大洑潭已建船闸下游航道通航水流条件改善措施研究

2020-11-11张爱平普晓刚

水运工程 2020年10期

王能，张爱平，普晓刚

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410200；2.交通运输部天津水运工程科学研究院，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

通讯作者：普晓刚(1979—)，男，副研究员，从事枢纽和航道工程研究。E-mail： pxg0961@163.com。

船闸引航道口门区及连接段通航水流条件是影响船舶安全进出闸的重要因素，在船闸工程中受到广泛关注。船闸与枢纽其他主要水工建筑布置可分为集中式和分散式2种方式。对于分散式布置的船闸，可根据河势条件灵活布置，减小枢纽运行因素对于船闸的影响，建成后运行效果较好，如湘江大源渡枢纽船闸[1]、郁江桂平枢纽船闸[2]；集中式布置的船闸，为减小电站发电、枢纽泄洪等对船舶进出闸的影响，一般将船闸布置在靠岸侧，再辅以航线优化、调整导航墙长度、改变导航墙结构形式、采用导流墩群等措施改善船闸口门区通航水流条件，如长洲枢纽船闸[3]、长沙枢纽船闸[4]等。由于相关问题的复杂性，2种形式船闸的平面布置均需要在工程建设前期通过水工模型试验研究确定。

目前，我国仍有部分船闸因建设前期缺乏必要的研究，在船闸建成运行后即存在较大的通航安全问题，如五强溪枢纽[5]、桃源枢纽[6]、大洑潭枢纽等。与新建枢纽不同的是，已建船闸的总体布置无法改变，工程限制性因素较多，通航水流条件的改善措施比较受限，是目前船闸工程整治的难点。本文以大洑潭枢纽船闸下游为例，采用1:80正态整体水工物理模型试验，在研究分析现有船闸通航水流碍航特性的基础上，研究已建江心洲侧船闸下游通航条件改善措施，可为类似工程提供借鉴。

1 河段及枢纽概况

沅水属于我国“两横一纵两网十八线”高等级航道布局中的重要一线，是湖南省骨干航道之一。根据2007年《全国内河航道与港口布局规划》，沅水三板溪—常德667 km航段为Ⅳ级航道，常德以下192 km航段为Ⅲ级航道。沅水三板溪以下共规划建设13级枢纽，目前除鱼潭枢纽未建外，其余枢纽均已建成。

大洑潭枢纽位于湖南省怀化市辰溪县境内，在常德上游约317 km，为桃源枢纽向上游的第5个梯级(鱼潭枢纽未建)。大洑潭枢纽坝址处控制流域面积约4.6万km2，占沅水流域面积的51.37%，枢纽正常蓄水位129.0 m，死水位127.5 m，库容约2.62亿m3，其中发电有效调节库容0.345亿m3，电站在左岸装设有5台单机容量40 MW的灯泡贯流式机组。

大洑潭枢纽是一个以发电为主兼顾航运等综合利用的水电站，通航建筑物按IV级航道标准建设，通航500吨级船舶。船闸布置于分汊河段左汊的木洲左侧(图1)，船闸下游口门距离坝轴线约400 m，距离洲尾约1 000 m。木洲平面上接近菱形，长约2 000 m，平均宽约500 m，洲面高程125.0～143.6 m，洲体较高，船闸下游引航道口门区及连接段位于左汊下段和左、右两汊道交汇处，来水情况极为复杂，口门区和洲尾连接段航道内横流较大，船舶通航存在较大问题。

图1 大洑潭枢纽及坝区河势

2 模型试验

2.1 模型设计与验证

模型试验研究范围为枢纽上游1.8 km、下游3.7 km，河段宽度500～1 100 m不等，根据2017年5月实测1:2 000河道地形图，按照水流运动相似性基本原则建立1:80正态模型，模型相似比尺：流速比尺8.94，流量比尺57 243.34，糙率比尺2.07，水流运动时间比尺8.94。

模型制作完成后，为了保证模型与原型水流运动相似，依据实测1 743、4 051和6 516 m3s 3个流量级进行水面线及流速分布验证试验，见图2、3。

图2 沿程水位验证对比

图3 典型流量(6 516 m3s)断面流速验证

验证表明，模型与原型沿程各测点水位误差均在±0.1 m内，断面流速分布趋势与原型基本一致，典型断面的流量闭合差均未超过±5%的允许偏差要求，满足误差要求，模型的水流运动与原型相似。因此，在此基础上进行模型试验，其成果是可靠的。

2.2 模型试验典型流量选取

为了较准确地获知坝区河段水流特性和船闸通航水流条件，根据大洑潭枢纽的主要运行方式，结合主要特征通航流量等，重点研究4种试验流量工况(表2)。

大洑潭枢纽运行方式为：1)当Q≤2 400 m3s(电站最大引用流量)时，来流全部通过右汊下泄用于发电，左汊通航；2)当2 400 m3s 9 630 m3s 时，全部闸门开闸泄洪以降低水库水位，电站停机，船闸停航。

表2 模型试验工况

2.3 通航标准

按照《船闸总体设计规范》要求：IV级船闸，在引航道口门区的有效水域范围内，水流表面纵向流速vy≤2.0 ms，横向流速vx≤0.3 ms，回流流速v0≤0.4 ms。一般认为连接段通航水流条件标准应介于口门区与内河航道之间，采用纵向流速vy≤2.5 ms、横向流速vx≤0.45 ms 作为控制参数[7]。

