西津二线船闸下游引航道口门区西竹坑支流汇入口布置 试验研究

陆 峰，朱卫国*，张绪进，麦建清

(1.广西交通设计集团有限公司，南宁 530029；2.重庆交通大学，重庆 400016)

在水运工程中，影响船舶航行的水流流态众多，其中以斜流最为普遍。斜流是指在船舶航行过程中，与航迹线存在一定夹角的水流。引航道口门区水流条件受河流地形条件、枢纽整体布置形式、外流汇入及其他各种复杂边界条件的影响，一般都会造成斜流、横向环流、回流等不良流态现象[1-5]。西津二线船闸建设前，西竹坑支流斜向汇入一线船闸下游引航道口门区，实践证明来流对一线船闸下游引航道口门区水流条件影响较小。受客观条件影响，西津二线船闸下引航道轴线与西竹坑支流几乎垂直相交(图1)，平日间支流来流量较小，水流相对平缓，对通航水流条件影响较小；但遇山洪暴发时，水流湍急，流态紊乱，洪水冲入引航道口门区产生强劲斜流和大范围回流，不能满足船舶通航要求[6]，需在冲沟出口位置设计消能、改变流向等工程措施[7]来调整下引航道口门区水流流态和流速。在以往的研究中，对船闸引航道口门区连接段位于支流河口通航条件的研究较少，本文从设计出发并结合模型试验，研究提出了满足船舶安全要求的工程方案。

图1 西竹坑支流河势图Fig.1 River regime of Xizhukeng tributary

1 工程概况

西津水利枢纽位于广西横县郁江干流的中上游河段，坝址上游距南宁市167 km，下游距横县5 km，是一座以发电为主兼顾航运、灌溉效益的水利水电综合利用工程。西津二线船按I级船闸标准建设，最大通过3 000 t级船舶，布置于枢纽右岸、一线船闸的右侧，采用单级船闸。根据通航规模要求，二线船闸有效尺度为：长×宽×门槛最小水深=280 m×34 m×5.8 m。

2 设计条件

(1)特征水位。下游设计最高通航水位为56.90 m，下游设计最低通航水位为42.60 m。

(2)控制高程。下游停泊段设计底高程为35.70 m，下游口门区底高程为37.20 m。下游连接段航道底高程为37.20 m。

(3)西竹坑支流设计洪水。西竹坑支流流域面积为30.8 km2，长度10.05 km，平均比降9.66‰，流域无实测洪水资料，设计根据《水利工程设计洪水计算规范》[8]，采用更符合广西小河流(特别是集雨面积100 km2以下没有实测流量而采用暴雨计算设计洪水)的推理公式法计算成果。其支流对应不同频率(5%，10%，20%，30%)的洪峰流量分别为198 m3/s、160 m3/s、121 m3/s和64.5 m3/s。

3 设计方案

为满足下游引航道口门区安全通航水力条件要求[10]和西竹坑支流的泄洪能力要求，根据设计条件经不断优化完善，设计初步拟定了两个方案，方案一为以扩宽原支流河道入口为主的扩宽河道方案，方案二为以改变支流汇入口轴线与下游引航道轴线夹角为主的支流改道方案。

图2 扩宽河道方案平面布置图Fig.2 Layout plan for widening river scheme

3.1 扩宽河道方案

该方案将汇流口按原西竹坑河道位置向引航道口门区下游方向扩挖加宽至约102 m，使汇入口水流方向与下游引航道中心线呈约45°夹角斜交汇入。西竹坑支流左侧底边线平顺为沿西竹坑原河道左边线+下游半径为30 m的圆弧转弯段+下游引航道汇入口呈45°角斜直线；右侧底边线平顺为上游西竹坑原河道右边线+往下游斜向开口的转弯半径为70 m的圆弧转弯段，整个汇入口平面呈勺子型布置(图2)。

