白石窑一线船闸改扩建下引航道口门区通航水流条件研究

吴 霜，张绪进，谢春航，刘 洋，周 权

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

随着我国航运事业的发展，许多已建船闸通过能力不能满足航运量需求，需要对已建船闸进行扩能升级，提升船闸过闸运量。通常下游船闸会受到枢纽已建建筑物、地形河势条件以及下泄水流的影响[1]，造成口门区出现斜流、横向环流、回流等不良流态现象[2-4]。因此，许多学者针对此情况进行研究，如李艳[5]、杨峰[6]、尹崇清[7]及符蔚[8]等利用物理模型和数学模型结合的方法展开研究。

北江是珠江水系第二大河流，也是广东省北部主要水路运输通道之一。其干流全长258 km，由上至下建有孟洲坝、濛里、白石窑、飞来峡、清远共5座船闸。近年来，受北江沿线经济发展、港口航道规划调整等因素的影响，北江过闸运量快速增长，原有船闸通过能力已不能满足通航需求。为充分发挥北江水道的作用，相关部门启动了北江航道扩能升级工作，拟将北江干流全线航道提升为Ⅲ级航道标准，通行千吨级船舶。目前孟洲坝、濛里、白石窑(船闸尺度220 m×23 m×4.5 m，长×宽×门槛水深)[9-10]二线船闸，清远二线船闸，飞来峡二、三线船闸(船闸尺度220 m×34 m×4.5 m)[11-12]均已建成通航。而白石窑老一线船闸尺度仅为140 m×23 m×4.5 m，与其二线船闸尺度不匹配，通过能力也不能与上、下游枢纽航道相适应。在北江大部分船闸已完成扩能升级的背景下，白石窑老一线船闸将成为限制北江航运的“卡脖子”工程。因此，亟需研究白石窑一线船闸改扩建方案的可行性。

1 工程概况及河道特性

白石窑枢纽位于广东省英德市上游25 km处，坝址多年平均流量532 m3/s，正常蓄水位37.32 m。设计洪水流量Q=11 200 m3/s(P=1%)，设计洪水位为39.48 m；校核洪水流量Q=14 200m3/s(P=0.1%)，校核洪水位为42.52 m。枢纽总体布置格局为：左岸为双线船闸、中间22孔泄洪闸、右岸为电站厂房。其中电站厂房共5台发电机组，机组最大满发流量为1 300 m3/s。枢纽设计调度运行方式为：当流量Q<1 300 m3/s时，电站发电；当流量Q>1 300 m3/s时，电站满发，多余流量将优先通过右区9孔泄洪闸控泄；当流量Q≥3 860 m3/s时，电站停机，全闸开启敞泄洪水。

拟建白石窑一线船闸改扩建工程按Ⅲ级、可通行1 000 t船舶标准建设，与已建成通航的二线船闸尺度相同，即220 m×23 m×4.5 m。两线船闸并列布置在枢纽左岸，改扩建的一线船闸闸位保持不变，船闸中心线与左侧新建成的二线船闸平行，相距75.4 m。两线共用上、下引航道，引航道宽为98.4 m，下引航道直线长395 m，其中导航调顺段长170 m，靠船段长225 m，底高程19.32 m。船舶进出闸方式为直进曲出，下游引航道口门分别采用340 m、500 m转弯半径与下游航道相接。

现状条件下，白石窑坝下河段河势地形条件比较复杂。根据近期实测地形图分析(图1)，由于白石窑枢纽已建成运行多年，且大多数时间段为枢纽蓄水运行，右侧电站发电，并且优先通过开启右区泄洪闸下泄多余流量，进而导致坝下近坝河段存在较为严重的清水冲刷。受此影响，消力池后河槽地形散乱，凹凸不平，形成冲坑，最大深度达5～6 m。而电站下游河床长期在尾水的冲刷下，亦形成深槽，深槽最大深度达4 m。其后，枢纽下泄的高速水流逐渐扩散均匀，加之河道展宽，水流流速明显减小，相应挟沙能力减弱，泥沙落淤。通过多年的演变，在坝下河段右侧形成了规模大、形态完整的三板洲边滩。三板洲全长约1 190 m，中部最宽阔处宽度为305 m，约占整个河道宽的五分之三(图2)，严重束窄了河道的有效过流宽度。三板洲河段主槽位于河道左岸，与三板洲滩面高差约6.5 m，受三板洲束窄作用，主槽宽度仅为198 m。

