支流入汇对潮汐河段通航的影响及整治措施研究

2022-04-01张艳艳张康王建平胡晓张张金明

人民长江 2022年1期

张艳艳张康王建平胡晓张张金明

摘要：对于有通航要求的感潮河段，闸泵联用将使内江排涝时间延长，排涝流量增大，导致排入外江的水流横向流速增大，影响通航。以中顺大围白花头水利枢纽为例，采用物理模型试验的手段模拟闸泵联调的情况下内江排涝对外江通航的影响，并提出了适用于涨潮、落潮及转潮不同工况下的整治措施。根据试验结果提出：在内外江交汇口设置两排导流墩，靠内江的一排导流墩作用是将内江出来的水流均匀分成若干股，第2排导流墩与第1排交错布置，并呈45°交角，作用是将分散的水流打散，利用多股水流碰撞的原理将能量消散掉，从而达到降速的目的。该整治技术具有普适性，可应用于类似工程河段，对促进珠江三角洲航运事业发展具有重要意义。

关键词：内江排涝; 整流措施; 物理模型试验; 导流墩; 外江通航：中顺大围白花头水利枢纽

中图法分类号： TV147 文献标志码： A

0 引言

珠江三角洲地处中国南部，广东省中南部，是中国经济较发达的几个地区之一。随着经济的快速发展，城市防洪排涝问题凸现，为解决内涝问题，珠江三角洲早在20世纪50年代已经开始大规模联围筑闸[1]。近些年由于极端气候频现，城市内涝问题进一步凸显，这将加大各大围排涝压力。因此，在内外江交汇处新建了许多水闸和泵站，以达到降低围内洪涝灾害风险的目的。虽然闸泵联用能有效降低内江洪涝灾害发生几率，但是对外江影响较大[2]，尤其在有通航要求的感潮河段，对河段通航影响很大。它将使内江排涝时间延长，排涝流量增大，导致排入外江的水流横向流速增大，影响通航。因此，有必要专门针对内江排涝对潮汐河段通航影响及整治措施开展研究，消减内江排涝对外江通航的影响。

以往在关于泵站出水对外河通航的研究中，曾有采用导流墩调整水流方向的成果[3-5]，也有采用降低交汇口门区滩面高程的方式降低横向流速，从而达到满足通航要求的目的[5-6]，还有将2种方法结合使用的[4]。虽然以上方案的实施都能改变水流方向，达到降低横向流速的目的，但是对于外江是潮汐河段，水流方向在涨落潮不断变换的情况下入汇水流方向也会发生变化，以上方案就不再适用。因此，针对潮汐河口这种特殊的水流条件，有必要开展专门研究，提出相应的整治措施。

本文拟采用物理模型试验的手段，以中顺大围白花头水利枢纽工程为例，模拟闸泵联调的情况下内江排涝对外江通航的影响，并提出适用于涨潮、落潮及轉潮不同工况下排涝对通航影响的整治措施。主要原理是采用导流墩将内江口门区水流分散、打乱，利用水流之间的撞击将能量消耗掉。

1 工程简介

中顺大围位于珠江出海口横门和磨刀门之间，大围东侧自上而下紧邻东海水道、小榄水道和横门水道;西侧濒临西江主流西海水道、海州水道和磨刀门水道，地处广东省中山市的西北部和佛山市顺德区的南部，跨中山、佛山两个行政区[7-8]。全围总集雨面积779.21 km2，是广东省五大重要堤围之一，主要功能是防洪、挡潮、灌溉、排涝、改善航运和水环境。近年来，由于上游洪水和下游风暴潮的袭击，大围地区洪、涝、暴潮等自然灾害交错频繁出现，给大围内工农业生产和人民生命财产安全带来了严重威胁[9]。

