山区河势受限段改建船闸上游通航条件试验研究

张爱平，普晓刚，王 能，金 辉

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410008； 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)

随着我国经济的快速发展以及全国内河高等级航道网的实施与推进，国内众多已建枢纽船闸面临着通过能力严重不足或与规划航道等级不符的现实，转而成为实际上的碍航建筑物，船闸碍航问题日益凸显。为了满足内河运量的增加，国内众多通航河流上已建枢纽的改扩建船闸以及碍航枢纽复航的工程逐渐开展且日益增多。

1 研究背景

船闸改扩建工程所面临的是通航船舶几何尺度增大，通航保证率的提升，进而对通航条件的要求更高。受已建枢纽建筑物、坝区河势及两岸征地拆迁等条件限制，改扩建船闸布置难度较大，相应通航水流条件较差。研究人员针对不同的改扩建工程存在的问题，采用整体物理模型或数学模型开展了方案论证与优化研究，并取得了一定的成果，如：针对飞来峡水利枢纽新建二线、三线船闸布置方案，采用整体定床物理模型开展了引航道平面布置优化、导航墙优化等措施研究[1]；针对大源渡航电枢纽扩建二线船闸存在的影响船舶(队)安全通航问题，采用整体水工模型试验，利用疏挖下游河道一定区域并结合布置导流工程的措施进行改善，从而使口门区表面流速符合规范要求[2]；富春江船闸扩建改造工程从改造库区引航道的可行性出发，采用二维水动力模型分析浮式导航设施对富春江船闸库区引航道通航安全的影响[3]。本研究依托沅水洪江枢纽改建船闸工程，针对其特殊的山区河流上游岸线受制约段的问题，采用1:80正态整体水工模型和遥控自航船模试验相结合的手段，开展了通航条件试验研究，提出通过延长上游导流堤、调整透空堤范围、调整航线等改善措施，较好地解决了改建船闸通航问题，可为同类项目提供借鉴参考。

2 依托工程概况

洪江枢纽位于湖南省怀化市洪江区境内的沅水干流上，是沅水梯级开发的第8级电站。工程以发电为主，兼顾航运、灌溉等综合效益。坝址以上控制流域面积35 500 km2，多年平均流量705 m3/s。水库总库容3.2亿m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，调节库容0.75亿m3，属周调节水库。枢纽于1998年3月正式开工，2003年12月全部6台机组投产发电，满发流量为1 470 m3/s。洪江枢纽现有300 t级船闸位于右岸侧，为一线二级船闸。

图1 洪江枢纽改建船闸工程平面布置Fig.1 Plane layout of ship lock reconstruction project of Hongjiang junction

按照相关规划，拟将洪江枢纽船闸改建提升至Ⅳ级。由于已建洪江枢纽位于单一微弯的河道，两岸山体雄厚，空间狭窄，左岸建有电站，中间9孔泄水闸，右岸一线二级船闸，无建设二线船闸的空间位置，新建船闸只能布置在右岸现有船闸处。为尽量减少原船闸的拆除和船闸改建对原坝体结构影响，拟利用原上闸首及一闸室作为改建船闸的导航明渠段，拆除原中闸首、二闸室、下闸首和部分下游导航墙(图1)。新建船闸设计最大过闸船型为500 t级货船(67.5 m×10.8 m×1.6 m，船长×型宽×设计水深)，设计最大水头为27.0 m，采用单线单级船闸，设计单向年过坝运量为540万t。船闸有效尺度采用215 m×(12～23)m×4.0 m(长×宽×门槛水深)。船舶进、出闸方式采用曲线进闸、直线出闸方式。

3 模型试验简介

3.1 模型设计与验证

依据试验研究内容及要求，综合工程坝区河段河道特征，物理模型试验研究范围为洪江枢纽坝上1.9 km至坝下3.5 km，模拟河段长度约5.4 km，河段宽度约500 m。为保证模型的水流运动相似和船模航行相似，整体模型为定床正态，几何比尺选用1∶80，按重力相似准则进行模型设计(同时兼顾到船模的相似性要求)。