图1 枢纽布置及坝下河势图Fig.1 Layout of junction and river regime below the dam

图2 典型横断面图(单位：m)Fig.2 Typical cross-sectional view

在闸位确定的情况下，受整体河势及既有建筑物布置影响，白石窑一线船闸改扩建工程下游口门区及连接段位于三板洲中下部的左侧主河槽，处于三板洲束窄的河段，也是下游航线的转弯段，环境条件复杂，研究下引航道口门区通航水流条件及改善措施是非常有必要的。

2 通航水力学试验

本研究采用模型比尺为1∶100的正态整体物理模型对白石窑一线船闸下引航道口门区通航水流条件进行研究。模型范围包括枢纽上游2 km至下游3.5 km，总长5.5 km，模型通过了水面线、流速流向的验证，率定出了合适的河道糙率，达到了几何相似、河床阻力相似和水流运动相似的要求，能够满足研究精度的要求。

2.1 通航水流标准及试验量测设备

白石窑枢纽坝下河道宽阔，下泄水流引起的水面波动较小。而下引航道口门区位于枢纽下游1 km左岸处，在流经下引航道口门区时水面波动可以不考虑，只需考虑口门区流速。根据《内河通航标准》(GB50139-2014)对船闸引航道口门区通航水流标准规定：船闸上、下游引航道口门区水流最大纵向流速≤2.0 m/s、横向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s。

试验模型进口流量由三角堰或矩形堰进行控制，模型尾水位由翻板门和闸门控制、水位测针测定。表面流速采用西南水运工程科学研究所自主研制的XKVMS-03型大范围表面流场测量系统进行快速准确测量。XKVMS-03表面流场测量及分析系统是基于粒子图像测速法(PIV)原理，运用图像处理、模式识别与快速时序处理等技术开发研制的新一代表面流场测量及分析系统。

2.2 初步方案下游引航道口门区通航水流研究

2.2.1 初步方案布置

为保证水流平顺流入下引航道口门区，使水流尽量远离口门区并向右侧进行扩散，试验初步方案对三板洲左侧上游部分及主河槽进行了疏浚，具体方案如下：(1)疏浚挖槽上游与泄洪闸下游深槽相连，疏浚起始高程为21.82 m；疏浚挖槽下游与下引航道口门区右侧衔接，疏浚终止高程为20.82 m，疏浚宽度约110 m，两侧边坡为1：4，挖槽中心线与船闸下引航道轴线之间的交角约24°。(2)为进一步调整下游引航道口门区流向，对下引航道隔流堤外侧的河床地形进行适当清理疏浚，其疏浚高程为24.82 m。

图3 初步方案平面布置(单位：m)Fig.3 Layout of preliminary plan

2.2.2 通航水力学试验分析

初步试验观测表明，当电站单机引用流量Q=250 m3/s时，口门区各项流速指标均未超标。随着流量增加，当增加到两台机组发电流量Q=500 m3/s时，下泄水流受到三板洲阻水作用，主流经左侧主河槽斜向流入下引航道口门区，口门区出现了横向流速超标，最大横向流速达到0.53 m/s，在口门区右侧10～60 m范围呈阶梯分布(如图4所示)。当流量Q>500 m3/s时，口门区流速超标强度和范围进一步加剧，通航水流条件进一步恶化。