拟建白花头水利枢纽位于白花头涌与小榄水道交汇处（见图1），小榄水道洪季受径流控制，枯季受潮汐影响比较明显，洪季的平均流量为1 785 m3/s，多年平均流量约为555 m3/s。小榄水道最高潮位发生于6～9月，历年最高潮位为4.66 m，最低潮位发生于枯水期1～3月，为-0.90 m。洪水期水面比降大，径流作用强，枯水期水面比降小，潮流作用强，落潮潮差大于涨潮潮差，历年最大落潮潮差自上游往下游递增，落潮历时比涨潮历时长，一般涨潮平均历时约为5 h，而落潮平均历时为7 h。

小榄水道现状维护等级为Ⅲ级，通航1 000 t级船舶，维护尺度为：航道水深4 m，航宽80 m，最小弯曲半径480 m。规划的航道等级为内河Ⅰ级，维护尺度为4 m×80 m×480 m（水深×航宽×弯曲半径）。

该河段典型船舶主要技术指标包括：长约56 m，宽约10 m，型深3.5 m，设计吃水深2.85 m，航速13.2 km/h，静水率定航速4 m/s，最小对岸航速5 m/s。

2 模型试验介绍

2.1 模型范围

本次研究采用物理模型试验的方法进行，拟建白花头水利枢纽位于中顺大围东干堤白花头涌出口，枢纽建成后将与小榄水道相接。模型范围：小榄水道取至上游约1.2 km、下游约1.4 km，白花头涌取至上游约0.7 km处，如图2所示。

2.2 试验条件

（1）模型比尺。为提高模型试验观测精度，选择较小的模型几何比尺，根据模型场地及供水条件，确定该试验采用正态模型，比尺为1∶70。

（2）试验工况。小榄水道目前为Ⅲ级航道，可通行500～1 000 t级船舶，根据《大飞洋游艇码头通航论证报告》（广东正方圆工程咨询有限公司），小榄水道工程段最高通航水位为3.29 m（20 a一遇），最低通航水位为-0.85 m（98%保证率）。

枢纽排涝对小榄水道通航影响随小榄水道涨落潮流态变化而变化，且水位越低影响可能会越大。为此，试验选取了小榄水道一个完整的枯季代表潮型（“012”），配合水闸设计自排流量（Q=319.9 m3/s），分别进行了24组试水试验，最终确定以下5种典型工况作为本次试验研究工况（见表1）。

3 初设方案试验结果

3.1 流态变化

小榄水道为感潮河段，其流向随涨落潮变化而变化。工程实施前各试验工况下，小榄水道不受排涝影响，工程段流态平顺，主流位于深槽位置，小榄水道走向基本平行于主流，航道内无明显不利流态。图3为白花头水利枢纽建成后，不同工况下排涝对小榄水道影响下的流态图。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

由图3可见：工程实施后白花头水利枢纽口门区出水主流集中，且主流位置随外江涨落潮变化而变化。具体来看，当小榄水道以洪为主时，口门区出水主流主要集中在小榄水道下游5，6号导流孔（自小榄水道上游至下游导流孔依次编号为1，2，…，6），如图3（a）所示;当小榄水道以潮为主且处于落憩、转流以及涨潮时，口门区出水主流集中在3，4号导流孔，如图3（b）～3（d）所示;当小榄水道以潮为主且处于涨急时，口门区出水主流集中在口门上游1，2号导流孔。

进一步结合小榄水道控制线位置可以看出，枢纽的排涝对小榄水道流态的影响也随外江涨落潮变化而不同。具体来看，当小榄水道转流时（由落转涨），口门区出水对小榄水道形成顶冲之势，横向流速明显，航道内有大范围回流，该工况下流态对小榄水道通航最为不利，如图3（c）所示;当小榄水道处于涨潮中期时，枢纽排涝使得小榄水道工程段主流向左岸偏移，枢纽口门出水主流与小榄水道夹角约为60°左右，大飞洋游艇会口门区回流明显，可能会影响游艇会的正常运营，如图3（d）所示;当小榄水道落憩时，枢纽排涝使得小榄水道工程段主流略向左岸偏移，枢纽口门区出水主流与小榄水道夹角约为30°左右，也可能影响小榄水道的正常通航，如图3（b）所示;当小榄水道涨急时，枢纽排涝对小榄水道流态无明显不利影响。

