融江麻石船闸改扩建工程下引航道通航水流条件模型试验*

2020-07-25段黎明王多银麦建清陈明栋黄海津

水运工程 2020年7期

陈明，段黎明,王多银,吴信,麦建清,陈明栋,黄海津

(1.重庆交通大学，水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074;2.广西交通设计集团有限公司,广西南宁 530000)

为加快西江黄金水道发展，根据《广西壮族自治区人民政府关于印发广西西江水运建设和管理体制改革实施方案的通知》，其总投资近2亿元，开工建设西南水运出海通道中线起步工程广西段。该工程自红水河曹渡河口—桥巩枢纽航道总长450 km，按Ⅳ级航道标准建设，设计代表船型为500吨级货船，全线按一类航标配布。随着船舶的大型化发展，麻石已建船闸无法适应未来航运发展要求，需要建设新的通航建筑物作为过坝设施，结合现场实际和河势等因素，有必要在旧船闸同一侧扩建新船闸。同时研究船闸上、下游引航道口门区水流条件能否满足通航安全非常必要。众所周知，船闸引航道口门区水流条件是影响船舶安全进出闸的关键。融江麻石改扩建工程所处河段较为顺直，但其规划航线偏向河心，加之河床左高右低，下泄洪水和电站出流斜冲引航道口门区，流态较为复杂。目前改善口门区水流条件的措施主要有两类：1)修筑建筑物，如导流墩[1]、隔流堤[2-5]、导航墙[6-7]等；2)优化疏浚，如调整河流与主航道线夹角、清淤、浚深和优化导航建筑物尺寸、拓宽航道等。由于麻石枢纽右岸连接高山，开挖疏浚困难，故需要寻求一种有效解决复杂水流的导航建筑物。透空式隔流堤[8-10]是常用于改善口门区斜向水流的导航建筑物，并具有引流和阻挡表流的特性，即引进稳定水流抵消部分回流，削弱开孔部位表流动荡，对改善斜流和回流较大及振荡性水流的效果较为明显。

因此，本文依托麻石枢纽船闸改扩建工程，采用1:100整体水工模型，着重分析透空式隔流堤改善下引航道口门区通航水流条件的效果。

1 工程概况

麻石已建船闸为单级船闸[11]，所处河段原航道等级为Ⅶ级，按通行60 t机动驳船或2个20 m×6 m(长×宽)的过坝木排尺寸设计，船闸等级为Ⅵ级，布置在电站右岸，旧船闸闸室有效尺度为40.5 m×8.0 m×1.1 m(长×宽×槛上水深，下同)。整个船闸由上游引航道、上闸首、闸室、下闸首及下游引航道组成，全长212.4 m。麻石船闸设计年货运量6.0万t，其中上行3.7万t。

融江麻石船闸改扩建标准为：通航500吨级船舶(兼顾1 000吨级单船)。新船闸仍布置在枢纽右岸，与坝轴线呈85°夹角，平面位置右移约50 m。推荐方案闸室有效尺度由原来的40.5 m×8.0 m×1.1 m增大为130 m×23 m×4.5 m。上、下游引航道采用不对称布置，设计宽度为55 m。引航道长度设计为：上游导航调顺段长150 m，停泊段长130 m，口门区长300 m；下游引航道导航调顺段长150 m，停泊段长130 m，口门区长320 m。上游锚泊地距离上游引航道口门区约570 m，下游锚泊地距离下游引航道口门区约800 m。新建船闸投入使用后旧船闸停止使用。下游总体布置见图1。

图1 原设计方案的总体布置

2 模型设计

枢纽整体水工物理模型比尺为1:100，为正态模型[12]。河道模型的制作以断面板法为主，同时辅以等高线法相配合。在模型平面上用三角网进行控制，高程由水准仪进行测定。制模过程中严格控制精度，确保模型平面误差小于5 mm，高程误差小于1 mm，且不存在系统误差，从而保证了模型与原型达到几何相似的要求(图2)，达到了JTS/T 231-4—2018《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》规定的几何相似精度控制指标。流速由重庆西南水运工程科学研究所研制的HD-4B电脑测速仪进行观测。模型上游进口选取在大浪乡卫生所附近，距坝轴线长约3.05 km，下游出口选取焦花塘渡口附近，距坝轴线长约1.85 km，模拟原型河道长度约为5 km，在上、下游引航道制动段和口门区各布置了10个统计断面(XSC1～10)，见图3。由于实测资料匮乏，模型针对典型枯水流量(Q=560 m3/s)下沿程水位和沿程主流流速进行验证，见图4。结果表明，仅下游存在一个测点水位误差相对较大，原因为该点距泄洪闸出口较近，出流十分紊乱，水面波动较大所致，其余各测点水尺水位与原型水位的误差均在±0.1 m允许范围内，满足规范要求，即模型达到了阻力相似要求；断面流速分布趋势与原型基本一致，差值基本控制在10%以内，即模型达到了水流运动相似要求。模型试验放水条件见表1。

