胡亮亮，譚家萬(wàn)，袁 浩

(1.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

船閘下游引航道內(nèi)與主航道中存在流速梯度，引航道內(nèi)的水流在下游口門區(qū)發(fā)生突擴(kuò)，導(dǎo)致橫流、斜流、泡漩并存的復(fù)雜流態(tài)[1-2]。這類復(fù)雜流態(tài)作用到船舶上，會(huì)導(dǎo)致船舶發(fā)生橫漂與傾轉(zhuǎn)，直接影響船舶航行的舵角與漂距?？陂T區(qū)存在的復(fù)雜流態(tài)在中小流量下可能引起船舶操作困難，大流量條件下更可能導(dǎo)致船舶傾覆，給通航埋下安全隱患[3-4]。因此優(yōu)化不同流量下口門區(qū)流態(tài)對(duì)通航安全具有重要的意義。

對(duì)于船閘口門區(qū)流態(tài)優(yōu)化，人們開(kāi)展了系統(tǒng)性研究，包括調(diào)整泄洪閘開(kāi)啟方式和設(shè)置水流條件優(yōu)化結(jié)構(gòu)物，如導(dǎo)流堤[5-6]、挑流潛壩[7-8]、導(dǎo)流墩[9-10]等。但針對(duì)不同樞紐的地形分布和通航流量，這些措施在布設(shè)上仍存在優(yōu)化的可能。

引航道接透空型隔流堤是常見(jiàn)的流態(tài)調(diào)整措施之一。下游引航道后接隔流透空堤，一方面在引航道出口處限制了引航道和主河道之間的表面流速梯度；另一方面，通過(guò)下設(shè)透空孔實(shí)現(xiàn)主河道與引航道內(nèi)水流的動(dòng)量交換，最終達(dá)到減小橫向流速、優(yōu)化引航道出口流態(tài)的目的。目前，針對(duì)上游引航道中透空隔流堤對(duì)流場(chǎng)影響的研究較多，但對(duì)于下游引航道中隔流透空堤的布置方式、布設(shè)長(zhǎng)度的研究仍較缺乏，尤其是不同通航流量條件下流場(chǎng)分布、最大縱流、橫流、回流流速分布與隔流堤長(zhǎng)度之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步探索。

本研究依托某航電樞紐通航水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析下游口門區(qū)不同透空隔流堤長(zhǎng)度條件下流場(chǎng)分布，重點(diǎn)研究口門區(qū)附近表面流場(chǎng)分布，并探究最大縱流、橫流、回流流速與通航流量、透空隔流堤長(zhǎng)度之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

航電樞紐平面布置如圖1所示。下游引航道出口處于彎曲河段，河床地形呈左高右低分布，大流量條件下河道內(nèi)存在潛在二次流。加之電廠及主要泄洪建筑物集中布置在右岸船閘一側(cè)，導(dǎo)致在通航的各級(jí)流量都導(dǎo)向引航道口門區(qū)，造成口門區(qū)通航水流條件惡化，對(duì)船舶通航造成嚴(yán)重影響。

圖1 工程樞紐平面布置(單位：m)

模型試驗(yàn)研究在1:100整體模型上開(kāi)展，通過(guò)布設(shè)在下游口門區(qū)上的光學(xué)表面流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)獲得整個(gè)下游口門區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)分布。為驗(yàn)證模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，針對(duì)未建樞紐時(shí)Q=2 880 m3/s流量下河道原型觀測(cè)流速和模型觀測(cè)流速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(圖2)。模型組左、右岸水位與原型水位的誤差均在±0.03 m以內(nèi)，左岸個(gè)別測(cè)點(diǎn)的誤差為0.06 m，所有測(cè)點(diǎn)水位的誤差均在±0.1 m以內(nèi)，滿足通航模型試驗(yàn)規(guī)范要求。試驗(yàn)測(cè)得斷面平均流速變化與原型觀測(cè)流速變化一致，不同測(cè)點(diǎn)兩者相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，模型達(dá)到了水流運(yùn)動(dòng)相似要求。模型設(shè)計(jì)滿足定床河工模型的相似性要求，可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖2 Q=2 880 m3/s流量條件下試驗(yàn)與原型觀測(cè)水面線及流速對(duì)比

以壩軸線為樁號(hào)0斷面，獲得下游口門區(qū)樁號(hào)為0+315 m—0+655 m共340 m范圍內(nèi)流場(chǎng)分布(圖3)。

圖3 下游引航道及流速測(cè)量斷面布置形式(單位：m)