汇入口消能结构长约170 m，从西竹坑与下游引航道口门区交汇处往西竹坑支流上游布置依次为：第四级导流消力池，池底高程36.00 m，与外侧下游引航道口门区底高程37.20 m，池长38 m，上游宽约81 m；第三级导流消力池，池底高程38.00 m，池长约26 m，上游宽约59 m；第二级导流消力池，池底高程40.00 m，平均池长约44.5 m，上游宽约30 m，池内下游侧布置5个圆头导流消力墩，各墩采用长条形钢筋混凝土结构，每个长10 m，间隔8.0 m，墩顶高程为48.5 m，底面高程为40.0 m；往上接1:2的斜坡段后，为第一级导流消力池，池底高程43.00 m，池长25 m，池宽约30 m。往上游接斜坡段，顺接西竹坑上游原河槽地面。

图3 支流改道方案平面布置图Fig.3 Layout plan of tributary diversion scheme

3.2 支流改道方案

该方案将西竹坑汇流口向引航道口门区下游方向偏转，结合下游引航道一期预留横向岩坎围堰布置，使汇入口水流方向与下游引航道中心线呈约25°夹角斜交汇入。左侧底边线为接西竹坑上游河槽左边线横跨西竹坑河槽的半径为150 m的圆弧转弯段+中部与下游引航道汇入口呈25°角斜直线+下游半径为5 m的圆弧转弯段与下游引航道口门区右边线相切组成，右侧底边线为连接西竹坑上游原河槽右边线的半径为100 m的圆弧转弯段+中部与下游引航道口门区汇入口呈25°角斜直线+下游半径为200 m的圆弧转弯段与下游引航道口门区右边线相切组成。整个汇入口上游顺接西竹坑原河槽，与来水流方向夹角约110°，将西竹坑来水往右侧改道汇进消能明渠，经过消能后，汇入口下游水流与下游引航道中心线呈约25°夹角斜交汇入下游引航道口门区内(图3)。

整个汇入口消能结构长约195 m，从西竹坑与下游引航道口门区交汇处往西竹坑支流上游布置依次为：第二级导流消力池，池底高程36.00 m，与外侧下游引航道口门区底高程37.20 m，相差1.2 m。池长约56 m，下游与引航道口门区交汇处宽约129 m，上游宽50 m，通过长60 m、宽50 m、坡比为1:15的一级纵坡与第二级导流消力池相连。第二级导流消力池，池底高程40.00 m，池长20 m，池宽50 m。池内布置4个圆头导流消力墩，各墩采用长条形钢筋混凝土结构，每个长10 m，间隔8.0 m，墩顶高程为48.5 m，底面高程为40.0 m，墩体总高为8.5 m，墩体顶宽1 m，基底尺寸为3 m×12.0 m，深2 m。往上游接坡比为1:18、平面布置为圆弧转弯的斜坡段后，顺接西竹坑上游原河槽43.00 m高程地面。

4 模型试验研究[11]

为了验证上述工程措施的有效性、合理性，重庆西南水运工程科学研究所针对下游引航道右岸支流西竹坑汇入口做了水工物理模型试验研究。

水工模型采用正态模型，按重力相似准则设计。模型范围由下引航道800 m(沟口上游0.4 km至下游0.4 km)和支流西竹坑入汇口以上0.4 km的河段组成。本次试验根据场地以及量测精度等要求，几何比尺定为1:40。河道模型制作完成后，进行了地形校核和修正，使模型平面误差小于±10 mm(模型值)，高程误差小于±1 mm(模型值)。

表1 西竹坑支流汇入水工模型试验工况Tab.1 Hydraulic model test condition for Xizhukeng tributary

根据西竹坑支流设计洪水计算成果，结合西津水库调度运行方式，针对一、二线船闸下引航道分开布置方案，同时通过对西竹坑的历史洪水调查，选择2 a一遇洪水入汇作为典型工况(表1)试验研究西竹坑入汇对下引航道口门区通航水流条件的影响。

4.1 工程前水流条件试验

为了全面掌握支流西竹坑河段的水流条件，试验观测了二线船闸下引航道开挖形成后，在未对西竹坑入汇口采取任何工程措施且二线船闸未泄水的前提下，实测了西竹坑流量为Q=64.5 m3/s时的水位、流速、流态情况。