模型制作完成后，依据坝区河段洪、中、枯共三次实测水面线和典型断面流速流量资料，进行了验证试验。经验证，模型左、右岸水面线与天然水面线基本吻合，模型与原型达到了阻力相似，断面流速分布趋势与原型基本一致，模型的水流运动与原型相似，验证结果满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》等技术规范要求。

3.2 通航条件要求

表1 模型试验水文参数Tab.1 Hydrological parameters of model test

模型试验的水文参数如表1所列。根据设计论证，改建船闸需满足的最大通航流量为2 a一遇的洪水，相应流量7 820 m3/s。按照《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)要求，口门区长度为2.0～2.5倍船长，洪江枢纽船闸设计通航500 t级船舶，代表船型船长为67.5 m，因此船闸上游引航道口门区及连接段布置为：导流堤堤头至堤头以上200 m为口门区，连接段为导流堤堤头外200～600 m范围内航道。

口门区通航水流标准：引航道口门区表面流速：纵向流速不大于2 m/s，横向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。口门区与主航道之间的连接段水流条件，参照口门区通航水流条件的基本要求，判别连接段水流条件的优劣。

船舶进出口门区航行标准：船舶或船队在口门区航行时，为保证安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角应不大于20°，航行漂角应不大于10°。船模在航道航行时，上行的难易程度以对岸航速不得小于4 km/h来判定。

4 原设计方案通航水流条件

为保证洪江枢纽泄洪时新建船闸上游引航道内水流平稳，在原180 m长直立式实体导航墙基础上，向上游布置长158 m的底部透空式隔流堤，堤顶、底高程别为191.5 m、181.5 m，底部为自然河床，底高程介于165.0～180.0 m，航道底宽为50 m。该方案改建船闸布置特点为，船闸位于左凹右凸微弯河段的右岸侧，船闸轴线与坝轴线基本垂直，愈向上游延伸，航道愈伸向河心，且航线与河势夹角愈大；同时受上游右岸凸嘴台地限制，为确保航道内水流平顺，上游靠右侧航道与口门区通过圆弧段相连。

设计方案各级流量下船闸上游引航道口门区及连接段最大横向流速沿程变化见图2。可看出，各级流量下枢纽上游在190.0 m正常蓄水位时，上游库区河道内水流平缓，河道内水流流速随流量增加而增加，Q≤3 820 m3/s时，船闸上游引航道口门区及连接段水流较小，横向流速均在0.3 m/s以内，通航水流条件较优。Q=7 820 m3/s时，上游库区河道内流速增至1.5 m/s左右，受堤头上游400 m附近右岸侧存在一凸嘴台地挑流影响，堤头上游150～400 m口门区及连接段航道内左向水流与航线夹角偏大，一般在22°左右，致使航道内横向流速偏大(图3)，航中线左侧航道内横线流速大多在0.3 m/s以上，最大为0.44 m/s，通航水流条件不满足要求。

图2 船闸上游航道最大横向流速变化Fig.2 Variation of the maximum lateral velocity in the upper channel of the lock图3 设计方案枢纽上游流场及航道内流速分布云图(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel (Q=7 820 m3/s)

5 修改方案

5.1 修改方案布置

一般而言，船闸引航道口门区通航条件改善的途径可分为工程措施和非工程措施两个方面，但无论哪一种措施，都必须研究分析口门区不利流态的成因，最后针对不同成因采取相应的有效措施[4-8]。对本工程设计方案存在的问题分析认为，主要受船闸平面布置及上游河道边界影响所致。受两岸山体限制，洪江枢纽新建船闸只能在已建船闸基础上进行改建，已建船闸布置于微弯河段的凸岸侧，船闸轴线与坝轴线基本垂直，口门区及连接段航道需顺右岸微弯河势布置与上游主河道相连，而受上游右岸凸嘴台地限制及挑流影响，航道内左向横流偏大，影响船舶安全进出船闸。