試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)方案，各方案引航道及下游透空隔流堤布設(shè)如圖4所示。其中，方案1不設(shè)置透空隔流堤；方案2僅在下游引航道出口處布設(shè)50 m長(zhǎng)透空隔流堤；方案3在50 m長(zhǎng)透空隔流堤外外接270 m隔流堤，但僅在新增隔流堤最后50 m設(shè)置透空結(jié)構(gòu)。隔流堤透空孔大小及布置方式如圖5所示。隔流堤開(kāi)孔的角度由主河道內(nèi)的主流方向與隔流堤開(kāi)孔部位的夾角共同決定。增設(shè)的隔流堤布置為斜孔后，孔軸線方向與主流方向呈小角度相交，促進(jìn)水流平穩(wěn)進(jìn)入到引航道內(nèi)，在不影響引航道內(nèi)船舶吃水深度的情況下，達(dá)到改善引航道內(nèi)的水流流態(tài)的目的。

圖4 不同方案下游引航道口門區(qū)布置形式

圖5 透空隔流堤開(kāi)孔結(jié)構(gòu)(單位：m)

根據(jù)航電系統(tǒng)不同運(yùn)行工況，本研究共選取176.9～5 500.0 m3/s共7種流量工況，覆蓋了枯水期和洪水期航電系統(tǒng)運(yùn)行工況，探究不同下游口門區(qū)方案下流場(chǎng)分布和優(yōu)化效果。

2 結(jié)果分析與討論

圖6為最高通航流量(Q=5 500 m3/s)時(shí)下引航道口門區(qū)流場(chǎng)分布。受電站泄流擴(kuò)散的影響，方案1在0+565 m—0+595 m斷面上存在偏向右岸的斜流，口門區(qū)最大回流流速達(dá)1.0 m/s，最大橫流流速達(dá)2.0 m/s，縱向流速更是高達(dá)6.0 m/s，導(dǎo)致船舶發(fā)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響通航安全。在引航道下游增設(shè)50 m透空隔流堤后，航道口門區(qū)的斜向水流得到極大的改善，方案2流場(chǎng)中最大回流流速降到0.25 m/s，最大橫流流速下降到0.6 m/s，最大縱向流速則下降到1.8 m/s，明顯改善了下游口門區(qū)流場(chǎng)，但口門區(qū)橫向流速仍不滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[11]要求，因此該方案存在進(jìn)一步優(yōu)化的必要。方案3則在方案2的基礎(chǔ)上增加270 m長(zhǎng)隔流堤，并在隔流堤下游端50 m長(zhǎng)度增設(shè)透空孔。該方案相比于方案2減小了口門區(qū)最大橫流流速，其中最大橫流流速降到0.25 m/s，較方案1降低了87.5%，較方案2降低了58%。

圖6 Q=5 500 m3/s時(shí)不同布置方案下游引航道流場(chǎng)分布

各方案最大縱向、橫向、回流流速隨流量變化情況如圖7所示。圖7 a)為縱向流速隨流量的變化過(guò)程，在小通航流量下，由于泄洪閘下泄流量極小，在流量為176.9～1 800.0 m3/s范圍內(nèi)時(shí)，各方案最大流速接近，變化規(guī)律一致，均在0.8～1.7 m/s范圍內(nèi)變化。隨著流量進(jìn)一步增大，方案1中最大縱向流速增大，在Q=5 500 m3/s時(shí)最大縱向流速達(dá)到6.0 m/s。方案2與方案3通過(guò)隔流堤引導(dǎo)，改變了下游口門區(qū)主流方向，不同流量下最大縱向流速均在0.4～1.8 m/s范圍內(nèi)變化。

不同流量條件下，方案1中橫向流速仍呈現(xiàn)隨下泄流量增大而增大的趨勢(shì)，橫向流速分布在0.6～2.9 m/s，均高于通航標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的橫向流速。隨著下游透空隔流堤的布設(shè)，盡管方案2中橫向流速仍高于標(biāo)準(zhǔn)，但可以看出導(dǎo)流堤改變下泄主流流向后，主流會(huì)減小對(duì)口門區(qū)流速的擠占，橫向流速并不隨流量增加而顯著變化，見(jiàn)圖7b)。當(dāng)隔流堤進(jìn)一步加長(zhǎng)時(shí)，下游口門區(qū)橫向流速則進(jìn)一步減小，橫向流速變化范圍更小，且均滿足通航標(biāo)準(zhǔn)要求。

流量在176.9～5 500.0 m3/s范圍內(nèi)各方案的回流流速變化如圖7c)所示。方案1中Q=2 880 m3/s時(shí)，由于河道中下泄流量擴(kuò)散速度較慢，在下游引航道口門區(qū)形成較大的回流區(qū)，導(dǎo)致引航道內(nèi)回流流速出現(xiàn)一個(gè)峰值，最大回流流速為3.0 m/s。但隨著流量增加，下泄主流對(duì)口門區(qū)的壓縮導(dǎo)致回流區(qū)域面積減小?？陂T區(qū)設(shè)置隔流堤后，受下泄水流影響，下游引航道內(nèi)仍會(huì)存在回流，但回流流速相比于方案1迅速減小。而擋墻進(jìn)一步加長(zhǎng)后，各流量條件下最大回流流速呈明顯減小趨勢(shì)，且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 各方案最大縱向、橫向速、回流流速隨流量變化

