山秀船闸扩能工程上游引航道口门区方案优化研究

2020-09-27王建平邢方亮陈奕芬杨志伟

水道港口 2020年4期

王建平，邢方亮，陈奕芬，杨志伟

(1.珠江水利科学研究院，广州 510611；2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州 510611)

船闸是供船舶通过水利枢纽的通航建筑物，是枢纽各水工建筑物中最易因平面布置不当而出现问题的部分。船闸的平面布置问题一直是枢纽平面布置设计中的重点[1]。目前国内外通航枢纽建设多以单线船闸为主，特别是在山区河流，双线船闸分布较少。随着内河航运的发展，原有船闸的通过能力成为航线通过能力的瓶颈，船闸扩能的需求日益突出。扩能船闸的平面布置问题是船闸平面布置中技术最为复杂的，因为在已建枢纽上扩建，扩能船闸位置的选择空间受到明显限制，一般要劣于枢纽同期建设的船闸位置。长洲枢纽船闸扩能布置时，上游公路桥和铁路桥的桥区航道是连接船闸引航道与上游航道的节点，上游口门区航道与大桥主通航孔呈45°夹角，并且通过“S”型反向弯道与上游主航道异岸衔接，航道连接段横穿整个主流区[1]。贵港航运枢纽扩建二线船闸时发现[2]，当船闸上下游口门区位于弯道段且与枢纽水闸距离较近时，枢纽泄流对上下游口门区通航条件有较为明显的影响。而布置西津枢纽扩建二线船闸时[3]，二线船闸上游引航道中线与河道主流之间有较大夹角，口门区存在较大范围的回流和局部较强的斜向流。解决枢纽中通航建筑物平面布置问题的最有效手段是水工模型试验。

1 山秀船闸扩能工程概况

左江是珠江流域西江水系的主要支流之一，国务院《关于珠江流域综合规划(2012～2030)的批复》(国函〔2013〕37号)将左江(龙州-宋村三江口)规划为Ⅲ级航道。已建的山秀电站位于左江主干流下游河段，该工程以发电为主，同时兼顾航运和灌溉，于2007年建成投产，通航建筑物为单线单级船闸，船闸登记为Ⅴ级，设计代表船型为一顶2×300 t分节驳船队及300 t级机动驳船，设计单向年通过能力仅为95万t。为适应中远期货运量增长情况，满足Ⅲ级航道的通航规模要求，拟对山秀船闸进行扩能升级，在现有船闸左侧新建一座Ⅲ级二线船闸，上游引航道采用“直线进闸、曲线出闸”的布置方式，主导航墙和靠船墩布置于上游引航道左侧，通航衔接段和导航调顺段总长400 m，停泊段长300 m，共设15个靠船墩[4]。两线船闸共用的上游引航道位于弯道河段凹岸下游，工程河段的河道比较狭窄，宽度仅约180 m，引航道宽度为60 m，上游左岸为地势非常高的陡石山，且山上有“岩画”文物，引航道布置不能通过扩挖山体向左侧移动，由于引航道布置宽度达到了河道宽度的三分之一，故引航道口门区的大部分区域与河道主流区重叠，导致纵向流速比较大。上游引航道中心线与泄水闸主流方向存在10°夹角，口门区靠近泄水闸的水域受斜向水流影响，横向流速较大，上游口门区方案布置见图1。综上，上游引航道口门区所处河段基础条件很差，通航水流条件非常复杂，工程方案布置和优化受限制的条件较多，需开展物理模型试验提出可行性强的工程措施，使扩能升级后的船闸上游引航道口门区的水流条件能够满足安全通航的要求。

图1 山秀船闸扩能工程上游引航道口门区布置(设计方案)Fig.1 Layout of upstream approach channel entrance area of Shanxiu Ship Lock Expansion Project (design scheme)

2 模型设计与通航标准

2.1 模型设计与制作

模型比尺可同时满足最小水深和雷诺数的要求，保证模拟的水流满足表面张力限制条件并处于紊流区。

河道模型的地形制作，根据新测1:1 000地形资料采用断面板法进行，通过调整水泥砂浆抹面的收光程度达到糙率相似。模型制作完成后进行河道地形复核和局部修正，使地形误差不超过2 mm。物理验证完成后，选取多组实测水文资料进行验证，使模型与原型实现较好的相似性。

2.2 通航标准

根据《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)确定船闸级别为Ⅲ级，口门区长度取停泊段末端起210 m(约3倍单船长度)，口门区宽度60 m，等同于引航道口门的有效宽度。口门区范围内的流速指标为：纵向流速不大于2.00 m/s，横向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。停泊段纵向流速按小于等于0.50 m/s，横向流速小于等于0.15 m/s控制；导航和调顺段宜为静水区。

2.3 枢纽布置与运行调度

山秀枢纽建筑物从左到右依次为左岸接头重力坝、二线船闸、一线船闸、溢流坝、河床式厂房、右岸接头重力坝、右岸接头土坝等组成。坝顶高程为98.40 m，最大坝高40.50 m，坝轴线总长435.96 m。泄水建筑物由9孔溢流坝组成，采用弧形闸门和液压启闭机启闭，闸门尺寸14 m×16.5 m(宽度×高度)，堰顶高程70.50 m，消能方式为底流消能。

