韩江东山枢纽二线船闸通航条件试验研究

余丹亚，王广禄，王常红

(1.广东省航道事务中心，广州 510115；2.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)

韩江是广东省第二大河流，由梅江和汀江汇合后而成，以梅江为主流，韩江干流航道是粤东地区的主要内河航运干线，是潮州港(海港)唯一的内河集疏运通道。随着韩江流域梅州市、潮州市、汕头市经济的快速发展和潮州港的迅速发展，建设韩江三河坝至潮州港扩能升级工程已显得非常必要和迫切。航道扩能升级工程拟在现航道基础上，通过航道整治、疏浚、船闸新建重建、桥梁处理等建设将研究河段航道等级提升为 1 000 t级(或 500 t级)航道，为配合该项目的前期研究，对东山枢纽的新建船闸进行了整体定床物理模型试验和船模试验，为该项目的设计提供技术支撑。

1 枢纽概况

东山水利枢纽系大型新建水利工程。工程坝址位于丰顺县东山村，工程以发电为主，兼顾航运。枢纽平面布置从左到右依次为土坝、300 t级船闸、泄水闸及发电厂房，其中船闸有效尺度为200 m×14 m×3.0 m(长×宽×门槛最小水深)。电站装机6台，总容量为7.5万kW，单机容量为1.25万kW，年平均发电量3.1亿kW·h。泄水闸闸孔净宽14 m，共设19孔，最大通航船舶为300 t级。

2 模型设计与试验流量

2.1 模型范围

物理模型设计为1∶80正态定床模型[1]，模型范围包括：上起枢纽坝址上游2.6 km的峡谷河段，下至枢纽下游3 km处，模拟河段全长约5.6 km。

2.2 设计代表船型

根据《韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程可行性研究报告》，本次试验代表船型尺度为[2]：67.5 m×10.8 m×2.2 m(船长×船宽×满载吃水)，由船模与实船各参数之间的比尺关系，可计算出代表船型船模的主要尺度参数，见表1。

表1 实船与船模船型及主要尺度表Tab.1 Main scale of ship and ship model

表2 东山枢纽试验流量级Tab.2 Test flow level of Dongshan water conservancy project

2.3 试验流量级

模型试验水文工况拟采用数学模型提供的各工况条件下水文组合，综合选择以下试验工况(表2)进行定床物理模型试验。

3 天然水流特性试验

通过11级典型流量级的试验表明：(1)东山枢纽上游1.4 km处河道为弯曲河段，受两岸地形控制，河道弯曲缩窄，水流湍急；下游近坝段为顺直河段，枢纽下400 m河道中有一长560 m宽为250 m的心滩，枯水时水流分为分汊，浅滩下游两岸有大量的丁坝群，枯水时丁坝对水流的挑流作用明显[3-4]。(2)在电站发电、泄水闸关闭的调度方式运行时，枢纽上游段基本为静水，下游近坝段电站尾水水流湍急，流态紊乱。 (3)泄水闸敞泄时，枢纽上下游河段的流速随着流量增加逐渐变大，最大流速集中在枢纽上游1.4 km的弯道河段。枢纽上游流速为2.5～5.5 m/s，枢纽下游主航道流速为1.0～3.5 m/s。当流量为6 000 m3/s，枢纽上游700～1 400 m范围内河道流速达到3.0 m/s，最大流速接近3.5 m/s。随着流量的增加，流速随之增大，河道内流速超过3 m/s的范围也随之扩大。当流量为9 770 m3/s时，枢纽上游1.5 km范围内的河道流速均都超过3 m/s，最大流速接近4 m/s。当流量为17 800 m3/s时，枢纽上游1.5 km范围内的河道流速都超过4 m/s，最大流速接近5.5 m/s。