图4 初步方案下泄流量Q=500 m3/s时的流速矢量图(单位：m/s)Fig.4 Flow velocity vector of the preliminary scheme with discharge flow Q=500 m3/s

由此可见，试验初步方案确定的开挖方案对水流流向的改变有限，也不能较好地调整断面流速分布。在三板洲的束窄作用下，左侧主河槽过流宽度明显不足，造成断面流速分布不均，主流集中于下引航道口门区及连接段内下引航道口门区及连接段处；枢纽电站及泄洪闸下泄水流受到三板洲洲头的阻水与分流作用，大部分水流斜向进入河道左侧主河槽，造成水流与引航道轴线夹角达到24°以上，加之下引航道口门区及连接段处于航线转弯段，流向与航线夹角亦较大。仅能使流量Q≤250 m3/s时口门区的通航水流条件满足要求。随着上游来流的进一步增大，口门区将形成强度大、范围广的横向水流，水流流态差，通航条件恶劣，远不能满足船舶通航安全的要求。鉴于此，需要对三板洲进行更大范围的开挖疏浚。

2.3 优化方案1下游引航道口门区通航水流研究

2.3.1 优化方案1布置

根据试验初步方案成果可知，该方案对下泄水流流向及断面流速分布调整有限，在三板洲的束窄作用下，水流并未明显向右扩散，主流仍集中于左侧主河槽。为调整水流流向及分布，优化方案1对三板洲进行更大范围开挖疏浚(见图5)。具体方案如下：

图5 优化方案1平面布置(单位：m)Fig.5 Layout of optimization plan 1

(1)开挖疏浚宽度在初步方案基础下进一步向右侧三板洲扩挖75 m，即扩宽后疏浚宽度达到185 m。

(2)纵向疏浚范围在设计方案基础上向下延伸到引航道靠船墩末端附近，长约160 m，疏浚高程为20.82 m；下引航道靠船墩下游约300 m、横向宽度为55～135 m的区域内，疏浚高程为19.82 m；在下游约400 m长、宽度约40 m区域内疏浚开挖高程为19.32 m。

2.3.2 通航水力学试验分析

试验结果表明，当下泄流量Q<1 000 m3/s时，各级典型流量下口门区各项流速指标均满足规范要求。当下泄流量Q=1 000 m3/s时，口门区最大纵向流速为1.30 m/s，最大横向流速为0.53 m/s，最大回流流速为0.14 m/s，横向流速在口门区右侧10～50 m范围内超标(图6)。当下泄流量Q>1 000 m3/s时，口门区流速超标幅度和范围随流量的增大而扩大。

图6 优化方案1下泄流量Q=1 000 m3/s时的流速矢量图(单位：m/s)Fig.6 Flow velocity vector of optimization scheme 1 with discharge flow Q=1 000 m3/s

由此可见，通过进一步对三板洲开挖疏浚，在中小流量时主流右移至航槽右侧边缘位置，航槽左侧区域流速明显减小，水动力轴线向右偏移约10 m，口门区通航水流条件相较于初步方案有所改善。但由于口门区末端航线转弯段及连接段是整个河段最窄位置，即使在疏浚扩挖后，主槽宽度也仅为125 m左右，而相应口门区宽度为100 m，连接段航槽宽度为90 m，行洪宽度与过流能力均严重不足，形成卡口，是下引航道口门区及连接段流速流态的控制性边界条件。随着流量的进一步增大(Q>1 000 m3/s)，通航水流条件仍不能满足通航安全要求。

结合上下游河势条件分析，优化方案1疏浚开挖方案末端已基本与下游英德北江大桥右主墩对齐，为确保桥梁桥墩安全及其主通航孔通航条件，三板洲进一步向右扩挖疏浚的空间有限，因此需考虑其他工程措施。

