分汊河段船闸引航道整治试验研究

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(1.长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114； 2. 湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200;3.长沙理工大学 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114)

1 研究背景

对于山区河流，航道宽度不足和水流紊乱是妨碍船舶安全航行的两大因素，河床地形复杂以及水流湍急是产生碍航流态的两大原因[1]。船闸引航道口门区、连接段是连接引航道与主航道的重要航段，其通航水流条件直接影响船舶能否安全进出引航道。当前，针对口门区、连接段通航水流条件的措施，国内外学者已有相当多的研究成果，如调整航线及隔流堤长度[2-6]，改变导航墙型式[7-8]，设置导流墩[9-10]、丁潜坝[11]，河道疏浚[12-14]等。许多措施已成功应用于实际工程，但是针对不同的地形河道，特别是山区分汊河道，其整治难点主要是在已建成的枢纽工程上采取工程措施或者非工程措施来改善通航水流条件，且不影响已有建筑物、电站发电以及上游泄洪。不同河段具有不一样的地质、水文、水流、泥沙特征，其整治效果需要充分考虑并整合当地特殊的环境要素，论证整治措施对工程的可行性。

根据大洑潭枢纽整体物理模型及船舶试验，本文对上下引航道口门区及连接段通航水流条件、整治措施及整治后可能出现的问题进行综合分析，这对该航道工程的改建具有较重要的实际应用价值，也可为其他类似工程提供借鉴与参考。

2 枢纽概况与模型设计

沅水是长江第3大支流，同时也是湖南省第2大河流，是国家规划的全国高等级航道布局的主要通道之一。大洑潭枢纽位于怀化市辰溪县修溪乡境内，属沅江干流中游，距辰溪县城8.5 km。枢纽总平面布置从左至右依次为：左汊左岸混凝土重力坝、左汊12孔泄洪闸、右岸土坝段、船闸、右汊8孔泄洪闸、发电厂房、右汊右岸连接建筑物(图1)。本枢纽共5台发电机组，单台机组额定流量480 m3/s，通航建筑物按IV级航道标准，通航500 t船舶。大洑潭枢纽作为沅水梯级水利枢纽中的第12级枢纽，能有效加强前后2级水利枢纽的渠化作用，使许多碍航滩险淹没于河底，改善通航水流条件。

图1 大洑潭枢纽整体布置Fig.1 Layout of the Dafutan navigation-hydropower juncture

现阶段上游口门区及连接段存在问题：①船闸位于木洲中间，船舶进出引航道易受水流分汊产生斜流作用的影响；②引航道导航墙掩护作用有限，两汊同时泄流时口门区横流较大，船舶易偏离航道，撞击岸坡。

下游口门区及连接段存在问题：①引航道导航墙对横流的削弱有限，口门区出堤头处河道过水断面突然增大，使河道水流向外扩散，流线弯曲变形，产生流速梯度，产生斜流，加上口门区前方存在凸嘴边坡，对水流产生顶冲作用，使该区域水流流态变得更加复杂；②口门区位于左侧泄水闸下泄的动水与引航道静水的交汇位置，两者之间的紊动切应力作用，产生回流区域；③洲尾右汊水流与左汊航道交角较大，斜流较强；④人工挖采砂石、局部冲刷等原因，口门区及连接段航槽凸凹不平，沙丘、深槽错落，通航水深不足。近几年木洲险滩及洲尾左岸险滩的面积扩大，碍航情况进一步恶化，航道通航水流条件和尺度的不足，严重影响船舶正常安全地进出引航道。

根据大洑潭枢纽上下游河段河势特点，考虑到模型上下游边界对通航水流的影响，确定模拟范围为从坝轴线上游约1.8 km处至下游约3.7 km。模型须满足重力相似、阻力相似、水流连续性相似和几何相似条件。综合考虑，模型采用平面和垂直比尺均为1∶80的整体正态定床物理模型。