3.2 橫向流速对航道的影响

航道内的横向流速是指水流流速在航道法线方向上的分量，它是衡量航道水流条件的重要指标之一。目前，针对天然航道内的横向流速大小，中国暂无统一的规范要求，GB 50139-2004《内河通航标准》[12]规定Ⅰ～Ⅳ级船闸口门区横向流速一般不宜大于0.3 m/s，Ⅴ～Ⅶ级船闸口门区横向流速一般不宜大于0.25 m/s。以上规定对于天然航道来说过于苛刻，但本次研究从保证工程安全的角度出发，仍采用以上标准作为参照依据。

为了定量分析枢纽排涝后小榄水道工程段横向流速的大小，本次研究在拟建枢纽口门区上下游选取了8个断面共计39个流速采样分析点，并测量了各采样点横向流速大小及其变化值。其中1-2号～8-2号位于小榄水道右岸控制线上，1-3号～8-3号位于小榄航道中心线上，1-4号～8-4号位于小榄航道左岸控制线上，如图4所示。

从横向流速测量结果可以看出，工程实施前小榄水道工程段各采样点横向流速均为0。工程实施后，枢纽排涝对小榄水道横向流速的影响主要集中在2号断面与5号断面之间，入小榄水道最大横向流速均出现在小榄水道右岸控制线4-2号点处。各试验工况下，入小榄水道最大横向流速出现在小榄水道转流（由落转涨）时刻，约为0.72 m/s（4-2号点处），是规范上限值的2.4倍左右，可能会影响小榄水道的正常通航;其次小榄水道落憩时刻，入小榄水道最大横向流速也可达0.67 m/s;小榄水道涨潮中期以及涨急时刻，入小榄水道最大横向流速分别为0.62 m/s和0.28 m/s;当小榄水道遭遇20 a一遇设计洪水时，枢纽排涝对小榄水道通航影响最小，最大横向流速仅为0.03 m/s。

3.3 纵向流速影响

航道内的纵向流速是指水流流速在航道平行线方向上的分量，它也是衡量航道水流条件的指标之一。目前，针对天然航道内的纵向流速大小，中国暂时也没有统一的规范要求，根据相关工程经验及参考资料，天然航道内的纵向流速一般不宜大于3.0 m/s。本次研究就采用该经验值作为参照依据。

工程后各试验工况下，小榄水道内最大纵向流速出现在最高通航水位条件下（7-2号处），约为2.22 m/s，小于3.00 m/s，因此不会影响小榄水道正常通航。

4 方案优化

4.1 优化方案原理

根据初设方案试验结果，工程实施后枢纽排涝对小榄水道通航有一定影响，主要是涨潮、落潮及转潮横向流速都超标，其中转潮时刻横向流速最大。为了消除横向流速对小榄水道通航的影响，拟在口门区设置导流墩，同时将口门区排水渠底高程由-4.0 m进一步疏浚至-6.0 m，并与小榄水道-6.0 m等深线衔接（见图5）。

将初设方案的导流墩调整为“W”形走向，并在口门区上游增加一排放射状分布的导流墩的优化方案，是利用上游放射状的导流墩进行分流，将集中水流均匀的分散，再利用“W”形走向导流墩把分散的水流打乱，利用不同方向水流之间的碰撞进行二次消能，从而达到降低横向流速的目的（见图6）。

4.2 优化试验结果

（1）流态分布。图7为优化方案各试验工况下小榄水道工程段流态分布图。对比图7（c）和图3（c）可知：最不利工况下（小榄水道由落转涨），优化方案枢纽口门区主流分散，进入小榄水道后流速较小，且无明显回流区，不会影响小榄水道的正常通航。小榄水道落憩、涨潮中期时，小榄水道的流态也得到进一步改善，大飞洋游艇会口门区回流消失（见图7（a）（b）（d）），枢纽排涝不再影响游艇进出港安全。小榄水道处于涨急时刻或者遭遇20 a一遇洪水时，优化方案流态与初设流态类似，均不会对小榄水道水流条件构成明显不利影响。

