桂平航运枢纽二线船闸平面布置研究

刘俊涛

（交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

桂平航运枢纽位于西江航运干线郁江下游，水路上通贵港、南宁、百色、龙州，下达梧州、广州、香港、澳门，是我国西部地区物资经左江、右江、西江水运以及南昆铁路大宗散货经贵港中转至梧州、广州、香港、澳门的必经之地。桂平航运枢纽工程于1989年完工，与枢纽同期建成并投入使用单线单级Ⅲ级船闸，船闸闸室有效尺度为190 m×23 m×3.5 m（长度×宽度×门槛水深，下同），通航1+2×1 000 t级顶推船队，年设计通过能力为 1 100×104t。

拟建的二线船闸位于一线船闸右侧，按3 000 t级船闸等级设计，船闸闸室有效尺度为280 m×34 m×5.6 m。当航道达到Ⅱ级航道标准、通航2 000 t级船舶时，设计通过能力为2 700×104t/a；当贵港以下航道扩建为Ⅰ级航道、通航3 000 t级船舶时，设计通过能力为3 100×104t/a［1］。

为确定二线船闸合理的平面布置工程方案，开展了定床整体水工物理模型试验和遥控自航船模试验，通过研究二线船闸上下游引航道口门区和连接段航道通航水流条件和船模航行条件，提出桂平二线船闸的工程布置推荐方案。整体水工物理模型设计为正态定床，模型比尺为1：100，模型包括3个河段，郁江河段进口始于枢纽坝址上游2 450 m处，黔江河段进口始于郁江口上游1 300 m处，出口位于浔江，距郁江口1 400 m，模拟范围全长约9 km。遥控自航船模几何比尺为1：100，代表船型为1+2×1 000 t级船队、1+2×2 000 t级船队和3 000 t级货船，船型尺度分别为166.0 m×10.8 m×2.0 m（长度×宽度×吃水，下同）、185.0 m×16.2 m×2.6 m 和 90.0 m ×16.2 m × 3.6 m［2］。

1 河段概况

桂平航运枢纽坐落在郁江口的上游河段（图1），该河段平面形态弯曲，由3个连续的弯道所组成，枢纽河段洪水河宽约350 m，沿程变化不大，断面形态为“U”形，河槽中没有明显的边滩。

郁江和黔江在桂平汇合后而称为浔江，在郁（右）、黔（左）汇合段，洪水河宽达1 200 m，枯水河宽仅300 m。在汇流段的左岸有较为高大的沙洲，在黔江口的右侧岸边有子沙、棋盘石等礁石群。黔江枯水主槽穿越左侧边滩和右侧礁石群间，与郁江主槽相会后依傍浔江的右岸边延向下游。该汇流河段即为羊栏滩，枯水水深浅，中洪水水流条件复杂，船舶航行困难［3］。

桂平航运枢纽位于西江航运干线郁江口上游2.4 km，其水工建筑物和通航建筑物采用分散布置形式。桂平枢纽的大坝坐落在主弯道的弯顶稍上游河段，右侧为径流式电站，左侧为泄水闸，中间设置隔流堤。枢纽枯水期正常挡水位为30.5 m，死水位为28.6 m，最大设计水头11.69 m。同期建设一线船闸布置在中间弯道的凸岸一侧台地上，上、下游引航道分别和上、下弯道的弯顶附近衔接。

图1 桂平二线船闸设计方案平面布置图Fig.1 Plane layout of second line ship lock design plan of Guiping navigation junction

2 河段水流特性分析

为解决桂平二线船闸平面布置问题［4］，从安全角度考虑，选择通航条件较为不利的11个试验流量级进行试验，研究了本河段工程前水流特性和枢纽调度方式对船闸上下游口门区通航水流条件的影响，试验流量见表1。

表1 试验流量一览表Tab.1 Test flow list

2.1 工程前通航水流条件

上游口门区河段位于桂平库区，一线船闸导航墙堤头距弯顶下游约500 m，该处洪水河宽约500 m。在堤头稍上游的左侧150 m处存在一片礁石区，高程约在25.0 m，最高处为26.2 m。该礁石区对坐弯横越口门区的水流有明显的顶托作用，有效的减小了横越口门区的单宽流量，有利于上游口门区的通航水流条件。

在⑦流量条件下，枢纽上、下游水位差约2.0 m，此流量下库区水位还有抬高因而流速不大，主流区的纵向流速一般都小于2.0 m/s。在小于⑦流量条件下，由于水库水位较高，水库上游流速更小。观察试验表明，导堤存在一定的挑流作用，这说明在口门区存在一定的横向水流，若这一横向水流强度较大，将对船舶进出上游船闸引航道产生不利的影响。