当入库流量Q>2 410 m3/s 时，需逐步开启闸门泄洪，电站水位降到死水位86.00 m运行；当Q>5 000 m3/s时，为了减轻上游库区淹没损失，敞开全部闸门泄洪，基本上恢复到天然河道状态，此时上游水位83.00 m为水库最低运行水位。根据现状实际运行管理情况，河道下泄流量不超过2 500 m3/s时一线船闸可正常通航。

3 试验成果与分析

3.1 原设计方案试验[5]

山秀枢纽所在河段为典型的弯曲河道，弯曲河道因为航道衔接的需要，船闸布置在左侧凹岸的下游，船闸扩能时二线船闸与一线船闸并排布置，也位于左侧凹岸的下游。弯曲河道的凹岸为河道主流区，相对于靠近凸岸的区域，主流区的流速会偏大。山秀枢纽所在河段也是典型的山区河道，河道断面窄深，不存在临岸的缓流区。故现状河道地形与枢纽布置条件下，二线船闸引航道的通航水流条件比较差。

注：Q10%=8 790 m3/s，上游最高通航水位。图2 上游引航道停泊段流态Fig.2 Flow pattern of upstream approach channel berth

10 a一遇、5 a一遇、3 a一遇、2 a一遇、上游最低通航水位的敞泄工况下，河道流量达到8 790 m3/s、7 440 m3/s、6 390 m3/s、5 380 m3/s和5 000 m3/s，选取0～460河道断面计算断面平均流速分别达到2.42 m/s、2.25 m/s、2.11 m/s、2.01 m/s和1.90 m/s(表1)。根据断面流速水平分布规律，引航道(与主流区重叠)的水流速度比断面平均流速偏大；根据垂线流速分布规律，影响通航的表层水流的流速值一般也大于垂向平均流速；故引航道口门区表层流速值会明显超过河道的断面平均流速值。上游最高通航水位对应的10 a一遇流量条件下，上游引航道停泊段流态见图2，停泊段区域的示踪粒子数量多，流迹线长，表明经过停泊段水域的水量多，流速快，其他工况上游引航道停泊段流态类似。模型实测上游引航道停泊段大部分区域的纵向流速都超过了2.00 m/s。

表1 上游河道平均流速计算成果(0-460断面)Tab.1 Average flow velocity in upper reaches (0-460 Section)

河道下泄流量小于5 000 m3/s后闸门实施控泄，上游河道的流速分布随着河道流量的减少和水位的抬高而降低，引航道停泊段的水流速度也随之降低。0-775至0-550范围相当于上游口门区，按表层流速纵向分量不大于2.00 m/s的要求，控泄工况下泄流量不能超过5 000 m3/s。0-550至0-250范围为引航道停泊段，按表层流速纵向分量不大于0.50 m/s的要求，控泄工况下泄流量不能超过1 000 m3/s。

3.2 弯曲河段口门区水流分布规律及改善措施

船闸引航道口门区范围的水流分布有以下特点：河道主流与航线存在的夹角会在口门区形成斜流，造成停泊段出现回流；受导墙的影响，口门区河段的过流断面因束窄会形成口门区斜流和导墙头部的局部绕流。受离心惯性力的作用，弯曲河段在断面上呈现横向环流特征，在河段上形成复杂的三维螺旋流态。三维螺旋流形态会随河道流量的变化产生转变，沿程顶冲河段凹岸并且顶冲点位置不恒定[6]。通航枢纽的船闸常布置在临岸缓流区，缓流区的流速指标较易满足通航要求，弯曲河道因为航道衔接的需要，船闸通常布置在凹岸的下游，在三维螺旋流的叠加效应影响下，口门区水流条件表现的更为复杂：(1)航道轴线与主流的夹角会随同河道流量一起变化，口门区斜流的流向不恒定；(2)上游口门区因过流断面突缩形成的斜流被横向环流效应放大；(3)口门区附近水体呈现高度的三维水流特征，动水区与静水区过渡段的压力分布规律性不明显，口门区形成复杂的三轴回流。

工程常用的船闸引航道口门区的通航水流条件改善措施有：连续性导墙、分散式导墙(墩)、浮式隔流堤、挑流丁坝或潜坝、抛填水下平台、隔流堤体型优化、局部岸线开挖等。上述措施中多数在船闸引航道口门区通航水流条件整体较好的基础上对其做进一步改善，通过“点”型工程措施做“量”的提高，以满足安全通航的要求，改善范围和改善程度都比较有限。如设置浮堤和隔流堤身开孔都能将引航道内的水体与主河道从底层连通，以削弱口门区的斜流和横流；导流墩可将横流区或斜流区打散分解成多个不连续的小区，缩短主动力作用长度、分散能量，有利于船舶的安全航行[7]。在水流条件较为复杂的山区弯曲河段，口门区的水流条件较为恶劣，需要转变研究思路，从宏观着手，发挥主动，以调整河势为手段，把局部工程措施前置上移，形成线状分散布置，削弱弯道螺旋流效应的不利影响，在口门区水域构建缓流区，结合局部措施针对性解决口门区通航水流问题，使引航道口门区的各流速分量指标满足规范要求[8]。

