琵琶洲滩航道整治定床物理模型试验研究

程松 张文侃 孙文红

摘 要：为研究湘江永州至衡阳三级航道改扩建工程琵琶洲滩航道通航水流条件，通过定床物理模型试验方法开展相关工作，本文介绍了模型制作方法、测量方法和试验工况设置，分别对水面特征、流态和通航水流条件进行分析，得到了整治工程实施前该航段通航水流条件，为航道整治提供技术支撑。

关键词：定床试验;航道整治;水动力;琵琶洲

中图分类号：U617         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0114-03

1背景

湘江属于长江流域洞庭湖水系，是长江七大支流之一，干流全长948km，流域面积94721km2，是湖南省最大河流，具有发展水运的优越自然条件和社会基础。根据交通运输部发布的《全国内河航道及港口布局规划》，确定湘江为全国内河高等级航道网的一部分，属长江水系高等级航道布局方案的“两横一纵两网十八线”中的一线。建设湘江永州至衡阳三级航道改扩建工程，连通湘江2000吨级航道建设的一、二期工程具有十分重要的意义。

琵琶洲弯道险滩地处浯溪枢纽库区，如图1所示，位于浯溪大坝上游约15km，平面上为典型的回头弯形态，水深较大但河道弯曲，河心自然弯曲半径仅约360m，洪水流速大，扫弯水强烈，通航条件较差，对过往的船舶通航安全造成一定影响。因此，为了充分掌握各种工况下琵琶洲弯段通航水流条件，保障上下船只安全顺利通行，因此有必要通过物理模型试验开展琵琶洲滩航道水流条件分析。

2 试验方法

模型制作依据2017年4月施测的1：1000 河道地形图，同时参考2013年6月1：5000 地形测图，采用断面板法用水泥沙浆刮制而成。模型共布置了120个断面，根据地形特点和重要性，断面布置间距30～80cm，平均52cm。导线采用全站仪施放，经纬仪和钢尺校核。另外，采用局部断面、交叉断面等对凸咀、乱石、礁石、石梁、深潭等局部复杂地形进行了精心塑造，以确保模型的几何相似。流量控制系统主要包括蓄水池、水泵、电机、电磁流量计、电脑等控制软件等组成，流量最大可施放300L/s。水位采用测针测量，精度为0.1mm，河段共布置19个水尺断面，流速主要采用表面粒子成像系统量测，可较快速、准确、全面测取表面流场。垂线流速主要采用旋桨流速仪测量。

试验开始前对模型进行了枯水和洪水水面线、大断面流速分布等内容的验证。经对模型水位、大断面流速的验证试验，其结果满足定床河工模型的相似性要求，可进行水流特性、整治工程方案等下一步试验。

为了较为准确地获知各级流量的水流特性和通航水流条件，根据浯溪枢纽、潇湘枢纽的主要运行方式，结合主要特征通航流量等，模型拟定了较为密集的试验流量工况，具体见表1，开展8个流量工况的水流特性试验。

3水动力特性分析

3.1 水面特性

图2给出了琵琶洲滩段航中相对水面线（以各自流量最后一个河心水尺的水位为零点换算），可以看出，河段的水面落差随着流量的增大而增大，平均比降逐渐增大。水面线沿程虽然出现凸岸不平，局部坡度大小不一，甚至出现倒坡，但整体趋势上水面坡度沿程分布基本均匀，没有落差较为集中的河段。

图3分三段进行了平均比降的统计，可看出各段平均比降均随流量增大而增大，增大的趋势也基本一致。相对比较而言，上游直段（CS5-CS43）比降最大，下游直段（CS76- CS117）次之，中间弯道段（CS43-CS76）最小，不过它们之间的差异不明显，最大相差不超过0.1‰，不存在落差比较集中的河段。

3.2 流态分析

图4给出了工程前代表流量的流迹线图片，主流区基本无特殊流态，上下游顺直段也基本不存在，特殊流态主要出现在弯道河段，主要有：

（1）扫弯水：弯道主流进口靠左侧凸岸，出口则贴紧右侧凹岸，左、右过渡形成显著的扫弯水，各级流量均较明显。

（2）回流：回流主要有两个区域，出现在右侧凹岸。第一个回流区范围较小，长宽约200m和30m，强度较弱，一般<0.2m/s，最大不超过0.4m/s，位于弯顶稍上的CS54～57。第二个回流区范围较大，长约240m，宽度超过130m，强度也较强，Q=2000～11730 m3/s，回流最大为0.29～1.34m/s。

（3）泡漩水：泡漩水出现在两个回流區与主流的交界面区域，上游区强度大于下游区，但总体强度不大，范围较窄，仅局限在主、回流交界面水域。

3.3 通航水流条件分析

琵琶洲滩段虽然为急弯，但满足2.4m航深的宽度较大，最窄处约200m，通航水域较为宽阔。因此，为了较好分析航槽内水流条件，共预设了5个航槽进行分析，航槽预设布置见图5。

（1）航槽R480A：航槽按弯曲半径480m（内河通航标准三级航道的基本要求）靠右岸布置，左边距岸（水边）最小距离留足约30m。由图可见，航槽范围内均满足航深要求，只是弯道右岸进口和出口航槽边距离岸边偏近，可通过适当切嘴加以弥补。

（2）航槽R480B：航槽仍按弯曲半径480m，但靠左岸布置，右边距岸最小距离留足约30m。由图可见，除左侧弯顶下段不满足航深要求外，其余部分均满足，不满足部分可通过适当切嘴加以解决。

（3）航槽R440：航槽按弯曲半径440m于河中布置，留足右边距岸距离。由图可见，航槽范围内均满足航深要求，且两岸距离基本可行。

（4）航槽R400：航槽按弯曲半径400m布置，由图可见，航槽范围内均满足航深要求，且两岸距离有一定富裕。

（5）航槽R360：航槽按弯曲半径360m（稍大于本工程的设计标准4倍船长340m）布置，由图可见，航槽范围内均满足航深要求，且两岸距离富裕较大。

从图中可以看出，预设航槽R360与主流的符合性最好。

4结论

（1）弯道流速和比降随流量增加而增大。Q<2000m3/s时，琵琶洲航段库区特性明显，水面近水平，弯道流速不超过0.9m/s;Q=4000～6000m3/s时，弯道具有库区与天然河道双重特性，航槽比降<0.5‰，流速不到2.3m/s;Q=7550～11730m3/s，弯道体现为天然河道特性，航槽最大比降约1.0‰，流速可达2.8～3.9m/s。

（2）弯道主流进口靠左侧凸岸，出口紧贴右侧凹岸，体现出强烈的扫弯水特性。主流线弯曲半径总体趋势约320～360m，而最小半径仅约210～250m，流路曲度明显大于几何曲度。

（3）船舶航行弯道河段不宜采用固定的弯曲半径，宜采用沿程动态弯曲半径，即“上行抱凸岸、下行走河心”的航法航行，推荐了合理的上、下行航线，航槽内Q≤7550 m3/s的横流不超过1m/s。

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