一线船闸下游口门区河段也位于弯道河段。下导航墙堤头上距弯顶约400 m，洪水河宽约350 m左右。从堤头断面开始，下深槽沿凹岸（右岸）一侧岸边向下游延伸直至郁、黔江汇流口，该深槽最深处高程约为0.0 m。导航墙堤头明显凸入河槽从而起着一定的挑流作用。试验结果显示：当流量小于③时，下游口门区河段纵向主流流速均在1.00 m/s以下，口门区最大横向流速为0.48 m/s，位于航中线的左侧。当流量为④时，下游口门区河段主流流速一般在1.50 m/s左右，最大流速接近2.00 m/s，口门区纵向流速超过1.00 m/s，横向流速最大值为0.64 m/s，横向流速超标范围进一步扩大。当流量为⑤时，由于该流量级郁江汇流比较小，黔江来流对郁江顶托作用明显，口门区河段的主流纵向的流速在1.00 m/s左右，口门区横向流速大小和流量③接近。当流量为⑥时，下游口门区河段主流流速一般在2.00 m/s左右，最大流速为2.50 m/s；口门区最大流速为1.85 m/s，横向流速最大值接近1.00 m/s，横向流速超标范围几乎覆盖整个口门区航道。当流量为⑦时，下游口门区河段主流流速最大达3.31 m/s，一般在2.50 m/s左右；口门区最大流速为2.45 m/s，横向流速最大值为1.19 m/s，横向流速超标范围同样几乎覆盖整个口门区航道。

试验表明，各级流量下水流动力轴线走向基本一致，在堤头上、下游附近，动力轴线偏左岸，在堤头下游约750 m左右动力轴线则过渡到临右岸礁石群。水流在上弯道作用下贴左岸，在惯性力的驱使下继续沿左岸一侧向下，直至下弯道顶部附近由左岸折转到右岸，这种动力条件有利于通航。

李一兵等通过研究认为［5］，要满足船舶安全航行的要求，同岸连接的连接段航道内水流条件应满足：纵向流速≤2.5 m/s；横向流速≤0.45 m/s。对于异岸连接的连接段来说，连接段与主流的交角应尽可能减小，并控制在20°以内。当主流流速为2.0 m/s时，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级船闸的连接段与主流的交角不宜大于20°；当主流流速为2.5 m/s时，Ⅲ、Ⅳ级船闸的连接段与主流的交角不宜大于15°，而Ⅴ级船闸的口门区与主航道应尽量布置在同一岸。

2.2 枢纽调度方式对口门区影响试验

洪水期枢纽属于敞泄式泄流，此时出库流量对上下游流速有明显的影响，从偏于不利角度考虑，选用⑦作为代表流量开展试验。

在保持坝上水位不变的条件下，根据泄水闸开启位置的不同，分别进行了集中开左侧、右侧、中间3组试验。试验结果表明，泄水闸不同的开启组合对上下游口门区附近流速没有明显影响。分析表明，上游口门区位于枢纽上游1 000 m以外，水面宽阔，主流远离口门区，因此枢纽不同的泄水方式对上游口门区水流的影响已经大大的减弱。下游口门区距枢纽2 700 m，在弯道的调节作用下，经过如此长距离的调整，下游口门区的流速分布无明显不同，枢纽的调度方式对下游口门区流速分布无明显影响。

3 设计方案试验

3.1 工程布置

拟建的桂平航运枢纽二线船闸位于一线船闸右侧，共包括上下引航道、上下游口门区以及船闸主体3个部分。引航道由停泊段、调顺段和导航段组成；船闸主体由上下闸首和闸室组成。二线船闸设计为3 000 t级，闸室有效尺度为280 m×34 m×5.6 m，上下闸首分别长40 m和45 m。一、二线船闸共用口门区和部分引航道，口门宽度135 m，口门区航道底宽110 m（图1）。

3.2 试验结果

（1）上游口门区。上游口门区位于桂平库区，在郁江来流10 000 m3/s以下时，上、下游存在一定的水位差，上游水深大，流速小；10 000 m3/s以上时，水库敞泄，上、下游几乎没有明显水位落差，上游口门区河段水流运动呈天然状态。在各级流量下上游口门区航道内纵向流速均小于2.0 m/s；口门处存在横越水流，口门区航道内存在范围不大的横向流速超标区，口门区航道内无明显回流；各级流量条件下3种船模进出二线船闸均较为顺畅，受一、二线船闸之间隔流堤的影响，在⑥、⑦、⑧流量条件下进、出一线船闸存在一定困难。

