(shè)直線隔流堤等措施，達(dá)到調(diào)順下引航道口門區(qū)通航水流條件的目的(圖3)。主要優(yōu)化調(diào)整措施如下。

1)對河道右側(cè)三板洲進(jìn)行開挖疏浚。自上游至下游第4個(gè)靠船墩右側(cè)河道開始疏浚，疏浚寬度210 m，疏浚高程為21.82 m；至下引航道靠船墩末端附近，長約160 m區(qū)域內(nèi)，疏浚高程為20.82 m；其后以1:10的坡比進(jìn)一步降低疏浚開挖高程，在下引航道靠船墩下游約300 m、橫向?qū)挾葹?4～165 m的區(qū)域內(nèi)，疏浚開挖高程為19.82 m；其后繼續(xù)以1:10的坡比進(jìn)一步降低疏浚開挖高程，在下游約400 m、橫向?qū)挾?0～90 m的區(qū)域內(nèi)疏浚開挖高程為19.32 m。三板洲右側(cè)疏浚開挖邊坡坡比為1:4。

2)在下引航道右側(cè)靠船墩末端增設(shè)180 m長隔流堤。對于該優(yōu)化調(diào)整方案，隔流堤對下引航道口門區(qū)起到了較好的保護(hù)作用，進(jìn)一步降低了口門區(qū)整體流速。同時(shí)，在隔流堤的保護(hù)作用下，下引航道靠船段下游180 m區(qū)域內(nèi)形成制動(dòng)段，并配合右側(cè)三板洲疏浚開挖，拓寬了口門區(qū)及連接段的通航水域?qū)挾?，使得在樞紐下泄流量Q≤3 860 m3/s的各種運(yùn)行工況下，下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均能滿足船舶通航安全的要求(表3、圖4)。因此，在不改變電站原有調(diào)度運(yùn)行方式的前提下，本研究將該優(yōu)化調(diào)整方案作為推薦方案。

表3 船閘下引航道口門區(qū)優(yōu)化調(diào)整方案流速

圖4 Q=3 860 m3/s優(yōu)化調(diào)整方案船閘下引航道口門區(qū)水流流態(tài)(流速：m/s)

4 結(jié)語

1)白石窯一線船閘閘室尺度變更后，受船閘和右側(cè)三板洲灘地的約束，主流將斜向流過一、二線船閘口門區(qū)和連接段，造成橫向流速嚴(yán)重超標(biāo)。通過研究采取梯級開挖三板洲灘地及增設(shè)180 m直線隔流堤等優(yōu)化調(diào)整措施來改善制動(dòng)段、口門區(qū)及連接段通航水流條件。

2)隔流堤對下引航道口門區(qū)起到了較好的保護(hù)作用，進(jìn)一步降低了口門區(qū)整體流速。同時(shí)，在隔流堤的保護(hù)作用下，下引航道靠船段下游180 m區(qū)域內(nèi)形成制動(dòng)段，并配合右側(cè)三板洲疏浚開挖，拓寬了口門區(qū)及連接段的通航水域，將通航流量由260 m3/s提高到3 860 m3/s，極大地改善了下引航道口門區(qū)通航水流條件，為類似工程提供了參考經(jīng)驗(yàn)。