赣江南支吉里枢纽通航水流条件试验研究及其优化措施

方锦涛，赵建钧，辜晋德，王 宇

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.河海大学，江苏 南京 210098)

船闸上下游引航道口门区及连接段是船舶进出引航道的咽喉[1]，口门区及连接段的纵、横向流速不应过大，应避免出现不利水力现象，如泡漩、严重回流等[2]，该区域水流状态的好坏直接影响船舶进出船闸顺利与否。在弯曲河段上，航电枢纽通航建筑物一般具有“滩多、弯道多、直线段短”的特征[3-5]，这使得引航道口门区及连接段水流流态较差，影响船舶的正常航行。赣江南支蜿蜒曲折，此处滩地发育，水流条件极其复杂。当前许多文献已对不利通航水流条件的整治进行研究，但不同工程的情况差别较大，仍需通过模型试验进一步研究归纳。本文依托吉里枢纽整体水工模型试验，分析S形急弯河段且河势地形较为复杂时引航道口门区及连接段通航水流条件，并依此提出相应的优化工程措施。

1 工程概况

赣江南昌枢纽是赣江下游尾闾综合整治控制性工程，工程在主支、北支、中支及南支河道中下游建闸抬水。吉里枢纽为赣江南支河道修建工程，其整体布置见图1。该枢纽主要任务为控制赣江枯期水位，改善南昌城区水环境，改善航道、港口运行条件，为打造赣江“黄金水道”创造有利条件。枢纽主体建筑物从左至右依此为：明水渠段117.45 m、滩地溢流堰段495.53 m(包括鱼道)、底轴驱动翻板闸段354.1 m、溢流堰段25 m、船闸段47 m、值班管理房平台段54.20 m，坝轴线总长1 093.28 m。船闸为单线单级船闸，主要建筑物包括船闸主体段，上下游引航道，导航、靠船、隔流建筑物，其中线路总长度约3.6 km。上、下游引航道受场地条件的限制，为减少岸坡开挖，导航墙、靠船建筑物设置在左侧，辅导航墙设置在右侧。上、下游引航道均采用曲线进闸、直线出闸的不对称布置方式。上游导航墙518 m、制动段40 m、停泊段238 m、调顺段240 m，布设18个独立靠船墩；下游导航墙长569 m、制动段92 m、停泊段238 m、调顺段245 m。为满足枢纽建筑物布置宽度要求并使航道顺直，船闸轴线与泄水闸轴线垂直。泄水闸泄流总净宽300 m，共设6孔，正常蓄水位15.5 m。拟建南支吉里枢纽船闸等级为Ⅲ级，设计水头4 m，闸室尺寸180 m×23 m×4 m(长×净宽×门槛水深)。

图1 吉里枢纽整体布置

由图2可看出吉里枢纽闸址上游为约135°弯道段，弯道凸岸的滩地高程约16 m，河流经凹岸后至较顺直的闸址处，河流呈东西向流经闸址。河道右侧大堤内侧为筑堤开挖取土而形成的明渠，明渠沿程局部有残留堤埂，堤埂高程约在16 m。右岸滩地外围筑有土堤且存在局部缺口，堤顶高程约18.5 m。弯道附近深泓偏向左岸，通过弯道后，深泓逐步右移偏向右岸，弯道下游主流流向基本与深泓线保持一致。

图2 吉里枢纽区洪期卫星图

2 模型制作及量测手段

2.1 整体物理模型

模型几何比尺1:100，主要采用Fr相似准则进行设计。考虑到枢纽整体布置及吉里枢纽上下游河段河势特点，模拟范围确定为闸址上游5 km河段至下游4 km河段。流速采用ADV三维流速测速系统测量，量程0.1～400 cm/s；流量采用标准量水堰测控，误差范围≤1%；水位采用自动跟踪水位计及测针进行测量，精度0.02 mm。

根据河段实测资料，选取795 m3/s流量进行模型水面线率定(图3)。结果表明：模型实测水位与原型水位基本一致，两者相差在0.06 m之内，满足相关规范要求，因此，模型与原型之间的相似性良好。

图3 Q=795 m3/s时水面线验证

JTJ 305—2001《船闸总体设计规范》[6]规定口门区流速指标限值：Ⅲ级航道，纵向流速vy≤2.0 m/s，横向流速vx≤0.3 m/s，回流流速v回≤0.4 m/s，引航道内宜为静水区。