3 现状条件下船闸下游碍航特性

现状条件下已建大洑潭船闸下游航道通航水流条件试验结果见表3。

表3 下游口门区及洲尾段通航水流条件

船闸下游口门区处于左汊河道的木洲左侧，流量小于2 400 m3s时，仅有右汊靠右岸侧电站出流，左汊河道及船闸下游口门区内为静水区，通航水流条件较优。随着流量增加，左汊泄水闸逐渐开启，船闸下游引航道导航墙过短，其掩护作用偏弱，泄水闸出流过导航墙后在口门区扩散形成较大范围的回流和斜流，在5 500 m3s流量下，回流流速达0.6 ms，超过规范要求的0.4 ms，右向横流为0.38 ms，超过规范要求的0.3 ms；在9 630 m3s流量下，横流进一步增大，达0.79 ms，回流有所减小，但均超过限值，船舶无法安全进出闸。因此，船闸下游口门区在流量大于2 400 m3s时，口门区出现较大的横流及大范围的回流，通航水流条件不能满足要求。

洲尾段航道处于汇流区段，由于洲尾下端深槽位于河中偏左，在右汊单汊来流情况下，受左侧深槽吸流影响，造成洲尾横流大、流态差，且右汊泄流量越大，碍航越严重。在600、2 400 m3s两级流量下，枢纽下游左汊不过流，水流出右汊，主流区在河心偏右岸并逐渐过渡到河中，并斜冲主航道，水流与航线交角分别达到42°和33°，最大横向流速度分别达0.66、0.98 ms，严重影响船舶航行安全。流量大于2 400 m3s后，随着流量的增大，左汊开闸泄水，左汊主流从开始的偏向左岸逐渐过渡到河中，流速分布逐渐均匀，由于左汊泄流，洲尾斜流与航线的交角有所减小，在5 500 m3s流量时，最大交角减至29°，横向流速与2 400 m3s流量下相比有所减小，但仍达0.67 ms。随着流量增加，下游主流逐渐调整至河心，横流逐渐减小，在9 630 m3s流量时，最大横向流速为0.61 ms。因此，洲尾段在右汊单侧过流期及两汊泄流期，洲尾航道内船舶通航存在较大的安全问题。

4 通航水流条件改善措施及效果

结合枢纽的现状情况及相关航道整治经验，提出“适当将原导航墙向下游延伸，调顺下游引航道口门区附近流态；洲尾采取工程措施，延长两汊汇流范围，减缓洲尾汇流强度”的整治思路。结合模型试验初步设计了以下4组方案(表4)，各方案整治效果情况见表5。

表4 方案对比

表5 各方案最大流速对比

试验结果表明，方案1、2采用口门区延长实体导航墙+洲尾导流墩的方案，未能有效改善口门区段水流过堤头后斜流集中扩散而形成的横向流速较大的碍航问题；洲尾段布置导流墩亦未能有效减小右汊主流与航线交角、达到降低斜流影响的目的。方案3、4通过将延长的导航墙做成透空式，有效减小口门区横向流速流，达到改善通航条件的目的；在洲尾新增1座顺坝，并将下游段做成透空式，可有效降低洲尾处横流；其改善水流条件的原理为：在洲尾处修建顺坝，相当于延长了左右汊汇流的距离，使得现洲尾形成弯道边界条件，从电站出水到顺坝坝根近似看成“S”形弯道，该河段可看作弯道水流；洲尾处增加顺坝，改变水流流向，减小右汊主流与航道交角，降低右汊水流产生的横流以及该拐弯处水流的弯道半径和线型，从而达到改善洲尾处通航水流条件的目的。

口门区及洲尾段通航水流条件改善效果，与导航墙及顺坝的透空孔有关，多方案试验结果表明：口门区适当增加透空孔有利于增加水流扩散范围，降低口门区横流和纵向流速；洲尾区透空孔达到6孔以上时，对航道内横流强度范围改善效果明显，但透空孔增加过多，加大了引流，航道内纵向流速增加；须合理选择导航墙及顺坝的透空孔。为此，在上述方案基础上提出优化方案5，结构见图4，即对于口门区导航墙，延长180 m并做成透空式，开8孔，透空孔尺寸8 m×6 m(高×宽)，与纵轴线成45°；对于洲尾顺坝，延洲脊布置长300 m，下游段150 m做成透空式，透空8孔，透空孔尺寸5 m×5 m，与纵轴线成45°，墙顶2‰斜坡。

图4 下游洲尾顺坝(单位：m)

选取典型流量对方案5开展改善效果研究，试验成果见表6。由表6可知，各流量级下，口门区回流范围较工程前有所减小，口门区内横向流速较工程前明显减小，最大减小幅度横流达到0.46 ms、回流达到0.3 ms，仅Q=9 630 m3s堤头以下100 m范围内航中线左侧个别测点横向流速超出规范要求。洲尾航道内横向流速较工程前明显减小，最大减小幅度达到0.55 ms，当Q=600、2 400、5 500 m3s流量时，洲尾航道最大横向流速均小于限值0.45 ms，满足安全通航要求。当Q=9 630 m3s时，仅在小范围内航中线右侧个别测点横向流速大于0.45 ms，但超过的幅度较小，通航条件基本满足要求。因此，本工程采用方案5作为最终推荐改造方案。