（2）下游口门区。下游口门区试验除⑤流量外，其他流量级黔江来流对郁江来流的顶托作用均较小，在这种流量组合下，口门区通航水流条件相对较差。

郁江流量超过733 m3/s时，下引航道口门附近横向流速不满足《内河通航标准》规定的不应大于0.3 m/s的要求，并且随着流量的增大横流的范围和强度均有所增大，在流量为6 600 m3/s时达到最大，此时距堤头以下200～800 m范围内，横向流速在0.7 m/s以上，最大达1.19 m/s。

下游引航道口门附近主流靠近左岸（远离口门），在距堤头750 m处贴右岸而下，斜流贯穿距堤头500～750 m整个航道；当郁江流量大于6 600 m3/s时，下游口门区纵向流速不满足《内河通航标准》规定的不应大于2.0 m/s的要求，最大达2.77 m/s。

在河势的控制作用下，并受右岸大幅度开挖的影响，在距堤头100～350 m处形成2个主回流区，呈此消彼涨之势。在不受黔江来流顶托作用的影响下，随着流量的增大主回流区范围和强度均增大，在⑥流量组合时达到最大，并在回流区的边缘产生了泡漩水。

在⑨流量组合下，郁江为5 a一遇设计洪水流量（郁江流量为11 850 m3/s），郁江江口段航道内最大纵向流速约3.0 m/s，最大横向流速约为1.0 m/s，通航水流条件很差。

船模航行试验结果显示，在①和③流量组合条件下，船模均可顺利通过下游口门区进出引航道；在⑥、⑦、⑨流量组合条件下，船模在通过下游口门区航段时航行困难。

4 修改方案试验

研究表明，桂平二线船闸上游通过缩短一、二线船闸之间隔流堤基本能够解决问题，但下游问题较为复杂，下游口门区航段在郁江分流比大时通航水流条件较差。分析结果表明，影响下游口门区通航水流条件问题主要有两方面，一个方面为实体导航墙的掩护在口门区形成较强的回流和斜流，另一个方面受上游河势和口门区河段河势的影响，水流主流动力轴线从上游的弯道河段的偏左过渡到下游（口门区河段）弯道河段的偏右，产生由左向右的斜流，受此影响，形成了这种较为不利的通航水流条件。

4.1 修改方案认识性试验

为解决下游口门区通航水流条件，选用最不利流量组合⑦开展了6组不同类型方案的认识性试验，试验情况如下：

（1）顺向导流墩方案。沿外导航墙堤头布设6座顺向导流墩，导流墩长25 m，宽5 m。各导流墩间距25 m。试验结果显示口门区河段的主流受导流墩的挑流作用发生了左移，左侧流速略有增大，右侧流速略有减小。回流范围减小至100 m，强度减弱至0.4 m/s。

（2）逆向导流墩方案。在顺向导流墩的基础上顺时针旋转70°，导流墩轴线与主流呈120°夹角，导流墩尺度不变。试验结果显示导流墩引入的水流加大口门区横流，最大横向流速达到1.2 m/s，在导流墩下游形成长约300 m的回流区，并伴有泡漩水，口门区内最大回流流速为0.6 m/s，不满足《内河通航标准》规定的口门区内回流流速不应大于0.4 m/s的要求。

（3）潜坝方案。在距堤头下游200 m、300 m和450 m处的河道右侧深槽段建3条潜坝，坝顶高程14.7 m。由于该流量级属于洪水流量，水深较大，潜坝对整个过水断面面积的影响不大，该方案效果不明显。

（4）丁坝+导流墩方案。在顺向导流墩方案的基础上，于河道左岸距口门上游200 m、450 m、700 m处修建3条正挑丁坝，坝顶高程高于水面，控制洪水河宽在230 m左右。丁坝将洪水河宽压缩了约1/3，整个工程区的流速增加很多，最大流速达到4.2 m/s，受此影响，导流墩引入航道内的流量增大，流速明显增大，最大横向流速为0.8 m/s，口门下游500 m处航道内最大纵向流速达到3.0 m/s。

（5）切堤方案。将下引航道左侧堤头切除60 m，切除部分底高程为21 m。部分堤头切除后，对水流的掩护作用明显减弱，主流顶冲点上移约100 m，位于原堤头下游400 m处；回流强度有所增大，口门区内最大回流流速为1.03 m/s，口门区以外航段内水流没有变化。