2.2 试验工况

吉里枢纽根据实际水文条件及枢纽布置，并结合畅洪调枯的水位原则，通过多种泄洪方案比较优选不同流量级下的闸孔开启方式作为试验工况，其中工况6为3#闸门全开、4#闸门开启26°、其余闸门开启90°，各试验工况见表1。

表1 吉里枢纽试验工况

3 上游引航道通航水流条件

3.1 原设计方案下通航水流条件

对7个工况分别进行试验，试验结果表明：吉里枢纽河道主流位于凹岸一侧，当上游引航道口门区位于凹岸时有利于航线与主流的衔接，故在7个工况下上游引航道口门区纵、横向流速均满足规范要求。当Q≤1 000 m3/s时，口门区及连接段上最大纵向流速为0.96 m/s，最大横向流速为0.24 m/s，满足通航要求；当Q>1 000 m3/s时，连接段上部分范围内(口门上游1 km处、连接段与深泓连接部位、连接段弯道末端)的横向流速超过规范要求，需采取工程措施予以整治。

3.2 优化方案下通航水流条件

当前改善通航水流条件分为两大措施：工程措施及非工程措施。工程措施主要包括调整水流与航线夹角、布设导流墩[7]、导航堤开孔[8-9]、优化疏浚、修建丁坝潜坝[10]等；非工程措施主要包括调节泄水闸不同开启方式[11]及机组发电台数[12]，但不管是工程还是非工程措施，最终都是从降低流速、调整流向、改善流态等方面入手[13]。

原布置方案下上游引航道口门区与连接段上横向流速超标的原因主要有以下3个方面：1)口门上游1 km处滩地上来流在土堤缺口部位水流集中流出，并对河道主流产生压迫；2)由于闸址上游存有约135°急弯河段，弯道附近主流偏向左岸，主流与连接段起始段中心线夹角较大；水流经135°急弯河段后由于受到闸址处凹岸的影响，主流偏向右侧，在上引航道连接段直线段上，主流流向与航线夹角基本呈35°，导致连接段直线段与深泓连接部位横向流速过大；3)右侧明渠来流冲击连接段弯道末端。经模型试验发现：在Q=5 050 m3/s通航流量下，闸前水位18.11 m，残留堤埂处水深约2 m，见图4，壅水从堤埂顶部溢流，此时堤埂下游形成类似于实用堰流态，船闸上引航道口门区以上基本处于堰流消能区，该区域内流态复杂。

图4 Q=5 050 m3/s下残留堤埂处示意(单位：m)

针对上述原因采取如下措施：1)对滩地土堤缺口进行适当加高封堵以减弱集中出流的影响；2)为减小航道连接段起始处横向流速，连接段起始处航线向右侧偏移，转弯段末端向下游偏移，同时对连接段直线段与深泓连接处航线进行调整，为减小水流流向与航线交角，将连接段直线段偏转角调整为31.08°，以削弱横流强度；3)如欲避免形成堰流，则应对残留堤埂进行拆除，但拆除堤埂必然增加过流流量，导致连接段水流条件更加复杂，故应结合右侧明渠内的残留堤埂，对其进行加高，切断明渠来流。但右岸滩地子堤整治过高会造成滩地不过流，导致出现明显壅水现象，经模型试验比较优选子堤顶高加高到17.0 m的措施。调整措施见图5。

图5 上游调整布置Ⅰ

对各工况下流速进行测量，结果表明：当Q≤3 000 m3/s时，上游引航道口门区及连接段流速指标均符合规范要求。在Q=5 050 m3/s和Q=4 320 m3/s通航流量下，航道内大部分位置横向流速小于0.30 m/s，与原布置方案相比，调整方案I采取土堤加高措施使缺口附近航道内的流速分布均匀，主流扩散充分，明显改善了原布置方案下大范围横向流速过大的问题，但在航道弯道处的右侧(口门上游约450 m)和口门上游1 km处土堤缺口附近航道内部分位置(图6)，平均横向流速超过0.35 m/s。由上述分析可知需对横向流速超标位置进行局部地形调整。

图6 Q=5 050 m3/s优化后枢纽上游引航道口门区及连接段横向流速分布(流速：m/s)