3.3 方案优化

根据一线船闸实际运行管理情况，河道下泄流量不超过2 500 m3/s时一线船闸可正常通航。山秀船闸扩能后，一线、二线船闸共用上游引航道，鉴于河道本身天然通航水流的基础条件较差，原址扩建又有诸多限制，且山区河流大洪水出现的时段很短，综合工程效益、工程投资、施工难度等多方面因素，经多方协商，建议将山秀船闸扩能工程的通航标准调整为2 a一遇(5 380 m3/s)，后续试验方案优化在该流量条件下进行。

二线船闸原设计方案的停泊段水域没有导航建筑物防护，使得停泊段水域的流速指标成为整个上游引航道可通航流量的控制节点。方案1：在上游停泊段范围沿引航道外边线布置一道浮式隔流堤，浮堤截面为矩形(图3)，宽度5.0 m，水上高度1.5 m，水下深度3.5 m。试验表明，停泊段加设浮堤对上游河段口门区的水流条件改变不大，只对停泊段水域的表层水流有一定的阻挡作用，阻水效应沿程累积，越往下游越明显，因整体河势及引航道尺度没有变化，上游引航道可通航流量提高有限。按表层流速纵向分量不大于0.50 m/s的要求，控泄工况下泄流量不能超过2 000 m3/s。试验流态如图4所示。

图3 浮式隔流堤断面布置图4 上游引航道口门区停泊段流态(方案1，Q=2 000 m3/s)Fig.3 Section layout of floating separation dike Fig.4 Flow pattern of berthing section in upstream approach channel entrance area (Scheme 1, Q=2 000 m3/s)

采用浮堤方案，不仅二线船闸通航保证率较低，而且一线船闸的通航保证率也受影响。为满足上游引航道设计要求，在引航道尺度不变的前提下，必须对整体河势做出较大调整，并且对停泊段防护到位，将口门区的水域改造为低流速区，停泊段由低流速区过渡为静水区，这样导航调顺段的水流条件也能满足。方案2布置见图5，具体调整措施为：(1)在上游停泊段靠近河道侧沿程布置导航墙，其中上游段150 m为底部透水式导航墙，沿引航道进入停泊段的水体经导墙底部透水孔流出，避免这部分水体顶冲扩散形成横流或回流导致停泊段水域流速超标；其余导墙为实体导墙，与一线船闸原墩板式导航相接并将墩板式改造成不透水导墙，在实体导墙防护下，停泊段内流速才能降缓并过渡至导航调顺段形成静水区。(2)因引航道宽度达到了河宽的三分之一，引航道靠近河道侧布置导航墙后河道过流宽度束窄较多，需将对岸进行扩挖，以降低对河道行洪的影响，同时提供河势调整的空间。(3)从上游弯曲河道的末端，在航道范围内沿程布置7道间距100 m的抛石潜坝，坝顶高程逐渐增加，可避免在潜坝顶部出现明显集中的水面跌落，减少对船舶通行产生的不利影响。通过反复试验，确定潜坝顶高程从最上游的72.00 m逐渐增加至最下游的75.00 m，河道主流在潜坝群沿程作用下逐渐被挑离左岸，趋于河道中间流动，使得上游引航道范围的流速值沿程减小，最终在口门区营造出低流速区，且减少进入停泊段的水量和流速，可明显改善停泊段的通航水流条件。

图5 山秀船闸扩能工程上游引航道口门区布置(方案2)Fig.5 Layout of upstream approach channel entrance area of Shanxiu Ship Lock Expansion Project (Scheme 2)

方案2布置条件下，5 380 m3/s工况上游口门区及停泊段的流态见图6，由示踪粒子的分布和流迹线变化规律可知，上游来流在潜坝群沿程阻流作用下，主流逐渐趋于河道中部，上游引航道水流速度逐渐降低，进入停泊段水域时已接近静水区，上游引航道口门区、停泊段的流速指标均能满足规范要求，上游引航道的通航标准可提高至2 a一遇。方案2布置条件下，施放50 a一遇泄流规模洪水流量，上游300 m测得水位雍高0.05 m，上游1.5 km测点水位雍高0.02 m，通航整治工程措施对河道行洪影响较小。5 000 m3/s流量敞泄工况，对应上游最低通航水位； 5 000 m3/s流量控泄工况是泄水闸控泄的最大过流工况，和敞泄工况相比上游水位升高，上游潜坝群淹没水深加大，潜坝群对河势的调整效果可能发生变化；故上述两工况均需要在方案2条件下验证上游引航道的通航水流条件。试验表明，这两个典型工况上游引航道的水流条件与2 a一遇工况比较接近，均能满足通航要求，航道流速分量见表2(靠近左岸的引航道边线起为1号测点，靠近河道中心的引航道边线上为7号测点，同一断面各测点等间距布置)。小流量工况河道流速趋缓，通航条件易于满足，不作赘述。