《内河通航标准》(GB 50139—2014)与《船闸总体设计规范》(JTJ 305—2001(2015年版))均对口门区水流控制主要参数做出了具体规定：纵向流速Vy≤1.5 m/s，横向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V回≤0.4 m/s；连接段水流条件参数的确定，一般认为连接段通航水流条件标准应介于口门区与内河航道之间，本文采用纵向流速Vy≤2.5 m/s、横向流速Vx≤0.45 m/s作为控制参数[2]。船模航行指标参考标准为：口门区舵角应<20°，漂角<10°；漂角大小与航道宽度有关，而本枢纽航道进行了拓宽，连接段舵角应<25°，漂角应<20°，且不能长时间压大舵角，以此来判别航行状态的优劣。

3 工程整治前试验结果与分析

船闸设计最大通航流量采用2 a一遇洪水流量9 630 m3/s，上游最高通航水位为正常蓄水位129 m，下游最低通航水位为113.3 m，最高通航水位为122.65 m，根据河段径流特征和枢纽运行方式，选择从600～9 630 m3/s(P=50%)共4级流量来研究上下游引航道口门区及连接段通航水流条件特性，其中Q=600 m3/s为最低通航流量，Q=2 400 m3/s为下游最不利通航情况即中水常见流量，Q=5 500 m3/s为汛期常见流量，Q=9 630 m3/s为2 a一遇洪水流量。试验工况见表1。

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

3.1 上游引航道通航水流条件与船模试验结果及分析

3.1.1 上游引航道通航水流条件

水流条件试验结果见表2。在主要由电站发电泄水(Q=600，2 400 m3/s)的情况下，上游右岸动水带动左岸静水，在口门区处形成局部回流，但由于引航道口门区位于木洲左侧，受到右侧动水影响较小，横向流速、回流流速均在限值内。

表2 上游引航道口门区及连接段流速测量结果Table 2 Measured velocities in the entrance andconnection segment of upstream approach channel

从表2可知，流量Q=5 500 m3/s时，最大横向流速均超过了限值0.3 m/s，最大回流流速0.60 m/s，超过限值0.4 m/s，口门区内最大横向流速为0.32 m/s，船舶操纵有一定难度。在Q=9 630 m3/s时，口门区最大纵向流速和横向流速均大范围超过限值2 m/s和0.3 m/s，连接段内横流超过限值0.45 m/s，由于船闸引航道外侧泄水闸泄水，且动水流速较大，口门区内几乎没有静水，回流范围及强度减小。分汊口水流方向与航道交角较大。

3.1.2 上游船舶航行试验分析

选取航行试验困难的特征流量来进行分析，并与通航水流试验结果互为验证。当流量为5 500 m3/s时，船模以3.5 m/s的航速(静水航速，下同)下行至距堤头200 m受到右汊斜流作用，最大需操28°舵角完成转向，船尾向右偏移，漂角最大为-17.4°。船模以4.5 m/s航速上行，距堤头150 m处，受到左汊斜流作用，最大需操25°舵角来调整船态，最大漂角为-9.3°。当流量为9 630 m3/s时，船模以3.5 m/s的航速下行经过连接段和口门区过渡段时，右汊斜流作用强烈，此时舵角已打满(满舵为30°)，偏出航道。船模以4.5 m/s的航速上行，距堤头70 m处，受到左汊斜流作用，船头左偏，整体偏离航道，此时舵角已打满。

在流量>5 500 m3/s后，由于左右汊同时开闸泄水，引航道口门区及连接段位于洲头两汊分汊口，同时上下行分别受到左右汊斜流的影响，船模通行困难，航行指标超过限值。