（6）下延外导航堤方案。下游外导航堤沿航线走向下延162 m，导航堤顶部采用斜坡式设计，堤头顶高程为25 m。由于外导航堤头的下延，堤头更加靠近主河道的主流，导航堤的挑流作用得到加强；主流在越过导航堤之后受左岸的挤压向右急速扩散，在原堤头以下600 m处贴近右岸，此段航道内的流速达到3.1 m/s；受此影响，在原堤头以下200～600 m的航道内形成强度较大的顺时针回流，最大回流流速达到1.18 m/s，最大横向流速接近0.70 m/s。

4.2 修改方案试验

修改方案认识试验结果显示，顺向导流墩对口门区水流有很好的调整作用，能够有效减小口门区的回流范围和强度，减小水流与航道的交角，减小航道内横向流速，改善船闸下游口门区通航水流条件。但对于导流墩的布置形式，包括导流墩整体走向、导流墩之间的间距、导流墩与水流的交角、导流墩的长度以及各座导流墩的排列形式还需要通过试验研究确定。

修改方案试验主要针对以上内容对导流墩进行优化布置，通过水流试验对导流墩合理的布置形式进行深入的研究，并提出满足设计要求的推荐方案。

下游口门区范围内水流受导流墩的影响较大，口门区以下河段受河势的控制作用较强，因此，在研究导流墩布置对口门区通航水流条件的影响试验中，选择口门至口门以下300 m水域作为重点观测试验区。

该试验在设计方案基础上，切除下导航堤60 m，底高程降至21 m，沿下导航堤布置导流墩。导流墩断面采用平行四边形设计，长边为25 m，宽度为5 m，内角为45°，顶高程41 m。导流墩之间平行布置，并且采用相同的间距。导流墩整体走向与右岸略有夹角，靠近堤头部分导流墩右侧距航道右边线约180 m，末尾导流墩距航道右边线约165 m。针对导流墩不同的布置形式，开展了最不利流量组合⑦下的水流条件试验。

试验结果显示，导流墩对口门区水流有较强的调整作用，不同的布置形式会产生不同的效果，导流墩与主流的交角对口门区回流有明显影响。

（1）导流墩间不同间距试验结果。

导流墩间距的变化对口门区水流有一定的影响。导流墩间距过大，水流会直接穿过导流墩之间的空隙，消弱导流墩的导流效果；间距过小，会强化导流墩引流效果，从而造成口门区航道内横向流速增大，试验结果表明导流墩间距以一倍导流墩长度为宜。研究结果见表2。

（2）导流墩与主流不同夹角试验结果。

导流墩与主流的不同夹角对口门区回流的影响最大，特别是末尾导流墩对水流的调整作用最强。与主流的夹角超过40°时，末尾导流墩后产生了强烈的泡漩水，并影响到口门区航道内的水流条件；与主流的夹角小于0°时，导流墩主要起挑流作用，回流区随之下移到导流墩的下游，回流强度也相应的增大，并且在导流墩右侧口门区水域衍生出逆时针回流，使回流区域大大增加。所以，导流墩与主流的夹角不能过大，特别是末尾导流墩，与主流的夹角以30°左右最优。

（3）不同座数导流墩试验结果。

导流墩整体布置不宜过长或过短，过长会使导流墩更加接近主流，增强导流墩的引流效果，使得口门区航道的横流增大，并且墩后易产生泡漩水，直接影响到航道内的通航水流条件；过短则起不到调整水流的效果，研究表明导流墩应以5、6座为宜。

（4）导流墩长边尺寸及导流墩整体布置试验结果。

试验结果显示，导流墩长边尺度以20～25 m为宜，若长度过小，水流轻易绕过导流墩，失去调整水流的作用。导流墩整体走向应沿外导航堤头向下，与二线船闸右岸呈10°交角，在保证船闸口门航道宽度的前提下，尽量增大左侧锚地的河宽。考虑到导流墩后扰流的影响，导流墩右侧边至航道左边线的距离保持在30 m以上。

表2 导流墩间不同间距试验结果Tab.2 Test results of different spacing distances of diversion piers

表3 导流墩与主流不同夹角试验结果Tab.3 Test results of different angles between diversion pier and mainstream

4.3 推荐方案试验

根据导流墩布置型式试验结果，确定推荐方案采用切堤头+导流墩组合，具体调整如下：①堤头切除60 m，底高程为21 m；②沿航道布置5座导流墩，导流墩截面为边长20 m，厚度为5 m，内角为45°的平行四边形。导流墩整体长200 m，导流墩间距由内向外递减，与水流的交角也逐步变小，工程布置见图2。

