湘江湘祁枢纽船闸下游引航道口门区通航水流条件影响及对策

段元振，邹开明，2

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南 长沙 410011；2.长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114)

船闸引航道口门区通航水流条件是影响船舶安全进出船闸的重要影响因素，也是通航枢纽规划布置需考虑的关键问题[1-3]，《船闸总体设计规范》对引航道口门区纵向、横向、回流流速做出了具体规定。但是，在自然河道中修建的通航建筑物往往会在口门区出现复杂的不良流态[4-7]。国内外学者针对碍航流态，在不同的工程中提出了诸多改善措施，主要包括布置潜坝、口门区挖槽、优化导航墙布置、平顺岸线、调整引航道长度、优化航线等[8-15]。这些优化方案有效改善了口门区通航水流条件，也为后续工程提供了借鉴意义。

根据湘江水运发展需求，拟通过扩建二线船闸提高湘祁船闸上水过坝运量，扩建船闸位于原有一线船闸左侧，级别为Ⅲ级，二线船闸与一线船闸分设引航道，上游引航直线进闸、曲线出闸，下游引航曲线进闸、直线出闸，见图1。上游导航墙顺水流方向长73 m、隔流墙长240 m。下游引航道轴线与船闸轴线平行，导航调顺段长130 m；停泊段长180 m，停靠一闸次船舶；直线制动段长86 m；连接段弯曲航道岸边线弧长131 m、半径500 m；连接段直线航道与主航道平顺连接，与船闸轴线的夹角15°。

图1 湘江湘祁枢纽二线船闸平面布置

鉴于该工程是在湘祁枢纽一线船闸的基础上，在已有建筑物岸侧增建二线船闸，造成二线船闸引航道与主航道曲线连接。因一线船闸引航道的限制，且一线船闸与二线船闸轴距仅为80 m，使得拟建二线船闸上下游口门区及连接段附近通航水流条件相对较为复杂，造成横向流速和回流流速超出规范要求，形成碍航水流。根据试验结果分析，相对上游引航道，下游引航道口门区水流条件更难满足通航要求。因此，本文依托湘祁枢纽二线船闸扩建工程，采用定床水流物理模型试验，研究二线船闸下游引航道口门区通航水流条件，提出优化方案并分析改善效果，为类似工程设计提供参考。

1 模型设计

本研究主要讨论二线船闸下游引航道口门区及其连接段的通航水流条件，为了使模型能真实准确地反映河道的水流状态，必须保证河道模型与原型的水力相似。基于1:5 000实测地形图，根据几何相似、水流运动相似、动力相似及阻力相似准则，采用1:100正态比尺制作模型，入口位于坝址上游1.0 km、出口位于下游1.8 km处、宽度取整个河道宽度。制模平面采用三角形导线网控制：模型地形采用断面控制法，模型断面间距为50～100 cm，特殊地形采用等高线法控制。模型采用水泥砂浆制作，糙率为0.012～0.014，通过抹光或抹面的方式调节糙率，使模型糙率与实际情况相似。

模型建成后，主要观测中水(Q=6 000 m3/s)和枯水(Q=975 m3/s)情况，根据观测结果，针对水面线和流速分布进行了验证，验证水尺断面位置见图2。验证结果表明：模型中、枯水的水面线与原型水文测验结果误差绝对值不大于0.050 m(表1)，中、枯流量水位验证结果满足规定的误差要求；对于中、枯水大断面流速，模型与原型流速偏差不大于10%，流场相似度较高(图3)。验证试验表明模型与原型水面线基本一致，流速分布吻合较好，符合定床河工模型的技术规范要求，物理模型可作为湘祁枢纽扩建二线船闸整体定床物理模型试验的基础。

图2 验证水尺及测流断面位置

表1 水位验证结果

图3 Q3断面流速分布验证结果

为准确得到各级流量的水流特性和通航水流条件，针对设计方案和优化方案，根据水文资料，结合湘祁水电站水库汛期运行控制方案，拟定了试验流量工况，见表2。

表2 模型试验研究工况设置

2 常规开闸方式对通航水流条件的影响

为了解船闸引航道口门区通航水流条件，对船闸上、下游引航道口门区的流场进行了观察和测量，根据试验结果提取出二线船闸下游引航道口门区通航水流条件特征值，见表3。试验表明，实施二线船闸工程后，针对下游引航道口门区通航水流条件存在两种结果：1)上游来流流量为Q=265 m3/s、3 a一遇Q=9 200 m3/s、5 a一遇Q=10 400 m3/s、10 a一遇Q=12 000 m3/s时，引航道口门区纵向、横向、回流流速均满足规范要求；2)上游来流流量Q为1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s时，在下游隔水堤端一定区域内，横向流速和回流流速超过规范要求，不满足通航水流条件。综上所述，在常规开闸方式条件下，根据枢纽调度方式，选取来流流量Q=6 000 m3/s作为最不利通航流量进行下游引航道口门区优化措施研究，该工况下枢纽流速分布见图4。

表3 二线船闸下游引航道口门区通航水流条件特征值

图4 来流流量Q=6 000 m3/s时湘祁枢纽流速分布结果(单位：m/s)

