船闸口门区及连接段水流条件研究

蒙秋狄

受枢纽、船闸布置及枢纽区河势地形等条件的影响，船闸工程上下游引航道口门区通航水流条件为非恒定流，流态复杂，表现为斜向水流和大面积的回流，对船舶通航安全影响很大。文章结合红花二线船闸枢纽整体物理模型试验成果，分析船闸口门区和连接段航道通航水流条件和影响因素，提出改善通航水流条件的措施，并验证了采取措施后的通航水流条件，为类似枢纽工程提供技术支撑。

枢纽;船闸口门区;连接段;水流条件;整体物理模型试验;应对措施

0 引言

船闸口门区及连接段的水流条件是影响船舶航行安全的主导因素。在通航河道上建造水利枢纽设施后，由于水坝的挡水功能在满足挡水和泄洪功能的同时，在船闸上下游口门区产生斜向水流，使航行船舶（队）产生横漂和扭转，严重时会出现失控，以致发生海事事故，影响通航。因此，针对船闸口门区的水流条件研究非常必要。本文基于柳江红花二线船闸整体模型试验研究成果，分析各种工况条件下一、二线船闸引航道、口门区的通航水流条件和影响因素，验证总体布置方案的合理性并提出改善措施，也為类似枢纽船闸工程布置和选址提供技术支撑，具有重要的工程实际意义。

物理模型试验就是仿照原体实物，按照相似准则将原型缩制成模型进行试验研究，用模型重演与原体相似的自然情况进行观测和分析研究，然后按照一定的相似准则引伸到原型，从而作出判断。物理模型试验因其直观性和准确性而被广泛应用。

1 工程概况

柳江红花水利枢纽二线船闸工程是在已建红花水利枢纽及一线船闸基础上的扩建工程，二线船闸设计等级为Ⅱ级，通航2 000 t级船队并兼顾满足3 000 t级单船通航。上游引航道总长约1 031 m，下游引航道总长约1 314 m。设计最大年通过能力：单向2 860万t，双向5 504万t。设计代表船型采用2 000 t级货船、2×2 000 t级顶推船队、2 000 t级多用途集装箱船、3 000 t级船舶（兼顾船型）。

船闸平面布置见下页图1、图2。

2 模型试验研究

2.1 模型比尺及模拟范围

综合考虑工程河段、河床、河势条件以及通航流量、试验场地等因素，考虑模型Re要求，整体模型设计为正态模型，几何比尺为1：100。相应各物理量比尺见表1。

模拟范围：枢纽上游约3.4 km河段（苦练渡口附近），模型下游模拟至枢纽以下约2.8 km。

模型航道流速测点布置原则为：沿纵向间隔50 m、沿横向间隔12 m布置测点。

2.2 试验工况

根据红花枢纽调度原则，设计通航流量及红花枢纽水文条件，拟定试验工况见表2。

3 试验成果分析

3.1 现状布置一线船闸上下游引航道口门区水流条件分析

现状布置条件下，在来流≤4 800 m3/s条件下，由于来流量相对较小，上游库区水位较高（正常蓄水位77.50 m），上游来流流速较小，水流相对平顺，仅在局部岸侧地形突出部位形成小的回流区，在弯道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速接近1.10 m/s，各工况条件下上引航道连接段及口门区水流条件均能够满足船舶航行安全要求。

而下游引航道口门区及连接段水流流态部分工况下不能满足船舶航行安全要求，电站满发流量下，下游水位较低（63.59 m），下引航道隔流潜堤露出水面，电站下泄水流直冲左岸下引航道口门区，并在口门区一定范围内形成回流，但由于总流量不大，主流流速相对较低，回流强度与范围较小，最大回流流速为0.30 m/s;在Q=4 800 m3/s工况下，泄水闸等开度开启相应出流较为均匀;而发电且仅开启Ⅰ区泄水闸工况下，出流较为集中且直冲对岸，主流流速明显较大，下游通航水流条件要稍劣于均匀开启工况，但总体而言，上下游口门区通航水流条件是基本能够满足要求的。

而在一线船闸设计最大通航流量下，Q=14 100 m3/s，约是Q=4 800 m3/s的3倍，枢纽运行为敞泄方式，上游库区水深相对降低约20%，弯道下游左岸凸嘴附近部位，最大流速达3.50 m/s，航道中心线上最大纵向流速达3.30 m/s。虽然上引航道口门区水流条件基本能满足要求，但此连接段上水流流速已大于通常船舶10 km/h的航速，船舶的舵效作用差，操控难度较大。

3.2 二线船闸上下游引航道口门区水流条件分析

二线船闸上游引航道口门区在Q≤4 800 m3/s工况条件下，库区水位较洪水期高，来流流速较低，上引航道口门区水流条件满足要求，口门区上游桩号-1-700 m～-1-850 m之间横向流速>0.3 m/s，最大为0.38 m/s。二线船闸下引航道口区是较强的回流，在Q=4 800 m3/s（电厂运行，开启右Ⅰ区8孔闸）工况下，最大回流流速达到0.70 m/s。下引航道口门区水流条件受枢纽运行调度方式影响较大，较为均匀泄流的工况要优于集中泄流工况。

