赣江井冈山航电枢纽船闸下游口门区及连接段通航水流条件试验研究

余 凯， 马 骏， 王志鹏

(1. 江西省港航管理局吉安分局， 江西 吉安343000；2. 江西省港航建设投资集团有限公司， 江西 南昌330008)

引航道口门区位于动静水交界水域， 常形成斜向水流、 泡漩水等不良流态， 对进出船闸引航道口门区船舶产生斜流效应[1]， 引起船舶发生横漂和艏揺， 影响通航安全和通航效率。 近年来， 随着赣江高等级航道开发建设， 在宽浅河道上陆续建成低水头航电枢纽， 由于河槽宽浅、 沙洲滩地存在， 造成引航道口门区通航水流条件更加复杂。

江西赣江井冈山航电枢纽为低水头航电枢纽，坝址所在河道宽浅， 枢纽水库基本利用原河床槽蓄， 总库容较小。 枢纽布置见图1， 从左岸至右岸依次为: 左岸土石坝、 船闸、 左区8 孔泄水闸、泄水闸导墙、 右区15 孔泄水闸、 厂闸导墙、 电站厂房、 安装场、 鱼道、 右岸土石坝， 坝轴线总长1 070.3 m。 船闸位于河床左侧， 船闸轴线与坝轴线正交， 船闸级别为Ⅲ级， 有效尺度为180 m×23 m×3.5 m(长×宽×门槛水深)， 采用曲线进闸、直线出闸的过闸方式。 船闸下游导堤左侧为小港溪改道排水渠， 排水渠右侧在天然地形上回填土石堤， 将小港溪与下游引航道隔开。 受左区8 孔泄水闸下游左侧滩地疏挖及小港溪排水渠土石堤影响， 下游引航道口门区存在较明显的横流和较大回流区域， 通航条件亟待优化。 因此， 对下游引航道的通航水流条件进行模型试验研究， 利用工程措施改善船闸下游口门区通航水流条件， 以满足船闸安全通航要求， 同时为类似工程提供参考。

图1 井冈山航电枢纽总体布置

1 模型设计与验证

井冈山航电枢纽水工整体定床模型几何比尺为1∶100， 模拟范围包括坝址上游2.0 km 至下游3.5 km 范围内的河道地形及枢纽建筑物， 模型总占地范围为15 m×70 m(宽×长)。 模型天然河床地形根据2016 年实测的地形资料模拟， 依据水文推算的天然河道水位流量关系资料进行模型河道糙率校正， 校正后同级流量下模型河道水面高程与水文推算值误差均在0.1 m 以内， 模型与原型的相似性较好， 满足相关水工模型试验规程要求。

船模试验选取与水工整体模型相同的几何比尺(λL=100)， 船型选用2×1 000 吨级分节驳船队: 157 m×10.8 m×2 m(长×宽×吃水)。 因尚无本枢纽船队实船操纵性能资料， 将船舶操纵性能进行负修正， 总操纵性能指数降低21%， 以确保通航安全。

2 通航水流条件模型试验

2.1 设计方案试验研究

2.1.1 船闸下引航道布置

下引航道设计航线与天然航线近似平行， 由690.1 m 的直线段， 接弧长79.7 m、 弯曲半径800.0 m、 圆心角5.71°的圆弧段， 再接185.9 m的直线段组成， 总长1 158.7 m， 宽50 m。 口门区长320.0 m， 底宽60.0 m。 靠船建筑物布置在引航道右侧， 共布置17 个靠船墩， 轴线间距20.0 m，长320.0 m。 船闸引航道与泄水闸之间采用钢筋混凝土分水墙隔开。 平面布置见图2。

图2 下游引航道平面布置(单位: m)

2.1.2 模型试验工况及通航水流条件标准

为了解设计方案船闸下游引航道口门区通航水流条件， 结合泄洪消能对下引航道水流影响，选取6 个特征通航流量进行试验， 共计8 个试验工况， 其中6 000、 8 000 m3∕s 进行泄洪闸敞泄及局部开启两种工况试验， 试验工况见表1。