图4 工程前水流流态Fig.4 Water flow before the project

根据试验成果：当西竹坑遭遇2 a一遇洪水Q=64.5 m3/s时，沟口水位为44.19 m，而此时下引航道内水位为42.64 m，在沟口处存在1.55 m的跌水，引起下引航道口门区水面波动(图4)。西竹坑大桥以上由于河道比降相对较小，水流流速在1.5 m/s左右，而沟口流速较大(达3.09 m/s)，水流跌入下引航道内，直冲左侧隔流堤，最大横向流速约为1.09 m/s,遇阻后折转流向下游，最大流速达1.05 m/s，水面波动强烈，并在入汇口上、下游两侧形成大范围回流，回流强度分别约0.3 m/s和0.5 m/s。

4.2 扩宽河道方案试验成果

试验对扩宽原西竹坑支流河道入口为主的方案水流条件进行验证，其水流流态图、水流流速分布见图5、图6。该方案实施后，消力池底板高程降到36.0 m，沟口最小水深增加到6.0 m以上，试验表明：在西竹坑支流2 a一遇流量下，由于消力池底板高程降低，西竹坑沟口水位降落1.71～0.82 m，此时溪口处跌水消失，溪沟入汇水流呈淹没状态，引航道口门区内水面平缓；西竹坑支流水流经一次跌落消能和消力池碰撞二次消能后较平稳地进入引航道口门区；靠引航道左侧，溪口以下引航道内形成微弱回流，回流长度约100 m，形态仍呈椭圆状。因此，从流态来讲，下引航道口门区内流速分布较均匀，水面波动不大。

图5 扩宽河道方案水流流态Fig.5 Flow pattern of widening river scheme图6 扩宽河道方案流速分布Fig.6 Velocity distribution of widening river scheme

图7 支流改道方案水流流态Fig.7 Flow pattern of tributary diversion scheme

试验测得的西竹坑477县道大桥以下最大流速为1.79 m/s；水流经导流墩导流、两次跌坎消能和消力池消能后进入下游引航道，消力池内最大流速为0.91 m/s且与下游引航道成约45°夹角；下游引航道口门区内局部流速较大，在Y13测速断面，从引航道右岸至左岸约75 m范围流速在0.19～0.45 m/s，与引航道轴线夹角在41°～63°，折算最大横流流速为0.37 m/s，超出《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001) 对Ⅰ级船闸口门区横向流速小于0.3 m/s的要求。

4.3 支流改道方案试验成果

图8 支流改道方案流速分布Fig.8 Velocity distribution of tributary diversion scheme

支流改道方案水流流态图、水流流速分布见图7、图8。支流改道方案在泄流道内设两道消力坎，相当于增设了两个“消力池”，上游来流经两次消能后水流更趋于均匀，沟口基本为正向水流，无回流出现，水流平缓进入下引航道口门区，与引航道轴线的交角减小到20°左右，下引航道口门区左侧为范围较小的弱回流，右侧顺流带较宽，下引航道口门区流态得到显著改善。

试验测得的西竹坑477县道大桥以上最大流速为1.61 m/s，大桥以下，泄流道上段呈90°转弯，过流断面较窄，最大流速为5.21 m/s；水流经两道消力坎消能和一次消力池消能后进入下游引航道口门区，消力池内最大流速为0.61 m/s且与下游引航道成约20°夹角；下游引航道口门区最大流速为0.6 m/s且与引航道轴线夹角小于10°，与引航道轴线夹角最大为29°，此处流速为0.34 m/s；经折算最大横流流速为0.16 m/s；下引航道口门区左侧弱回流区回流流速多小于0.11 m/s；满足《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001) 对Ⅰ级船闸口门区横向流速小于0.3 m/s和回流流速小于0.4 m/s的要求。

5 结论

受客观条件影响，现有西竹坑支流垂直汇入西津二线船闸下游口门区，西竹坑支流流域山洪暴发时，洪水冲入引航道口门区产生强劲斜流和大范围回流，严重影响过闸船舶通航安全。因此，需采取适当工程措施来确保引航道口门区水流满足安全通航要求。在多方案论证筛选基础上，设计提出了扩宽河道和支流改道两个方案进行物理模型试验验证，根据试验结果，选用支流改道方案时下引航道口门区水流流态、水流流速均满足规范要求。