图2 水工模型

图3 方案布置

表1 麻石枢纽水工模型试验放水条件

图4 Q=560 m3/s时水面线及流速验证

3 试验成果分析

3.1 原设计方案

下游引航道原设计方案布置有导航墙、靠船墩和导流墩，顶高程均为129.3 m，航道底高程107.5 m。引航道导航调顺段长150 m，停泊段长130 m、宽50 m。其中共设置7个靠船墩和8个导流墩，其连线总长121 m，导流墩纵轴与导航墙中心线呈15°夹角，弯曲半径400 m。

根据表1的工况，试验观测了出库流量Q≤13 800 m3/s时，各级流量情况下的船闸下引航道流速分布，结果表明：Q=720 m3/s时口门区横向流速0.77 m/s，已超过规范规定的0.3 m/s的标准，同时口门区及制动段内出现大面积回流，最大回流流速0.47 m/s，超过规范规定的0.4 m/s的标准；尤其是Q=2 500 m3/s时，受河势影响，船闸下游引航道形成振荡性回流，口门区纵向流速范围为0.24 ～2.25 m/s(规范规定的限值为2.0 m/s)，制动段纵向流速范围为0.24 ～1.10 m/s，均不满足规范要求；当Q≥7 540 m3/s时，口门区及制动段纵、横向流速均超过规范要求，口门区最大纵向流速为2.86 m/s，最大横向流速为0.77 m/s，制动段最大纵向流速为1.30 m/s，最大横向流速为0.67 m/s，口门区及制动段靠右岸侧还存在大面积回流，口门区最大回流流速为0.70 m/s，均超过规范要求。限于篇幅，本文重点给出典型流量Q=7 540 m3/s时原设计方案流场见图5。

图5 Q=7 540 m3/s时原设计方案流场(单位：m/s)

出现上述不良水流现象，其原因在于：1)引航道弯曲半径较小，从而引航道中心线与主流交角较大。同时，导流墩摆向迎向河心，尽管弯曲半径较小，挑流能力依然较差，且使得引入引航道的流量增大，容易造成流速超标。2)独立导流墩对表流削弱能力弱，在引航道内易形成振荡性水流。

3.2 优化方案1

针对原设计方案存在横、纵向流速过大，导流墩改善斜流不佳等问题。优化方案1将下游引航道导流墩更换为透空式隔流堤，其布置长度为120 m，中心连线曲率半径为940 m。过流孔宽12 m、高8 m、孔间距20 m。同时，下游引航道宽度由50 m调整为55 m，航道中心线整体偏向右岸。方案布置见图3，剖面见图6。

图6 优化方案1的1-1剖面(单位：m)

当720 m3/s≤Q≤7 540 m3/s时，各流量下口门区纵向流速均满足要求，其中最大纵向流速为1.45 m/s。但口门区均出现大面积回流，通航条件较差，最大回流流速为0.77 m/s，超过规范要求，见图7。其中，Q=2 500 m3/s时，研究发现泄洪闸开孔数小于9孔时，水流条件不满足通航要求；开孔数达到9孔后，基本满足通航要求。当Q=13 800 m3/s时，流速分布均匀，主流方向基本沿航道走向发展，各项水流指标均满足规范要求。

图7 Q=7 540 m3/s时优化方案1流场(单位:m/s)

相比原设计方案，优化方案1通航水流条件有所改善，口门区内纵向流速明显变小，振荡性水流问题消失，但受地形条件的限制，当上游来流量Q< 13 800 m3/s时，口门区均存在大面积回流，不满足通航要求。导致水流条件改善不佳的主要原因在于隔流堤曲率半径调整过大，从而未能达到较好的引流和挑流效果。

3.3 优化方案2

针对优化方案1存在回流过大的问题，优化方案2将航道宽度改回50 m。下游隔流堤仍采用透空形式，隔流堤平面布置与优化方案1不同的是，隔流堤长度为126 m，其曲率半径缩小为500 m。其中过流孔高8 m、宽13 m、孔间距21 m。方案布置见图3，2-2剖面见图8。

图8 优化方案2的2-2剖面(单位：m)

试验结果表明，Q≤13 800 m3/s时除极个别点流速出现超标外，基本满足船舶通行要求，回流现象基本消除，如图9所示。其中，Q=2 500 m3/s时，流态与优化方案1相似，随着泄洪闸开孔数增加逐渐变好，开孔数达到9孔后，满足通航要求。由此说明，曲率半径由优化方案1的940 m改变至500 m，孔宽和孔高分别取13和8 m后，制动段和口门区流态得到进一步改善，引流和挑流效果比较理想。