表1 水流模型试验工况

本工程航道等级为Ⅲ级， 根据GB 50139—2014《内河通航标准》[2]， 船闸引航道口门区水流表面最大流速限值为: 引航道口门区纵向流速vy≤2.0 m∕s； 横向流速vx≤0.3 m∕s； 回流流速vh≤0.4 m∕s； 无其他影响船舶安全航行的泡漩水、乱流等不良流态。 引航道内调顺段和导航段宜为静水区， 制动段和停泊段表面流速限值: 纵向流速vy≤0.50 m∕s， 横向流速vx≤0.15 m∕s。

2.1.3 模型试验成果分析

设计方案下， 当Q=2 250 m3∕s 时， 口门区航线中心线右侧25 m 水域水流夹角约15°， 横向流速0.32～0.33 m∕s， 口门近岸侧为260 m 长回流区域， 最大为-0.42 m∕s。 连接段航道流速逐步增大， 水流流向与航迹线基本一致， 满足通航要求；当Q=4 000 m3∕s 时， 右区单号孔均匀控泄， 引航道口门区流速较6 台满发Q=2 250 m3∕s 时有所减小， 口门区水流条件满足规范要求， 引航道最大横向流速为0.38 m∕s， 位于土石堤下游引航道近岸侧。 当Q=6 000 m3∕s 控泄时， 口门区近土石堤侧为回流， 最大为-0.43 m∕s， 连接段水流向左偏向较大， 口门区末端至土石堤下游50 m 内多个测点横向流速超标， 最大横向流速为0.54 m∕s。 当Q=6 000 m3∕s 敞泄时， 水流与航迹线夹角小于10°， 引航道口门区水流条件可满足通航要求； 当Q=8 000 m3∕s 控泄时， 除口门区末端至土石堤下游50 m 内多个测点横向流速超标， 其余区域满足通航要求； 当Q=8 000 m3∕s 敞泄时， 口门区末端至下游200 m 航线上横向流速轻微超标， 基本满足通航要求。 在Q=11 800 m3∕s(保证率P=20%)敞泄条件下， 口门区水流向下游逐步向左侧扩展，航道中心线附近横向流速略微超标， 近岸靠土石堤侧为回流区， 最大为-0.77 m∕s。 连接段航道右侧多个测点横向流速轻微超标， 仅有左侧40 m 宽航道基本满足通航要求。 在Q=14 100 m3∕s(P=10%)敞泄条件下(图3)， 口门中间个别测点横向流速略微超标， 最大为0.41 m∕s， 近岸靠土石堤侧回流最大值为-0.48 m∕s。 连接段航道右侧流速水流表面流速超2.00 m∕s， 最大为2.84 m∕s。 航道左侧水流向左侧偏向较大， 左侧较大区域横向流速超标， 最大为0.51 m∕s， 引航道水流条件难以满足通航要求。 综上分析， 须对原设计方案下游引航道布置进行优化。

图3 Q=14 100 m3∕s 敞泄下游引航道流速(单位: m/s)

2.2 优化方案1

2.2.1 方案布置

结合设计方案试验成果分析， 由于设计方案隔流墙较长， 口门区末端位于土石堤头， 水流出隔流墙向口门区内扩散后左偏向堤头， 引起水流夹角较大， 造成口门区横流及回流流速超标。 同时在大流量级泄洪闸敞泄条件下， 引航道口门区右边缘区域纵向流速过大情况。 鉴于此， 首先考虑缩短隔流墙， 则口门区向上移动至土石堤头上游， 拟定了隔流墙缩短300、 450 m 两个方案， 对应隔流墙缩短距船闸下闸首分别为854、 704 m。

2.2.2 模型试验结果分析

选 取Q= 2 250、 4 000、 8 000、 11 800、14 100 m3∕s进行试验观测， 结果见表2。 分析可知， 由于隔流墙缩短， 口门区上移， 口门区水域水流表面流速较原设计方案有所减小， 缩短450 m方案减幅较大。 但在机组满发和右区泄洪闸控泄条件下， 引航道口门区受电站来水及右区泄水和左区8 孔泄洪闸下游滩地影响明显， 口门区反而出现大面积回流且回流较大超过规范要求， 回流最大值达0.64 m∕s， 缩短300 m 方案回流区长度约为缩短450 m 方案的2∕3， 回流超标值较缩短450 m方案小。 因水流流速小于2.0 m∕s， 横向流速超标较少。 在机组不运行、 敞泄条件下， 左区泄洪闸开启， 上述影响减弱， 水流更加平顺与航迹线夹角较小， 缩短隔流墙方案横向流速减小明显，在Q=14 100 m3∕s 时， 仅有少量测点横向流速超标，最大值为0.34 m∕s。 缩短隔流墙方案回流较设计方案有所减小， 在缩短300 m 方案下回流轻微超标0.03 m∕s， 回流长度约为缩短450 m 方案的3∕4。 综上可见， 缩短300 m 方案优于缩短450 m 方案。