图2 推荐方案工程布置图Fig.2 Layout of recommended engineering proposal

试验结果表明：

（1）枯水流量条件下，下游口门区及其以下河段航道通航水流条件均比较好，流速指标基本都满足通航要求。

（2）中水流量条件下，下游航道内纵向流速不超过2.5 m/s，口门区回流流速不超过0.4 m/s。

（3）洪水流量条件下，主流沿断面横向分布比较均匀，主流取直而下，水动力轴线比较平滑，口门区正好位于缓流区，口门区内回流的最大流速不超过0.3 m/s；下游航道内的纵向流速均比较大，尤其在口门以下800～1 000 m范围内流速超过了3.0 m/s，此段航道的右侧存在回流区。

（4）主流在口门下游400～700 m段由左侧过渡到右侧，在此范围内水流与航道轴线的夹角最大；在800 m处主流完全过渡到右岸，受左岸凸嘴的影响，使得此段水流流速最大，并且在凸嘴后形成回流区，回流区的大小随着流量的增大而减小。

（5）口门区位于主流扩散区的上游，受此影响，口门以下250～450 m的左侧航道在中水流量条件下横向流速偏大，口门区其他航段的横流流速小于0.3 m/s，满足通航的要求。

（6）船模航行试验结果表明，该方案能够较好的解决下游口门区的通航水流条件问题，特别是导流墩引入的水流，不但破坏了回流，也部分扶正堤头下游300 m处的斜流。枯水期船模能顺利通过船闸下游口门区及郁江航段，中、洪水期由于堤头下游500 m以下区域的斜流较大，船模下行经过此处时被挤到靠右岸，占用了上行船舶的航道［6］。但是由于洪水期满足航深的水域广阔，不考虑会船时船模只要注意提前操左舵挂高船位，便能顺利驶出郁江口。

5 结论

通过开展多组通航水流条件试验和遥控自航船模试验，对桂平航运枢纽二线船闸上下游口门区的通航水流条件进行研究，主要研究结论如下：

（1）设计方案试验表明：上游口门区通航水流条件能够满足要求，但引航道内上隔流堤偏长，缩短隔流堤后，在各级流量条件下，1 000～3 000 t级4种船模都能顺利通过上游口门区进出一、二线船闸。

（2）不同类型修改方案认识性试验结果表明：顺向导流墩能有效减弱口门区回流强度，对改善口门区通航水流条件有非常重要的作用。顺向导流墩将主流斜向导入回流区，引入的水流有效地压制和破坏了回流，在破坏回流的同时，该水流沿设计航槽运动，一定程度减小了主流与设计航槽的流向角，改善了航道内的通航水流条件。

（3）导流墩型式选择试验结果表明：导流墩截面长边尺度应在20～25 m为宜，导流墩间距为一倍于导流墩长边尺度较为合适，末尾导流墩与水流的交角不宜过大，应保持在20°左右，导流墩座数以5、6座较佳。

（4）推荐方案试验结果表明：采用切导堤并布置5座顺向导流墩的方案能够较好改善船闸下游口门区通航水流条件，基本满足船模安全进出船闸下引航道的要求。

［1］刘俊涛,黎国森,李旺生.西江航运干线桂平航运枢纽二线船闸工程整体水工模型试验报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所,2006.

［2］刘俊涛,李一兵.西江干线贵港—梧州—郁南航道工程关键技术研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所,2011.

［3］庞雪松,潘荣友,曹民雄,等.长洲枢纽变动回水区汇流河段羊栏滩航道整治研究［J］.水运工程,2012（1）：132-137.PANG X S,PAN R Y,CAO M X,et al.Channel regulation of Yanglantan beach in the confluence reach of Changzhou hub fluctuating backwater area［J］.Waterway Engineering,2012（1）：132-137.

［4］刘俊涛,黎国森,李旺生.桂平航运枢纽二线船闸工程建设关键技术研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所,2011.

［5］李一兵,江诗群,李富萍.船闸引航道口门外连接段通航水流条件标准［J］.水道港口，2004（4）：179-184.LI Y B，JIANG S Q,LI F P.On Standard of Flow Conditions for Navigation in Transitional Reach Outside Entrance［J］.Journal of Waterway and Harbor,2004（4）：179-184.

［6］黎国森,刘俊涛,程小兵.郁江口及羊栏滩汇流段航行水流条件改善措施研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所,2008.