雅口枢纽上游隔流堤布置技术研究

闫 涛，周粮江，普晓刚，李君涛

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

雅口枢纽上游隔流堤布置技术研究

闫 涛1，周粮江2，普晓刚1，李君涛1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

合理确定隔流堤布置参数可以有效改善枢纽敞泄时的通航水流条件。以雅口航运枢纽为例，采用模型试验研究了船闸上游口门区水流条件与隔流堤堤身长度的关系，和堤头线型对其附近连接段通航水流条件的影响。结果表明：随着隔流堤长度的增加口门区最大横向流速先减小后增大，存在最优隔流堤长度以改善口门区通航水流条件；堤头采用等弦长但弧长不同的曲线线型时，堤头附近连接段通航水流条件随曲线弧长的减小逐渐转差，但相应的口门区通航水流条件逐渐转好。

通航枢纽；主槽过渡；隔流堤长；堤头弯段；水流条件

为避免水流流向与船闸引航道口门区轴线夹角过大，枢纽通常布置于顺直河段，引航道与主航道平顺连接，以满足通航水流条件的要求［1-2］。当枢纽布置遇到以下情况：（1）受河道地形地质、城市防洪及周边经济发展等因素限制而不具备在顺直河道布置的条件；（2）船闸布置要求的顺直河段长度难以满足要求；（3）枢纽处于顺直河道，但主槽由河岸一侧向另一侧过渡。此时枢纽布置于弯曲河段或是河道顺直但主槽过渡的河段，相应的船闸上、下游通航水流条件需要采取措施改善。那吉、大源渡等枢纽通航水流条件的研究表明［3-4］，当枢纽布置于弯曲河段时，一般采取通航建筑物与电站分散布置的措施，且船闸宜在凹岸一侧；当枢纽布置于主槽过渡的顺直河段时，为使船闸引航道及口门区取得较好的通航水流条件，常采用隔流堤、导流堤、导流板等工程措施［5-8］。隔流堤的不同布置形式对通航水流条件改善效果影响较大。本文以雅口航运枢纽为例，基于模型试验确定船闸上游隔流堤的最优布置长度，并研究了隔流堤堤头不同曲线参数对应的堤头附近连接段通航水流条件。

1 枢纽上游斜向水流成因

顺直过渡段河道布置通航枢纽，若将船闸上游引航道口门区与主航道平顺衔接，则下游引航道口门区与主航道为异岸连接，连接段需跨河，见图1。考虑到枢纽上游为库区，蓄水运行后水位壅高流速降低，即便上游引航道与主航道异岸连接，在非敞泄情况下，连接段跨河时流速较小，横向流速基本在允许范围内。因此当枢纽布置于主槽过渡段时，优先考虑船闸下游引航道与主航道的平顺衔接，见图2。

枢纽采用上游引航道与主航道异岸连接形式布置于主槽过渡的顺直河段（图2），在敞泄情况下，斜向水流成因有两个方面：其一是异岸连接的形式使连接段航道跨河，水流流向与连接段航道形成夹角，产生斜向水流；其二是顺直过渡段坝线垂直于水流方向布置时，可能出现坝线与主槽正交，但与整体河势斜交的情况，当大流量敞泄时水流趋直，在船闸上游口门区附近出现较大范围的斜流区。因敞泄时流速较大，口门区横流值极易超标，造成船舶航行困难。为消除斜向水流的不利影响，平行于引航道布置隔流堤以掩护口门区及连接段航道。隔流堤下游的回（缓）流区或能够将此水域横向流速控制在规范要求之内，从而保证船舶航行安全，见图3。

图1 上游主航道与引航道平顺衔接Fig.1 Connection between upstream main channel and approach channel

图2 下游主航道与引航道平顺衔接Fig.2 Connection between downstream main channel and approach channel

图3 受隔流堤掩护的船闸上游引航道口门区Fig.3 Upstream entrance of approaching channel conserved by partition dyke

拟建雅口航运枢纽位于汉江中游，所处河段属顺直微弯型，坝址上游主槽贴左岸，坝址处主槽由左岸向右岸过渡，坝址以下主槽贴右岸。右岸船闸方案布置见图4，此方案中电站与船闸异岸布置。为保证船闸下游引航道与右侧河道主航道的平顺连接，坝线与主槽正交，但与整体河势斜交。初设阶段枢纽最大设计通航流量为13 500 m3/s，当流量大于8 700 m3/s时枢纽敞泄运用。枢纽敞泄运用且有通航任务时，船闸上游主航道与引航道的连接需要跨越大范围斜流区，口门区航道最大横向流速值超过规范允许值，船舶航行困难。雅口航运枢纽采用在船闸右侧设置隔流堤的方法掩护口门区。其隔流堤堤身长度与堤头曲线线型参数的合理布置具有重要意义。

2 隔流堤堤身长度

按照几何相似与重力相似准则建立雅口枢纽正态模型，使其满足水流运动相似要求，几何比尺为100。雅口枢纽拟建方案中共有三种不同长度的隔流直堤，堤身长度分别为800 m、1 000 m和1 200 m。针对上述隔流堤形式开展最大通航流量13 500 m3/s和和最小敞泄流量8 700 m3/s下的水流运动试验。其中13 500 m3/s河道表面流场分布见图5。试验结果见表1。