船闸轴线位置无法改变，上游右岸凸嘴台地高程较高，且建有企业及民宅，拆迁和切除凸嘴难度较大。因此，改善通航条件措施主要从调整上游航线和口门区导流建筑物两方面开展。其一，尽量利用右岸侧水域，将船闸上游航线在设计方案的基础上逆时针向右岸侧偏转2.2°，以减小航道轴线与水流流向夹角，同时对右岸侧航道内局部河床高程开挖至180.0 m；其二，通过多组次试验观测，结合导墙附近天然地形，将上游透空隔流堤延长75 m，并将设计方案的靠近已建导航墙段100 m透空隔流堤改为实体隔流堤，即上游引航道导航墙长280 m，透空式隔流堤长133 m，以减少口门区及连接段航道范围内的分流量，相应减小航道内水流流速。修改方案平面布置见图4。

图4 修改方案平面布置Fig.4 Modified plan layout

5.2 修改方案通航条件试验

修改方案通航水流条件试验成果表明：

当Q≤3 820 m3/s时，泄水闸与电站联合调度，船闸上游引航道口门区及连接段水流流速均在0.7 m/s以内，横向流速均在0.3 m/s以内，通航水流条件较优。

Q=7 820 m3/s时，通过航线向右岸偏移和导航墙上延及透空堤透空范围的调整，船闸上游口门区及连接段通航条件得到有效改善(图5)。口门区航道内最大横向流速为0.3 m/s,较设计方案减小0.06 m/s，最大纵向流速为1.03 m/s，通航水流条件满足规范要求。连接段航道内水流与航线偏角减至19°左右，较工程前减少约3°；连接段右侧航道内横流均在0.3 m/s以内，左侧航道内最大横流为0.35 m/s，较工程前减少0.09 m/s。

图5 修改方案枢纽上游流场及航道内流速分布云图(Q=7 820 m3/s)Fig.5 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel under modified scheme (Q=7 820 m3/s)

船模航行试验成果表明：当流量Q≤7820 m3/s时，船闸上游航道内通航条件较好，船舶能够安全经过口门区及连接段航道进出船闸。Q=7 820 m3/s时，船模以3.0 m/s航速下行通过连接段航道时，船模航行过程中漂角最大为-8.85°,调整航态所需最大舵角为10.34°。在距上游口门约100 m处，受堤头附近左向斜流影响，最大漂角为-4.85°。船模以3.0 m/s航速上行时，行至距口门约100 m处时，在该段航道内横流作用下，船模向右漂移，漂角最大为7.55°；航行过程中，船模最大需操10.88°舵角抵御左向横流；船模进入连接段航道后，最大需操-14.71°舵角调整航态，航行过程中漂角最大为7.69°。

6 结语

(1)研究采用整体正态定床物理模型与遥控自航船模试验相结合的方法，对山区河势受限段改建船闸典型案例之一的沅水洪江枢纽改建工程船闸上游通航条件存在问题及影响因素进行了分析，提出了工程优化措施和调整航线辅助措施，较好地解决了工程技术问题，可为同类项目提供借鉴参考。

(2)山区河流受地形地貌限制改建船闸引航道口门区及连接段处于弯道凸岸侧弯时，通航水流条件不同于顺直河段，弯曲航道纵向水流流向与航线存有差异，流向与航线轨迹难于一致，总是存在某种夹角；当船舶在弯道上航行时存在一个艏向角，船舶重心位于航线上，船头位于航线的内侧或外侧，相反，船尾位于航线的外侧或内侧；船舶航行受弯道水流与航线夹角和船舶轴线与航线夹角的双重作用，船舶操舵较顺直河段困难。

(3)考虑到船闸引航道口门区及连接段处于弯道凸岸侧通航水流条件的复杂性，弯道段航线布置时应尽量顺应弯道水流流向，以减少弯道水流对通航水流条件的影响；同时可以考虑设置一定长度的底部透空式隔流堤，适当引导调顺水流，以减弱口门区边界条件收缩或扩大而形成水流的斜向效应，达到改善通航水流条件。