3.3 进一步优化方案下通航水流条件

在调整方案Ⅰ下，航道弯道处土堤距离航道较近，水流越过土堤后，流线在较短的范围内急剧弯曲，导致弯道处水流横向流速偏大；另外口门上游1 km处土堤存在缺口，水流通过缺口直冲航道，导致航道右侧部分位置横向流速超标。

针对上述原因，在调整方案Ⅰ的基础上，调整方案Ⅱ将弯道处的土堤退后30 m以减小土堤对水流的不利影响；并将口门上游1 km处的土堤缺口合龙以避免航道弯曲处水流出现横向扩散过大的现象，此外保证土堤前后高程为17 m不变。采取相应措施后，不同工况下的上游口门区及连接段的流速测量结果见表2。

表2 优化方案下上游引航道口门区及连接段流速测量结果

试验结果表明：Q=5 050 m3/s通航流量下，航道弯曲处最大横向流速为0.25 m/s，原土堤缺口处最大横向流速为0.28 m/s，调整方案Ⅱ明显改善了调整方案Ⅰ中航道弯曲和土堤缺口附近水流条件。可以看出，上游引航道口门区及连接段采取一系列优化工程措施后，通航流量由原先的Q=1 000 m3/s提高至Q=5 050 m3/s。

4 下游引航道通航水流条件

4.1 原设计方案下通航水流条件

试验结果表明：当Q<3 000 m3/s时，下游引航道口门区及连接段内流速指标均满足规范要求。当Q≥3 000 m3/s时，在口门区连接段内距导航墙顶部180～450 m区间水流横向流速均普遍超过0.30 m/s。因此，在Q≥3 000 m3/s下枢纽原布置水流条件不满足通航要求。

4.2 优化方案下通航水流条件

枢纽下游原布置方案下横向流速超标主要原因是：1)泄水闸下泄水流向右横向扩散；2)受泄水闸下游左侧切滩线的压迫转向(水流流向与切滩线延长线近似平行)，主流偏转角度较大且过水断面面积偏小，口门区及连接段水流流态较差。

针对上述原因分析并结合下游引航道连接段附近河道地形条件，需对切滩角度进行调整，以此削弱切滩绕流压迫作用并减小航线与水流的交角以降低横向流速分量。

下游调整布置Ⅰ将左岸切滩边线偏转角调整为15°(图7)，试验结果表明：在Q=5 050 m3/s通航流量下，下游引航道口门区及连接段上航道中心线左侧基本超过了0.30 m/s，最大横向流速0.48 m/s，较原方案下横向流速有一定改善，但该调整布置仍不满足通航要求。

针对在调整布置Ⅰ下横向流速依旧超标的问题，调整布置Ⅱ，再次减小左岸切滩边线偏转角(由15°调整为10°)，见图7。

图7 下游调整布置Ⅰ(偏角15°)和调整布置Ⅱ(偏角10°)

对下游调整布置Ⅱ下Q=5 050 m3/s通航流量工况进行流速测量，横向流速分布见图8。试验结果表明：在下游连接段上航道左边线附近个别点横向流速超过了0.30 m/s，最大0.31 m/s，基本可以满足通航水流条件要求。对在下游调整布置Ⅱ下其他6个工况分别进行了试验，结果表明：在所有工况下，下游引航道口门区及连接段流速指标均基本满足规范要求。可以看出，通过调整切滩角度，扩大了下游过水断面的面积，水流平顺，通航流量由原先的Q=3 000 m3/s提高至Q=5 050 m3/s。

图8 调整布置Ⅱ下Q=5 050 m3/s时下游口门区及连接段横向流速分布(流速：m/s)

5 结论

1)受坝址河段弯道和地形的影响，枢纽原设计布置上下游引航道通航水流条件复杂，在流量Q>1 840 m3/s时上下游引航道连接段局部横向流速超过0.3 m/s，须采取工程措施以满足船舶的正常航行。

2)通过将上引航道连接段偏转角度调整为31.08°、整治右侧滩地子堤高程到17 m、将口门上游土堤退后、缺口合龙、调整下游泄水闸段左岸边界使挑流角度至10°等工程措施，改善了船闸上下游引航道口门区及连接段通航水流条件，最大通航量基本满足规范要求的20 a一遇洪水标准。