3.2 下游引航道通航水流条件与船模试验结果及分析

3.2.1 下游引航道通航水流条件

下游引航道口门区及连接段流速测量结果见表3。 在Q=600 m3/s最低通航流量下， 由于枢纽泄量减小， 水流经由右汊过流， 左汊引航道口门区内水流为静水， 洲尾连接段处水流与航道交角达到42°， 最大横向流速超出限值0.45 m/s。 在Q=2 400 m3/s电站满发流量下， 此时船模处于最不利通航情况下， 洲尾连接段处最大横向流速大幅度超过限值。 在Q=5 500 m3/s下， 由于左汊开闸泄水， 引航道口门区最大回流流速为0.58 m/s， 超过0.4 m/s， 不利于船模通航。 原因之一为左汊船闸下游引航道连接段河槽深坑错落， 水流集中于串沟与航槽成较大交角冲入航槽(图2)， 而且洲尾处连接段内局部范围测点超出限值， 这是由于左汊的出流对右汊过水产生顶托作用， 水流与航道交角减小。 在Q=9 630 m3/s下， 口门区内最大横向流速达到0.96 m/s， 大幅度超过0.3 m/s， 最大纵向、 回流流速也超出限值。

3.2.2 下游船模航行试验分析

当流量为600 m3/s时，船模以2 m/s的航速下行至堤头以下300 m时，由于航槽水深不足，需左转绕过此处，舵角超标，在洲尾处同样水深不足需调整舵角偏离航线进入下游右侧，上行情况相同。当流量为2 400 m3/s时，船舶以3.5 m/s的航速下行经过洲尾汇流口，受右汊斜流作用，向左偏离航线，舵角已打满，最大漂角为29.8°，船模以4.5 m/s的航速上行至洲尾处，同样偏离航线，最大漂角为31.9°。当流量为5 500 m3/s时，船舶以2.5 m/s的航速下行经过引航道口门区航段，受左侧横流作用，最大舵角为22.8°，最大漂角-17.7°，通过洲尾汇流处，受右汊斜流影响，最大舵角为25.7°，上行情况相同位置舵角及漂角与下行时的类同。当流量为9 630 m3/s时，船模以3.5 m/s的航速下行经过口门区时，最大舵角28°，最大漂角24.2°，横流强度大，船模偏离航线撞击右岸。船模以4.5 m/s的航速上行至洲尾汇流处，最大舵角25°，最大漂角19.8°。

表3 下游引航道口门区及连接段流速测量结果Table 3 Measured velocities in the entrance andconnection segment of downstream approach channel

图2 左汊下游引航道连接段复杂地形Fig.2 Complex terrain of the connecting segment ofdownstream approach channel in the left branch

在主要由右汊泄流的情况下，由于洲尾汇流处右汊水流与左汊航道存在较大交角，斜向水流作用明显，在流量为2 400 m3/s时，右汊斜流影响最大，此时为船模最不利通航情况，上下行船舶均不能安全通过洲尾连接段；在流量>5 500 m3/s后，由于下游引航道导航墙对船模的掩护作用较小，在堤头处存在较大横向水流以及回流，导致船模操纵性变差，易偏离航道，撞击右侧凸嘴。

4 整治方案试验结果与分析

4.1 初步整治方案与船模试验结果

4.1.1 上、下游引航道通航水流条件整治措施

针对上述引航道口门区及连接段存在碍航问题及原因，采取整治工程和优化引航道导航墙布置长度的工程措施：①上游引航道新建158 m导航墙与洲头平齐，加强导航墙掩护作用，减弱横流影响；②下游引航道新建300 m导航墙，开挖深度为1.9 m的2条航槽，航线1和航线2，宽度分别为70 m和50 m，调顺口门区及连接段内水流，提高航道尺度，改善通航水流条件，航线2较航线1远离右汊出口位置，靠近左侧岸线。洲尾建2座挑流丁坝，束窄水面宽度，改善洲尾处通航水流条件，减小斜流对左汊船模航行影响。采取上述工程措施，针对航线1、航线2分别形成优化方案①、优化方案②。调整后的工程布置见图3。