表2 隔流墙缩短前后口门区水流表面流速变化

2.3 优化方案2

2.3.1 方案布置

由优化方案1 试验成果可知， 虽然缩短了隔流墙长度， 口门区水流条件得到一定改善， 但受下泄尾水及地形影响， 口门区仍存在大范围回流区， 口门区右侧边缘纵向流速仍较强劲， 口门区的通航水流条件未得到根本改善。 参照类似工程经验， 采取工程措施进一步减小口门区斜流、 削弱回流强度[3-5]。 在缩短隔流墙方案基础上增设透水墙， 提出优化方案2， 即: 隔流墙缩短至船闸下闸首下游560 m之后， 向右偏转2°设置长260 m 透水墙， 透水墙两个墩轴线间距为20 m， 透水孔长17 m、 高1.5 m， 孔底高程60 m。 透水墙平立面布置见图4，优化方案2 平面布置见图5。

图4 引航道口门区设置透水墙布置(单位: m)

图5 引航道口门区设置透水墙布置(单位: m)

2.3.2 模型试验结果分析

试验观测结果表明， 由于隔流墙开孔， 部分表层水流进入引航道口门区内， 有效地压缩了口门区回流。 同时， 由于隔流墙由顺直型改为头部外挑，减小了水流斜穿口门区角度， 使得在增设透水墙方案条件下， 下游引航道口门区回流区段缩短至约120 m 范围内， 自透水段100 m 处起， 引航道内水流与航迹线基本一致， 且流速比单纯缩短隔流墙方案减小明显。 在Q=14 100、 11 800 m3∕s 敞泄条件下， 除透水墙段最大回流分别为0.48、 0.43 m∕s，略微超标。 其他区域水流条件均满足通航要求。 在其他更小流量工况条件下， 透水墙段及引航道口门区最大回流及最大横向流速均较未超标。

3 船模航行试验

为进一步研究船闸引航道的通航水流条件，在优化方案2 定床模型试验成果的基础上， 选取Q=2 250、 1 534+103(3 台机组+小港溪)、 5 500、8 000、 11 800、 14 100 m3∕s 通航特征流量进行船模航行试验。 根据葛洲坝、 三峡等枢纽的试验成果及国内学者研究经验[6-8]， 参照《三峡船舶航行标准》， 本次试验船模进出口门航行标准为: 上水航行对岸瞬时航速vL≥0.5 m∕s， 平均航速vLp≥1.0 m∕s； 舵角δ≤25°； 漂角β≤10°； 船队与河岸最小安全距离B=10.8 m。 各通航流量级船模试验主要航行参数见表3。

表3 各通航流量级船模试验主要航行参数

上述试验结果表明， 各级工况条件下， 船队进出下游引航道口门， 上、 下行航行指标均满足船队安全进、 出口门区的航行标准， 航行姿态较好， 优化方案2 满足船舶的通航要求。 从各级工况最大舵角分析可知， 船队上行难度大于下行，主要由于船队上行是从引航道较宽水域操舵平衡斜流效应进入较窄口门区水域， 并操舵转弯进入停泊段。

4 结论

1)井冈山航电枢纽原设计方案下游引航道布置隔流墙较长， 口门区末端位于岸侧小港溪土石堤头， 口门区大范围回流超标， 大流量级下横向流速超标， 表面水流强劲， 水流条件不满足通航要求。

2)仅通过缩短隔流墙， 口门区横向流速及纵向流速虽得到有效减小， 但存在较大范围强劲回流区。 缩短隔流墙至船闸下闸首560 m 后辅以增设260 m 透水式隔流墙， 并透水段向河心侧外挑，压缩回流区域， 解决了口门区回流较大的问题，改善口门区通航水流条件， 可保证较宽水域满足船舶安全通航要求。

3)在优化方案2 条件下， 船队进出下游引航道口门航行参数指标均满足航行标准， 引航道口门区通航水流条件满足船舶安全通航要求。