4 设计方案试验

4.1 工程布置

新建二线船闸建设规模为1 000 t级，船闸级别为Ⅲ级船闸。船闸有效尺度为220 m×23 m×3.6 m(长×宽×门槛水深)。二线船闸布置在东山水利枢纽的左岸，上下闸首、闸室的结构型式为整体式结构[4]，上闸首长42.0 m，闸室长210.0 m，下闸首长36.0 m，上、下游口门区均位于弯道段，弯曲半径仅338 m。

上、下游引航道按停靠3排2列船舶等候过闸布置，对枢纽下游的心滩削填平整，从原有船闸的堤头向下按照1：92的坡度将高程从14.65 m降至12 m，以此往下将原浅滩高程超过12 m的部位开挖至12 m。

4.2 试验结果

(1)水位变化。

工程建设前后枢纽上下游沿程水位变化较小，个别测点的水位略有降落，幅度均在0.10 m以内。

(2)通航水流条件。

1)上引航道口门区及连接段通航水流条件。

在设计最高通航流量(11 800 m3/s)以内，枢纽各运行工况下船闸上游引航道口门区的流速均较小，通航水流条件满足要求。

在枢纽敞泄前(2 500 m3/s流量以内)，上游引航道连接段基本为静水；敞泄时随着流量的增加河道内流速逐渐增大，在流量大于6 000 m3/s时，连接段的航道内流速超过2 m/s，由于水流与航道存在交角，横向流速均在0.3 m/s以上，最大达到1 m/s，连接段的末端通航水流条件较差。

2)下引航道口门区及连接段通航水流条件。

在设计最高通航流量以内，枢纽各运行工况下船闸下游引航道口门区的流速较小，仅当流量为11 800 m3/s时小范围内略有超标，通航水流条件基本满足要求。

在枢纽敞泄前(2 500 m3/s流量以内)，下游引航道连接段的流速较小，横向流速在0.3 m/s左右；枢纽敞泄时随着流量的增加河道流速逐渐增大，当流量为6 000 m3/s时，连接段的靠近水流侧流速大于1 m/s，且水流与航道存在较大交角，横向流速超过0.6 m/s。

(3)船模试验。

上游：6 000 m3/s以下流量，船舶基本可顺利通过口门区及连接段，流量为6 000 m3/s时，上行船舶用4 m/s的静水航速上行出口门区比较顺利，随着连接段流速的增大，对岸航速明显减小，连接段末端平均对岸航速降低至1.9 m/s(图1)，下行时船舶打斜，航迹带较宽，当流量大于6 000 m3/s时，船舶上行至锚地时已无法通过。

下游：受口门区弯道影响，船舶需要沿航道中线进出，受连接段斜流的影响，上行船舶需打斜航行，航迹带较宽，船舶向左岸漂移(图2)，船位可控制在航道内，下行船舶出口门区后将船位调整至航道中线右侧通过斜流区。

图1 船舶上行航态图(上游Q=6 000 m3/s)Fig.1 Ship's upper flight state diagram of design project (upstream Q=6 000 m3/s)图2 设计方案船舶上行航态图(下游Q=6 000 m3/s)Fig.2 Ship's upper flight state diagram of design project(downstream Q=6 000 m3/s)

5 修改方案试验

设计方案存在的主要问题：(1)上游引航道连接段末端距离枢纽上游的弯道仅有400 m，弯道段两岸地势陡峻，水流集中在窄深的河道内，水流急，且主流靠右，当敞泄时，连接段水流与航道存在夹角，且上游来流迅急，流速大。船舶上行时在连接段的末端以4 m/s的航速无法上行，下行时船尾大幅度偏移，存在安全隐患。

(2)下游引航道连接段的水流与航道交角过大，船模下行时存在扫尾的危险。在下游流速未超过2 m/s时，仍有较大横向流速。

由于东山枢纽船闸所处位置边界条件较为复杂，二线船闸只能布置在现有船闸左侧，通过调整船闸平面布置方案改善船闸上、下游口门区及连接段通航水流条件的空间不大，因此只能通过试验局部调整上下游引航道的连接段。