3 下游引航道口门区通航水流条件影响因素及优化措施

3.1 泄水闸开启方式优化

根据前述试验结果，对来流流量Q=6 000 m3/s时泄水闸开启方式进行优化，优化措施见表4。

表4 Q=6 000 m3/s时泄水闸开启方式优化措施

为了解泄水闸开启方式优化后船闸下游引航道连接段通航水流条件，对船闸下游引航道连接段的流场进行了观察和测量，试验结果见图5。表5给出泄水闸开启方式优化前后二线船闸下游引航道口门区通航水流条件变化情况。在Q=6 000 m3/s时，其他条件保持不变，泄水闸开启方式优化后，可以看出：1)右岸泄水闸(1#～7#)开启时，适当开启左岸泄水闸(13#～19#)，对减小二线船闸下游引航道口门区横流、回流是有利的；2)均匀开启全部泄水闸(1#～19#)，减小了下游引航道口门区及连接段横向流速，对二线船闸下游引航道口门区通航水流条件有利。

图5 泄水闸开启方式优化后枢纽下游流速分布(单位：m/s)

表5 泄水闸开启方式优化前后通航水流条件对比

3.2 二线船闸下游引航道隔水堤优化

根据前述试验结果，为调整下游引航道口门区流速分布特征，考虑对下游引航道隔水堤进行优化，优化方案见图6。

图6 二线船闸下游引航道隔水堤优化方案

为了解二线船闸下游引航道隔水堤优化对下游引航道口门区及连接段水流条件的影响，对下游流场进行了观察和测量，试验结果表明：

1)从总体上看，二线船闸下游引航道隔水堤优化后，对整个河道水流影响较小，对下游引航道连接段河流主流与航道中心线的夹角、连接段内的横向流速影响较小，仅对二线船闸下游引航道口门区流速产生影响。

2)对于二线船闸下游引航道口门区，当上游来流较小时，二线船闸下游引航道隔水堤长度减少对减小回流有利；但当上游来流大于6 000 m3/s以后，二线船闸下游引航道隔水堤长度的减少对整个河道水流影响很小，但是会引起口门区回流流速的增大，平均增大20%左右。

3)二线船闸下游引航道隔水堤长度减少，导致一线船闸下游引航道口门区横向流速有所减小，平均降幅达10%；同时引起了回流流速的增大，平均增大55%左右。

综合考虑，不建议优化下游隔水堤。

3.3 电站出流口下游河道局部疏浚

电站下游右岸大堤优化后，虽然引航道口门区水流条件有所改善，但是电站下泄水流仍然冲向引航道。考虑到将下游右岸大堤后移实施难度较大，提出局部疏浚电站出流口附近下游河道右岸的方案(图7)，将河底高程65～66 m的地形疏浚至64 m，与周围左岸高程接近，根据地形图估计疏浚量约为13 600 m3。

图7 电站下游出流口河道疏浚方案

为了解电站出流口下游河道局部疏浚对下游引航道口门区及连接段水流条件的影响，对下游流场进行了观察和测量，结果表明：

1)局部疏浚二线船闸下游引航道口门区、电站出流口下游河道后，口门区的纵向、横向、回流均有所减小。在电站满发、泄水闸关闭情况下，二线船闸下游引航道口门区的纵向流速减小87%、横向流速减小65%、回流流速减小56%；在电站发电、泄水闸3#、5#、7#孔开度2.5 m情况下，口门区的纵向流速减小27%、横向流速减小24%、回流流速减小39%。

2)局部疏浚一线船闸下游引航道口门区、电站出流口下游河道后，在电站满发、泄水闸关闭情况下，口门区的纵向流速减小90%、横向流速减小65%，但是造成了回流的产生，回流流速达0.5 m/s，不满足规范要求。

3)对下游引航道连接段河流主流与航道中心线的夹角影响较小，但是减少了连接段内的横向流速，在电站满发泄水闸关闭情况下，减少幅度达50%左右。

3.4 综合优化调整方案

综合前述试验结果，考虑电站下游疏浚和泄水闸开启方式优化等措施，针对上游来流流量Q=6 000 m3/s，通过综合优化的措施进行试验。为了解船闸引航道连接段通航水流条件，对船闸上、下游引航道连接段的流场进行了观察和测量，结果见图8，此时，下游引航道口门区纵向、横向、回流流速均满足规范要求。

图8 Q=6 000 m3/s时综合优化方案条件下枢纽下游流速分布(单位：m/s)

对比二线船闸实施后一线船闸口门区水流条件与原一线船闸下游引航道口门区水流条件，得到结论：1)在流量2 500～6 000 m3/s时，下游引航道口门区会产生超过规范的回流；原一线船闸在流量大于2 500 m3/s时口门区最大横流大于0.30 m/s，不能正常通航。因此扩建二线船闸对原一线船闸不产生恶化。2)在流量为2 a一遇8 000 m3/s情况下，纵向流速大于2.0 m/s，超过规范限值，无法通航。因此扩建二线船闸，不影响一线船闸正常通航。

4 结论

1)在常规开闸方式条件下，上游来流流量Q为1 000、1 400、2 500、6 000、8 000 m3/s时，在下游隔水堤一定区域内，横向流速和回流流速超过规范要求，不满足通航水流条件。为改善口门区水流条件，须优化方案。

2)二线船闸下游引航道口门区的水流受枢纽运行方式影响较大。试验结果表明右岸泄水闸(1#～7#)开启时，适当开启左岸泄水闸(13#～19#)，对减小二线船闸下游引航道口门区横流、回流有利；均匀开启全部泄水闸(1#～19#)，减小了下游引航道口门区及连接段横向流速，对二线船闸下游引航道口门区通航水流条件有利。

3)通过优化泄水闸开启方式、二线船闸下游引航道隔水堤、电站下游右岸大堤，局部疏浚电站出流口下游河道等一系列措施的试验研究，提出了综合电站下游疏浚和泄水闸开启方式优化措施，使下游引航道口门区通航水流条件满足规范要求。按照优化方案扩建二线船闸，没有恶化原一线船闸通航条件。