峡江水利枢纽引航道通航水流条件改善措施试验研究

2015-12-21邬年华丁晶晶黄志文

水利与建筑工程学报 2015年3期

邬年华，罗优，丁晶晶，黄志文

（江西省水利科学研究院，江西南昌330029）

引航道口门区是指引航道分水建筑物头部外一定范围内的水域，处于河流动水与引航道静水的交界处，是船闸进出口与河道自由航行河段起纽带作用的区域［1］。上、下游引航道轴线通常与河槽主流方向存在一定交角，从而引起的引航道下游口门区及连接段的斜向水流和回流等不利通航水流条件，影响船舶航行［2-5］。此外，引航道口门区淤积也是工程中常见的问题［6-8］。针对这些工程问题，很多学者在引航道布置方案、口门区水动力特性及整流措施等方面做了大量研究［9-12］。

峡江水利枢纽工程地处赣江中游，是以防洪为主兼有发电、航运、灌溉、水库养殖等综合效益的大（一）型水利枢纽工程。枢纽总体布置（见图1）从左到右为船闸、门库段、泄水闸、厂房，左右坝头采用混凝土重力坝连接，坝轴线总长864m。枢纽通航建筑物布置在左岸，上游引航道口门位于“S”形河段前半段弯道凸岸下游1 000m处，下游引航道口门区处于后半段下弯道凹岸河道主流顶冲点［13］附近，独特的地理位置使得上下游引航道口门区及连接段通航水流条件更加复杂。

因此，开展物理模型试验研究引航道布置优化方案和枢纽通航水流条件改善措施，为安全通航创造有利的通航水流条件。

图1 工程布置示意图

1 模型设计及试验工况

枢纽模型采用正态整体模型，按重力相似原则进行设计［14-15］，综合考虑试验场地、供水、量水设备及精度要求，选定模型几何比尺为λl=110，相应流速、流量、糙率和水流运动时间比尺分别为10.49、126905.9、2.19和10.49。

模型模拟范围包括坝轴线上游1 700m，下游1 600m河道及挡水坝、泄水闸、厂房、船闸等建筑物。模型总长（包括进水前池及沉沙池）为35m，宽度9m～10m。

峡江水利枢纽工程运用调度方案分洪水调度和兴利调度两种运行方式，根据枢纽运行调度方式，确定试验工况与试验参数见表1。

表1 试验工况与试验参数

2 设计方案条件下通航水流条件及存在的问题

（1）峡江枢纽船闸上游引航道采用了曲线进闸、直线出闸的不对称布置型式（见图2）：主导航墙（长162m）兼具调顺和导航作用，停船段（长224 m，底宽55m）通过分水墙（转弯半径640m，转角50°，底宽60m）与引航道口门区相连接。口门区位于上游左岸阶地之上，通过直线连接段与上游左侧主航道衔接。

图2 上游引航道方案优化示意图

针对上游引航道布置方案，选取最大通航流量和上游最低通航水位工况（见表1），对引航道口门区及连接段水流流态和流速分布进行试验研究。试验结果表明，上游引航道中心线与河道主流方向夹角较大，口门区产生大范围超标回流及横流：其中最大通航流量工况下口门区最大回流流速达1.56 m／s，最大横向流速达0.69m／s；上游最低通航水位工况下口门区最大回流流速达0.49m／s，最大横向流速达0.3m／s，即设计方案下上游引航道大范围超标回流及横流将影响船舶的安全行驶。

（2）针对下游引航道设计布置方案，选取5a一遇洪水工况（见表1）对下游引航道口门区及连接段水流特性的进行试验研究。研究结果表明：引航道中心线与河道主流流向夹角较大，口门区存在小范围回流；枢纽下泄形成直冲下引航道口门区的斜向水流，造成下引航道口门区纵、横向流速偏大，口门下游150m处最大横向流速1m／s，最大纵向流速2.08m／s，即设计方案下下游引航道横流和纵流超过规范标准［1］，影响船舶的安全行驶。

设计方案下上、下游引航道回流、横流和纵流超过规范标准，影响船舶的安全行驶，因此，有必要对上游引航道布置方案进行优化调整，研究改善引航道口门区及连接段通航水流流态的工程措施。

3 航道布置调整及整流措施优化

3.1 上游引航道

上游引航道口门区产生大范围超标回流及横流主要由上游引航道中心线与河道主流方向较大夹角引起，因此改善措施需要调整上游引航道中心线，以缩小其与河道主流流向的交角，同时在航道左边界加设导流堤，调整上游引航道口门区及连接段，开挖左边界。上游引航道中心线调整有两套优化方案，优化方案Ⅰ和优化方案Ⅱ及航道中心线布置见图2，方案Ⅱ比方案Ⅰ更靠近左岸。

不同工况条件下试验结果表明：优化方案Ⅰ和优化方案Ⅱ引航道口门区通航水流条件均较原设计方案大为改善，除最大通航流量工况外，上游引航道口门区纵、横向流速基本能够满足规范要求，综合考虑到工程设计的经济和施工难度，选取相对较优布置方案Ⅰ布置为推荐方案。

优化方案Ⅰ时，总体上表1各工况口门区及连接段水流纵横向流速分布基本能够满足规范要求，较原方案有较大的改善。但在最大通航流量工况下，上引航道口门区回流范围及回流强度较大，局部回流流速大于1.0m／s；受弯道凸岸地形影响，在上引航道口门上游800m～900m处，航道中心线右侧局部横向流速大于0.3m／s。