5.1 修改方案布置

针对船闸上游引航道连接段末端水流与航道交角较大问题，将上游连接段航道向左岸侧偏移[5]，船闸上游停泊区由原来的双排双列改为单排四列；针对船闸下游引航道连接段水流与航道交角较大问题，将口门区下游圆弧段调整顺直，在下游左岸侧不拆迁的基础上，尽量减小连接段航道与水流方向交角。具体见图3和图4。

图3 修改方案工程布置图(上游)Fig.3 Layout plan of modification project (upstream)图4 修改方案工程布置图(下游)Fig.4 Layout plan of modification project (downstream)

5.2 试验结果

(1)对防洪影响。

本方案与设计方案工程布置相比，仅将引航道位置向左偏移，岸线继续向左拓宽，没有减小河道的过水断面，工程建设前后枢纽上下游沿程水位同设计方案基本一致。新建二线船闸工程不会对河段防洪产生不利影响。

(2)上引航道口门区及连接段通航水流条件。

①在Q≤11 800 m3/s时，船闸上游口门区流速基本满足规范限值要求[6]，但由于口门区处于弯道段，船舶上、下行时存在个别较大舵角和漂角，因此进出此段需要单向航行；

②将上游连接段向左顺直偏移后，和设计方案相比连接段的流速值和水流夹角都变小，横向流速值相应变小，在流量为11 800 m3/s时最大横向流速值为0.6 m/s，出现在连接段的末端航中线右侧；

③船模试验表明：连接段的水流条件较设计方案有了明显改善，船舶可顺利通过口门区及连接段，在距堤头0～500 m范围内，船舶下行存在较大的最大舵角(图5)，为了船舶安全航行，船舶应避免在上游锚地与口门区之间会船。

(3)下引航道口门区及连接段通航水流条件。

①在Q≤11 800 m3/s时，船闸下游口门区流速满足规范限值要求；

②将下游连接段向左偏移后，和设计方案相比连接段的流速值和水流夹角都变小，横向流速值相应变小；但当流量在6 000 m3/s以上时连接段的末端与主航道衔接段，仍有较大的横向流速值；考虑到连接段的左岸为缓流区，大流量时水深满足要求的条件下船舶可沿左岸的缓流区航行。

③船模试验表明：在流量6 000 m3/s以上时，上行船舶航行至连接段末端时需打斜航行，航迹带较宽，船位可控制在航中线；船舶下行至该航段时，船位向左岸漂移至航道边线，紧贴左岸的丁坝坝头。从船舶航行参数看，上行船舶在口门区的弯道段舵角较大，最大为25.9°；下行船舶在距口门300～400 m航段舵角超过20°，最大为22.7°，漂角超过10°的航段在距口门300～500 m，最大为-17.2°(图6)。因此，受连接段斜流和口门区弯道的影响，船舶需单向航行通过口门区及连接段水域，船舶应避免在口门区及连接段会船。

图5 优化方案船舶下行航态图(上游Q=6 000 m3/s)Fig.5 Ship's down flight state diagram of modification project (upstream Q=6 000 m3/s)图6 优化方案船舶下行航态图(下游Q=6 000 m3/s)Fig.6 Ship's down flight state diagram of modification project (downstream Q=6 000 m3/s)

6 结语

通过设计方案和修改方案的试验结果可以看出：

(1)修改方案使枢纽上下游连接段的通航水流条件有所改善[7]，连接段的末端横向流速值变小，船舶更容易通过连接段。(2)由于平面布置空间的限制上下游口门区均位于弯道段，船舶在此航行存在个别较大的漂角和舵角，因此船舶在进出上下游口门区时都需要尽量靠近航中线行驶；当泄水闸开启后，连接段与主航道的交界区横向流速值较大，船舶需要选择靠近岸边的缓流区行驶，建议上下游口门区及连接段设置单向航行。(3)修改方案的通航水流条件和船模试验优于设计方案，作为二线船闸的推荐布置方案。