在Q=14 100 m3/s工况下，枢纽开闸泄水，库区水位低而上游的来流量大，上游流速较高，加之受工程上游90°转弯段环流及弯道下游凸嘴河势的双重作用，口门区上游约200 m范围内纵横向流速均较大，最大纵向流速>3.0 m/s，最大横向流速达1.0 m/s以上，水流条件难以满足通航要求。

在Q=18 400 m3/s流量工况下，上下游水流条件进一步恶化，最大纵向流速达3.70 m/s，最大横向流速为1.24 m/s。下游口门区最大回流流速为0.70 m/s，口门区下游200 m最大回流达1.25 m/s。

3.3 存在的问题与影响因素[1-3]

根据试验研究成果，二线船闸通航水流主要存在的问题和影响因素如下：

（1）红花枢纽上游段受整体河势及局部岸线地形影响，有两个接近90°角的连续转弯段，使弯道下游回流区形成了一个40 m的深潭，水流流态极为复杂。在二线船闸布置方案中，上口门距离上游航线弯道末端约800 m，仅为船队长度的4倍左右，口门区存在较大的横流，难以保证过闸船舶安全。

（2）受河道过水断面制约，大洪水条件下，来流流速较大，这一主要影响因素在短距离内是难以通过局部的工程措施来从根本上改善和解决的。

（3）二线船闸上游引航道口门距离上游航线转弯段末端800 m左右（仅相当于4倍船队长度），在大流量、大流速条件下船舶舵效差、操控反应时间短，操作稍有不慎，进闸船舶就会错过口门而引发海事事故。

（4）上引航道长度达1.3 km，船闸充泄水过程中的非恒定水流条件亦会对引航道水流条件造成不利影响。

（5）小洪水条件下枢纽运行调度方式对下游引航道口门区的影响作用明显，而适当合理的运行方式可以改善下游引航道口门区的水流条件。

（6）下引航道一二线船闸间隔流堤较短，易导致二线船闸口门区的大范围回流，宜考虑适当延长下引航道隔流堤长度。

3.4 应对措施与思路分析[4-8]

（1）在整体河势无法改变的条件下，尝试在上游口门区设置导流顺坝，减弱弯道下游凸嘴的挑流作用，降低回流强度。

（2）利用工程挖方弃渣对局部深潭进行回填，以削弱严重的泡漩等恶劣流态。

（3）在口门距离上游航线转弯段末端距离较短的情况下，适当考虑加长上引航道一二线船闸间隔堤长度，使口门区后移，增加船舶操控反应时间，也避开严重的回流、泡漩区。

（4）在来流纵向流速偏大的条件下，难以采取措施有效降低纵向流速，且柳江属于山区性河流，洪水历时较短，宜适当采取保证通航时间的措施来降低最大通航流量。

（5）应通过调整枢纽调度运行方式来改善下引航道水流条件。

（6）考虑通过加长一、二线船闸之间隔流堤长度，从而减弱下引航道口门区的回流和横流强度，改善通航水流条件。

3.5 调整方案试验成果

在对红花枢纽二线船闸布置调整优化后，在Q=8 800 m3/s流量以下，一、二线船闸上下游引航道口门区水流条件能够满足要求。在Q=11 100 m3/s和Q=14 100 m3/s流量下，上下游引航道口门区基本能够满足要求，仅口门区外围局部测点回流流速>0.4 m/s，个别测点横向流速>0.3 m/s。

总体上讲，红花枢纽二线船闸受上游弯段地形影响，水流条件较差。通过采取局部措施后，流量<14 100 m3/s时，二线船闸口门区及连接段通航水流条件基本可以满足要求，流量>14 100 m3/s时水流条件较差。从船舶航行安全角度考虑，建议二线船闸通航流量≤14 100 m3/s。

4 结语

通过试验研究成果表明，影响红花二线船闸通航水流条件的主要因素为整体河势及局部岸线地形，尤其是枢纽上游紧邻两个接近90°角的连续转弯段，使得船舶从上游弯段下行进入口门区的操纵难度异常大，影响船舶航行安全，且由于涉及开挖量非常大，难以通过工程措施改善水流条件。这些制约因素使得红花二线船闸只能通过降低通航标准以满足通航水流要求，在一定程度上影响了船闸通航能力。因此，建议枢纽工程在选址时，应考虑近远期通航建筑物布置的影响，尽可能选择在相对顺直、整体河床河势稳定、水流流速流态良好的航段，避免由于地形影响限制通航，实现水利枢纽工程发电、通航效益最大化。

影响船闸通航水流条件的因素很多，由于时间仓促和作者能力有限，本文只通过整体物理模型进行模拟分析，考虑的周边条件与实际可能存在偏差，需要更细致地研究模型周边条件对通航水流的影响。

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