图3 优化方案①，优化方案②布置图Fig.3 Optimized arrangements in scheme ① andscheme ②

采取整治措施后的通航水流试验结果见表4。上游导航墙建成后，相应流量下的口门区及连接段水流条件有明显改善。但是在流量Q=9 630 m3/s下，连接段范围内最大横向流速仍>0.45 m/s。为了确定船模安全通行的最大通航流量，不断下调流量并同时结合船模试验以及水流流速测量结果可知，当Q=8 800 m3/s时，水流条件和船模试验结果均在规定的标准内。

通过采取多种整治措施，下游口门区通航水流条件得到明显改善，能够满足规范要求。但洲尾连接段水流条件改善效果有限，当Q=2 400 m3/s时，最大横向流速为0.72 m/s，超过限值，其余当Q=600,5 500 m3/s时，局部最大横向流速分别为0.48，0.46 m/s，与限值0.45 m/s相差不大，基本满足要求。当Q=9 630 m3/s，连接段局部最大横向流速为0.5 m/s，大于限值0.3 m/s。由于航线2位于航线1左侧，故航线2较航线1受右汊斜流的影响稍小。

表4 优化方案①引航道口门区及连接段流速测量结果Table 4 Measured velocities in the entrance andconnection segment of approach channel in scheme ①

4.1.2 上、下游船模航行试验分析

上游采取新建158 m导航墙，在流量>5 500 m3/s后口门区通航水流条件改善明显，并且口门区及连接段内的通航情况有较好改善；当流量为5 500 m3/s时，船模以2.5 m/s的航速下行，最大舵角为19.3°，最大漂角为-9°，满足航行指标要求；船模以3.5 m/s的航速上行时，最大舵角为18.1°，最大漂角为6.7°，满足航行指标要求；当流量为9 630 m3/s时，船模以4.5 m/s的航速上行至距堤头140 m航道时，最大舵角为24.2°，最大漂角13.8°，由于上游水深充足，船模驶出引航道，水面宽度较大，无碍航情况。船模以3.5 m/s的航速下行至距堤头90 m航道时，最大舵角为24.7°，最大漂角16°，航行参数超标。

下游新建300 m导航墙后，口门区的航行状态得到改善，但是洲尾连接段处的船模航行依然存在困难。当流量为600 m3/s时，船模以2 m/s的航速下行至洲尾航道时，最大舵角26.7°，最大漂角为17.7°，船模偏离至上行航道；当流量为2 400 m3/s时，船模以3.5 m/s的航速下行至洲尾航道时，最大舵角为29.1°，最大漂角为19.9°，船模偏离航道；当流量为5 500 m3/s时，船模以3 m/s的航速下行经过洲尾航道，最大舵角为25.6°，最大漂角为-9.3°，通过洲尾汇流处，最大舵角为25.1°，最大漂角11°；当流量为9 630 m3/s时，船模以3.5 m/s的航速下行经过连接段航道内，最大舵角25°，最大漂角为-11.1°。船模以5.0 m/s的航速上行经过洲尾汇流处，最大舵角为22.9°，最大漂角为11.4°，经过口门区最大舵角21.3°，最大漂角为-12.3°。

根据通航水流及船模试验结果可知：①上游除了流量9 630 m3/s时，其余流量下通航水流条件得到较好改善，船模能够正常进出引航道。由于船闸建于木洲中部上游，不可避免地受到水流分汊带来的斜流影响。②下游由于航槽的开挖和导航墙的延长，解决了通航水深不足的问题和加强导航墙的掩护作用，口门区的通航水流条件有一定改善，船模航行参数满足规范要求。③丁坝对减弱斜流以及减小水流与航道交角的作用有限，本质上把洲尾连接段问题下移。④航线2的通航水流条件及船模试验结果较航线1的通航水流条件及船模试验结果稍好。