图4 拟建雅口枢纽右岸船闸方案布置图Fig.4 Layout of planned Yakou navigation project

表1 不同长度隔流堤的试验结果Tab.1 Test results of navigation flow conditions in case of partition dyke with different length

从口门区通航水流条件改善程度看，当流量为13 500 m3/s时，1 000 m隔流堤对应的最大横向流速为0.21 m/s，小于800 m和1 200 m隔流堤对应的值；其中800 m隔流堤最大横流出现于距口门400 m的位置，1 200 m隔流堤最大横流值出现在口门处。由此可见，13 500 m3/s流量下应存在掩护口门区的最优隔流堤长度，既不会因堤身过短而使口门区暴露于回流范围之外，又不会因堤身过长使口门处出现“拦门水”。当流量为8 700 m3/s时，回流长度和最大宽度均有所减小，口门区最大横向流速也减小，与其他试验组次相比1 000 m长的隔流堤对口门区仍然能够起到较好的掩护作用。

图5 不同组次在最大通航流量下隔流堤附近流场示意图Fig.5 Graph of flow field near partition dyke with different length under the maximum navigable discharge condition

3 隔流堤堤头线型

合理的隔流堤长度能够对口门区起到很好的掩护作用。但在连接段航道因其经过隔流堤堤头，堤头静水和动水交界的分流点位置呈跌流失漩涡，使船舶被挤向堤头，即堤头效应。若堤头效应过于明显，则船舶航行条件不良，可能触堤出险；同时堤头挑流作用将在连接段航道内产生斜向水流。因此需优化堤头形态以调顺水流，改善流态。

枢纽采用堤身长度为1 000 m的隔流堤时，口门区可以取得相对较优的通航水流条件，故采用曲线堤头改善连接段航道水流条件的研究基于此堤。以堤头为起点设置C1-C6六条弦长L1均为200 m的堤头弯段平滑相接于直堤（图6）。堤头弯段参数见表2，堤头弯段弧长L2越小，其形态越接近直堤段。

表2 曲线堤头参数及最大横流值统计Tab.2 Parameters of dyke heads and the maximum transverse velocity

针对上述六组不同弧长的曲线堤头形式，进行最小敞泄流量和最大通航流量下的水流运动试验，并统计曲线堤头200 m附近连接段航道和口门区航道内的横向流速最大值，见表2。试验结果表明：当流量为8 700 m3/s时，堤头附近的连接段航道水流条件表现出随堤头弯段弧长的减小逐渐转差的特点，当弧长为360 m时连接段最大横流为0.4 m/s，当弧长减小至237 m时最大横流为0.7 m/s；弧长越小挑流作用越明显，相应口门区航道内通航水流条件越好。由此可见，随着堤头曲线段弧长的增加，口门区和连接段航道的通航水流条件呈现出截然相反的变化特点。流量的增大并不改变上述变化规律。

基于上述试验条件和范围，采用曲线隔流堤堤头改善通航水流条件时，需要遵循口门区航道通航水流条件为主，兼顾连接段航道的设计思路。对雅口枢纽初设右岸船闸方案，选取组次C3、C4，可取得相对较好的口门区及连接段航道通航水流条件。

4 结论

（1）航运枢纽布置于主槽过渡的顺直河道时，上、下游主航道与引航道平顺衔接不能兼顾。优先考虑船闸下游连接，则上游航道在枢纽敞泄时将穿越斜流区，需采取隔流堤来掩护船闸上游口门区航道。

（2）口门区通航水流条件的改善随堤身长度的增加表现为先趋好后趋差的特点，存在最优隔流堤长度，既可掩护口门区，又不在口门处产生“拦门水”。流量增大后水流条件仍保持同样的变化特征。

（3）堤头弯段在弦长相同的情况下，随着弧长的减小，堤头附近连接段通航水流条件逐渐转差，口门区通航水流条件逐渐转好，两者变化规律相反。在方案选取时应遵循以口门区为主，兼顾连接段航道通航水流条件的原则。

［1］JTJ305-2001，船闸总体设计规范［S］.

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Study on layout of upstream partition dyke in Yakou project

YAN Tao1,ZHOU Liang⁃jiang2,PU Xiao⁃gang1,LI Jun⁃tao1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China；2. College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Appropriate dyke length is the promise of good navigation condition in upstream ship lock entrance. Taking Yakou project for example,the relationship between navigation flow condition and length of dyke was investi⁃gated,and then the effect on the flow condition caused by different dyke forms was revealed.Results show that the maximum transverse velocity at the entrance area decreases with the increase of dyke length firstly,and then in⁃creases.There is an optimal length of the separation dyke which can provide favorable flow condition.According to the dyke heads with the same chord length but different arc length,navigation flow conditions around the dyke head become worse when arc length decreases，but the flow conditions in ship lock entrance area gradually become more advantageous.

navigation project;transitional channel;dyke length;dyke head;flow condition

TV 139.2；U 656.2

A

1005-8443（2016）03-0275-04

2015-04-27；

2015-08-25

闫涛（1988-），男，山西省吕梁人，工程师，主要从事内河港航工程方面研究。

Biography：YAN Tao（1988-），male，engineer.