（2）横向流速分布。对优化方案下各试验工况的横向流速进行了测量：转潮流工况下，入小榄水道最大横向流速出现在3-2号位置处，约为0.27 m/s，较初设方案削减了62.5%，满足GB 50139-2004《内河通航标准》对Ⅰ～Ⅳ级船闸口门区横向流速的要求（不宜大于0.3 m/s）。其他试验工况下，优化方案最大横向流速一般出现在3-2号、4-2号位置处，均在0.25 m/s以内，较初设方案都有不同程度的减小。因此对拟建枢纽口门区优化后，入小榄水道最大横向流速显著减小，枢纽排涝基本不会影响小榄水道的正常通航。

（3）纵向流速分布。对优化方案下各试验工况的纵向流速进行了测量：小榄水道最大纵向流速仍然出现在小榄水道最高通航水位下7-2号处，约为2.22 m/s，与初设方案相同，不会影响正常通航。其他试验工况下，方案优化后小榄水道最大纵向流速一般都在1.50 m/s以内，也不会对通航构成不利影响。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

对比了初设方案与优化方案中各测点的横向流速，选取的工况为“012”落憩对应最低通航水位。因为该工况下小榄水道水位最低，白花头涌排出来的水流横向流速最大，为最不利工况（见表2）。

表2列出的对比测点是有横向流速的点，其他测点均无横向流速。从表2可以看出：相比初设方案，优化方案中第4排和第5排测点横向流速明显减小，而且都在控制流速的范围内。第3排部分测点横向流速有所增大，但仍在限制流速范围内。因此，从横向流速角度来讲，优化方案明显优于初设方案，可以满足小榄水道通航要求。

5 结论

本文采用物理模型试验的手段，以中顺大围白花头水利枢纽工程为例，模拟闸泵联调的情况下内江排涝对外江通航的影响，提出适用于涨潮、落潮及转潮不同工况下排涝对通航影响的整治措施。结论如下。

（1）内江排涝对小榄水道流态的影响随外江涨落潮变化而不同，但都对小榄水道通航有一定影响。转潮时，外江流速很小，排涝形成的横向流速明显，航道内有大范围回流，该工况下的流态对小榄水道通航最为不利;涨潮中期时，内江出水主流与小榄水道夹角约为60°左右;落憩时，内江出水主流与小榄水道夹角约为30°左右。

（2）工程实施后，各试验工况下入小榄水道最大横向流速出现在小榄水道转潮时刻，约为0.72 m/s，是规范上限值的2.4倍左右;落憩时刻，入小榄水道最大横向流速也可达0.67 m/s;涨潮中期时刻，入小榄水道最大横向流速为0.62 m/s;3种工况下横向流速均超标，均会对通航产生影响。

（3）为了消除横向流速对小榄水道通航的影响，提出在口门区设置两排导流墩，其中上游一排为放射型布置，下游一排采用“W”形走向布置;同时将口门区排水渠底高程由-4.0 m进一步疏浚至-6.0 m，并与小榄水道-6.0 m等深线衔接的优化方案。

（4）通过方案优化，各工况下横向流速均降至规范标准以内，可满足小榄水道通航的需求。

参考文献：

[1] 叶林宜.中顺大围联围工程效益调查[J].人民珠江，1989（4）：43-45.

[2] 郝媛媛，普晓刚，李君涛.长沙枢纽船闸下游口门区出口支流入汇段通航条件研究[J].水道港口，2014，35（4）：399-403.

[3] 陈忠军.瓜步汛电排站对通航影响的解决措施[J].人民珠江，2009（1）：42-43.