4.2 下游通航进一步优化措施及船模试验

根据初步整治措施试验结果，拟对依然存在通航问题的下游洲尾采取进一步优化措施。在洲尾新建一座顺坝，以减小右汊主流与航线交角，从而降低斜流的影响。在优化方案①、优化方案②的基础上用顺坝代替丁坝，顺坝长度300 m，高9 m，宽4 m，形成优化方案③、优化方案④(图4)。在洲尾处增加一座顺坝，相当于延长了左右汊汇流的距离，使得现洲尾形成弯道边界条件，从电站出水到顺坝坝根近似看成“s”型弯道，该河段可看作弯道水流。洲尾处增加一座顺坝，束窄河流水面宽度，改变水流流向，减小右汊主流与航道交角，降低右汊水流产生的横流强度大小以及该拐弯处水流的弯道半径和线型，从而达到改善洲尾处通航水流条件的目的。

图4 优化方案③，优化方案④布置图Fig.4 Optimized arrangements in scheme ③ and ④

洲尾改建顺坝后，汇流处连接段的通航水流条件得到明显改善，当Q分别为600，2 400，5 500 m3/s时，洲尾最大横向流速均小于限值0.45 m/s，满足安全通航要求(表5)。当Q=9 630 m3/s，口门上游220～400 m连接段内最大横向流速>0.45 m/s，超过限值，口门区回流流速0.42 m/s，超过限值0.4 m/s，但超过的幅度较小，应结合船模通行试验结果分析。

顺坝的布置束窄了水面过流宽度，导致过水断面减小，流速增大，造成坝头凹岸在枯水时淤积和在洪水时冲刷，此处应做好护岸、护底措施，提高抗冲刷强度，做好防淤和减淤措施。

表5 优化方案③下游引航道口门区及连接段流速测量结果Table 5 Measured velocities in the entrance andconnection segment of downstream approach channelin scheme ③

优化方案①和优化方案③航段航行参数变化见表6。

表6 优化方案①和优化方案③航段航行参数变化Table 6 Change of navigational parameters ofscheme ① and ③

由表6可知，下游洲尾丁坝改为顺坝后，汇流处连接段船模试验结果得到明显改善。流量分别为600，2 400，5 500，9 630 m3/s时，对应船模航行参数均得到不同程度的改善，优化方案①与优化方案③口门区航行参数相差较小，但优化方案③洲尾航道航行参数较优，且均满足规范要求。

5 结 论

沅水大洑潭枢纽受众多因素制约，船闸引航道口门区及连接段通航水流复杂，不利于船舶通航。采用1∶80几何比尺的整体物理模型对枢纽通航水流开展试验研究，得出以下结论：

(1)大洑潭枢纽布置存在缺陷，船闸上游引航道口门区及连接段位于木洲中部，水流分为左右两汊，与航线交角较大，横流较强。下游口门区及连接段的航槽深坑与沙丘错乱，凹凸不平，通航水深不足，洲尾斜流较强，且水流与航道交角较大，需采取整治措施改善通航水流条件。

(2)根据本文提出的整治措施的模型试验结果，在优化方案④下，上游引航道通航水流条件可得到较大改善，整治后最大通航流量约为8 800 m3/s。对下游航槽开挖及新建导航墙可较好地改善口门区通航水流条件；洲尾顺坝减小水流与航道夹角并减弱右汊斜流影响；航槽开挖及拓宽后航线2的洲尾连接段通航水流条件及航行参数更优，且左汊通行时不易撞击江心洲。本枢纽综合整治优化方案对其他类似工程具有一定参考价值。

(3)分汊河段水流分汊与交汇时水流方向与航线的交角是影响船舶安全通航的一个关键要素，可以通过设置丁坝、顺坝来调整水流与航线交角；船闸不宜布置在分汊河道江心洲中部且航线尽可能布置或靠近顺直河段一侧，减轻斜向水流带来的影响。

(4)顺坝的布置束窄了水面宽度，流速增大，会造成坝头凹岸在枯水时淤积和在洪水时冲刷，应做好护岸、护底、防淤和减淤措施。