因此需要进行进一步整治措施，比如对上游引航道口门区右侧突出高地进行整治开挖，削弱由此处突出地形引起的回流，同时，在此处设置挡船墩群，扩大上引航道口门张角，延长船舶驾驶反应时间，一定程度上能够保证绕过“S”形河段前半段凸岸的船舶穿过河道主流安全进入引航道口门区。

3.2 下游引航道

设计布置方案下，枢纽下泄水流形成直冲引航道口门区的斜向水流是造成下引航道口门区纵、横向流速偏大的主要原因，对此提出了四套整流方案（图3）：整流措施1主要是取消原转弯段弧形分水导流墙，使得处于下泄主流顶冲点附近的口门位置上移，避免水流直冲引航道口门区；整流措施2在整流措施1的基础上，进一步拆除一半直线段分水导墙，并将拆除的原分水导墙用导流墩群代替，以利用导流墩群引入水流来削弱口门区回流；措施3采取布置伸向河道中心的棱形导流墩群代替原方案中转弯段分水墙，此外，平顺下游引航道口门区及连接段左岸边界；整流措施4采用伸向河道中心更远的底部透空导流隔墙代替原导流墩群，调整引航道口门区及连接段左边界，底部透空导流隔墙结构见图4。

图3 下游引航道整流比选措施

试验研究表明，措施1条件下，口门区纵、横流流速超标现象较设计方案下有所改善，但口门区回流范围相对增大、强度相对变强；措施2条件下，部分水流导入引航道内，口门区回流范围有所减小，但引入流量偏大，导致停船段内横向流速大于0.3m／s（Q=14 800m3／s）；措施3条件下，导流墩引导枢纽左侧下泄水流进入引航道口门区，减小了回流强度和口门区横向流速，但是即使在相对较优的导流墩摆放布置条件下，口门区横向流速虽有减小，但是仍不能满足要求；措施4条件下，航道水流与下泄主流流向的交角减小，下泄水流进入引航道口门区更加平顺，除个别点横向流速略大于0.3m／s，口门区纵、横向流速基本满足规范要求，回流范围及回流强度相对较小。

图4 方案4透空导流隔墙布置（单位：m）

总体上，措施1、措施2和措施3在一定程度上减小了口门区回流强度，口门区纵、横流超标得到一定改善，但是口门区部分断面的回流及横流流速仍然超出规范允许值，措施2和措施3使用导流墩后出现间歇性旋流，影响口门区通航水流条件的稳定性；措施4相对于前三种措施引航道流态明显平顺，没有因导流墩产生间歇性旋流，回流范围及回流强度均有所减小，口门区纵、横向流速基本满足规范要求，整流效果最好，因此选取措施4为推荐方案。

不同水库泄水方式（见表2）试验结果表明，在推荐方案下，峡江水利枢纽在下泄流量Q＜10 800 m3／s时，优化布置方案的水流流态和流速分布可满足通航要求；在2a一遇洪水流量即Q=10 800m3／s时，水库泄水开右边12孔泄洪时引航道水流可满足通航要求；在Q=14 800m3／s下，引航道水流基本能满足通航要求；但当泄洪流量Q≥17 400m3／s时，即使采用整流措施，引航道水流也无法满足通航要求，此时应禁航，以利安全。

表2 水库泄水方式

4 整流最终方案及通航条件改善效果

综合上下游引航道推荐方案，结合相关辅助措施，比如高地开挖、扩大上引航道口门张角、航道左边界调整等，得到了引航道最终布置方案（图5）。图6和图7为原设计方案以及最终布置方案在通航流量Q=14 800m3／s条件下上、下游引航道口门区流速分布。

图5 引航道布置最终方案示意图

由图6可见，原设计方案上引航道口门区产生大范围超标回流及横流，最大横向流速大于0.3 m／s；另外，弯道断面流速分布不均，最大流速位置偏向左岸，水流条件相对较差，不利于船舶航行安全；通过优化，最终布置方案口门区回流现象基本消除，纵向流速沿断面分布相对均匀，横向流速也得到很大程度减小，均在0.15m／s以下，基本满足规范要求。

由图7可见，原设计方案下引航道口门区存在小范围回流，枢纽下泄形成直冲下引航道口门区的斜向水流，造成下引航道口门区纵、横向流速偏大，口门下游150m处最大横流流速1m／s，最大纵向流速2.08m／s，均超过规范标准，影响船舶的安全行驶。通过优化，最终布置方案口门区纵、横向流速基本满足规范要求，仅个别点横向流速略大于0.3 m／s，且位于航道中心线右侧的航道边线上，对船舶运行影响较小。同时回流范围及回流强度均有所减小，口门区整体流态更加稳定。

图7 下游引航道流速分布图

5 结论

“S”形弯曲河段水流条件复杂，在该河段内布置引航道受到多方面因素限制，包括引航道长度、入流中心线方向等。针对峡江水利枢纽船闸引航道，本文提出了在上游减小引航道中心线与河道主流夹角，在下游采用伸向河道中心的底部透空导流隔墙等措施来改善通航水流条件。弯曲河段水流条件复杂，河床演变难以预测，因此需要进一步研究所提改善措施对该类型河段河床调整的适应性。

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