為獲得透空隔流堤長(zhǎng)度與最大流速分布之間的關(guān)系，選取3個(gè)代表性流量，即最低通航水位流量176.9 m3/s、常水位通航流量2 880.0 m3/s、最高通航水位流量5 500.0 m3/s進(jìn)行分析。最低通航水位流量條件下，沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速如圖8所示。對(duì)比該流量條件下3種方案縱向流速可知，由于引航道和主河道內(nèi)的流速梯度，方案1最大流速在下游引航道末端獲得。與之相比，方案2與方案3在下游引航道后設(shè)置了50 m的透空隔流堤，加強(qiáng)了主河槽與下游引航道之間的動(dòng)量交換，這2種方案的最大縱向流速位置均向下游推移。主流的擴(kuò)散、擠壓與摩擦?xí)?dǎo)致口門區(qū)形成橫流與回流。小流量下，下游引航道外緩流區(qū)橫流主要是由主流的擴(kuò)散擠壓引發(fā)斜流產(chǎn)生，因此在方案1中可以在最大橫流沿程分布中發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)高流速區(qū)間。而在方案2設(shè)置的較短的透空隔流堤仍不能改變這一趨勢(shì)，僅導(dǎo)致最大橫向流速分布位置下移。方案3中由于透空隔流堤進(jìn)一步加長(zhǎng)，船閘口門區(qū)已在下游平直河道段，顯著減小了橫流流速。

圖8 Q=176.9 m3/s時(shí)不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過(guò)程

圖9為常通航水位流量條件下沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速。隨著流量增大，引起口門區(qū)最大縱向流速的原因由引航道與主河槽之間的流速梯度變?yōu)橄滦沽髁康臄U(kuò)散。方案1中口門區(qū)最大縱向流速存在位置比小流量條件下明顯向下游移動(dòng)。而最大橫向流速和回流流速由于受到下泄主流的摩擦，在口門區(qū)形成回流區(qū)，因此在口門區(qū)位置明顯觀測(cè)到橫流流速和回流流速的峰值。此外，受下泄主流擴(kuò)散擠壓的作用，口門區(qū)下游受斜流影響，還會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)峰值。與方案1相比，方案2與方案3通過(guò)透空隔流堤對(duì)主流流向進(jìn)行調(diào)整，顯著減小了口門區(qū)的縱向、橫向和回流流速。但由于方案2中，隔流堤長(zhǎng)度較短，下泄主流仍會(huì)對(duì)口門區(qū)橫流與回流流速產(chǎn)生影響，導(dǎo)致在隔流堤尾部會(huì)出現(xiàn)橫流與回流超標(biāo)的情況。

圖9 Q=2 880 m3/s時(shí)不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過(guò)程

圖10為最高通航水位流量條件下沿程各斷面最大縱向、橫向、回流流速。該流量條件下，方案1各斷面最大縱向流速分布存在2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值是由于引航道內(nèi)與口門區(qū)回流之間的流速梯度引起的，而在斷面0+600 m后的峰值則由于下泄主流擴(kuò)散引發(fā)，同時(shí)該方案下最大橫流流速存在于0+600 m后斷面，同樣是由主流擴(kuò)散所引發(fā)。同時(shí)主流擴(kuò)散引發(fā)的口門區(qū)的緩流和斜流也會(huì)導(dǎo)致下游引航道內(nèi)及口門區(qū)的橫流和回流流速顯著超標(biāo)。但在下游引航道出口設(shè)置鏤空隔流堤后，有效改變了主流方向，保證主河槽與口門區(qū)的動(dòng)量交換的同時(shí)，也防止了主流區(qū)表面流速對(duì)口門區(qū)產(chǎn)生的擠壓與摩擦，減小了口門區(qū)橫向流速和回流流速。

圖10 Q=5 500 m3/s時(shí)不同斷面最大縱向、橫向、回流流速變化過(guò)程

3 結(jié)論

1)與未設(shè)置透空隔流堤方案相比，設(shè)置透空隔流堤可減小下泄主流在彎道處引起的橫流與回流。而增加透空隔流堤長(zhǎng)度可通過(guò)改變主流表面流速方向，達(dá)到改善處于彎道上的下游口門區(qū)通航水流條件的目的。

2)隔流堤增設(shè)透水孔可以加強(qiáng)主河槽與口門區(qū)的動(dòng)量交換，減小隔流堤末端兩者之間存在的速度梯度。

3)下游引航道出口處于彎道時(shí)，可通過(guò)隔流堤將出口延伸至下游平直段，能夠減小主流引起的斜流與回流，減小橫向流速與回流流速。