2.4 优化方案2下游引航道口门区通航水流研究

2.4.1 优化方案2布置

针对优化方案1存在的问题，考虑从引航道布置方案入手，配合三板洲开挖疏浚，实现改善下引航道口门区通航水流条件的目的。基于此，研究提出了优化方案2，如图7所示。具体方案如下：(1)三板洲中上部疏浚宽度在优化方案1的基础上向右局部扩挖疏浚，扩挖约25 m，总扩挖宽度达到210 m，三板洲下部疏浚宽度不变。(2)在一线船闸靠船墩末端增设长180 m直线隔流堤。

图7 优化方案2平面布置(单位：m)Fig.7 Plane layout of optimization plan 2

2.4.2 通航水力学试验分析

试验结果表明，当下泄水流Q<3 860 m3/s时，口门区水流各项指标均满足规范要求。当下泄流量Q=3 860 m3/s时，口门区最大纵向流速为2.35 m/s，最大横向流速为0.33 m/s，最大回流流速为0.45 m/s，口门区纵横向及回流流速在边缘位置小范围超标，其余大部分区域均满足通航安全要求，如图8所示。当下泄流量Q≥4 990 m3/s时，各项流速指标均全面超标(表1)。

图8 优化方案2下泄流量Q=3 860 m3/s时的流速矢量图(单位：m/s)Fig.8 Flow velocity vector of optimization scheme 2 with discharge flow Q=3 860 m3/s

表1 优化方案2下引航道口门区流速成果表Tab.1 Flow velocity of optimization plan 2 at the entrance of approach channel m/s

由此可见，相较于优化方案1，在隔流堤的挑流作用下，水流流向进一步向右侧发生偏转，水动力轴线向右偏移约25 m；同时，在隔流堤的掩蔽保护作用下，使得中水流量Q=3 000 m3/s、Q=3 860 m3/s时，口门区及连接段的水流整体流速明显降低，其通航水流条件得到较大改善。

在前述水流条件试验的基础上进一步开展了自航船模试验。船模验证试验亦表明，在隔流堤的保护作用下，靠船段下游180 m区域内水流平缓，可视为制动段；对于上行船舶可通过口门区左侧缓流区进入制动段并降低航速制动停泊；对于下行船舶，由于对三板洲进行了疏浚开挖，拓宽了航线转弯段的通航水域宽度，达到宽约180 m，在Q≤3 860 m3/s时，船舶能够安全进出下引航道。

综上所述，优化方案2可将最大通航流量提高至3 860 m3/s(枢纽设计敞泄分界流量)。结合北江水文资料分析可知，工程河段1 a中流量大于3 860 m3/s的天数屈指可数，从通航保证率而言，已能满足III级航道的通航需求。因此，本方案可作为白石窑一线船闸改扩建工程的建设方案。

3 动床试验

三板洲主要由砂卵石组成，一般层厚1.0～10.0 m，平均厚度5.87 m，优化方案2对三板洲进行了大范围的疏浚开挖，三板洲河段泥沙淤积情况发生改变，存在下引航道口门区及连接段的淤积及三板洲挖槽的稳定性问题。为此，试验在定床模型确定的方案基础上，开展了动床系列年泥沙冲淤试验。结合地形、地质和床沙组成进行动床制作，铺沙厚6～10 cm(原型6～10 m)，并由断面板控制铺制动床初始地形，床沙铺设合格后方可进行动床冲淤试验。

动床冲淤试验采用北江丰、中、枯系列及近期代表年水沙资料作为模型进口边界条件，参照电站运行情况控制坝前水位，根据水位-流量关系控制模型下游尾门水位，进行系列年输沙循环试验。一个循环后暂停放水，观测坝下游河段的冲淤情况、冲淤分布、冲淤量及厚度等，以掌握工程后的河床冲淤演变规律。试验结果表明：

(1)淤积区域主要位于疏浚挖槽右侧边缘坡脚位置和下游引航道口门区及连接段处的左岸深槽处。疏浚挖槽右侧边缘坡脚淤积区域长约560 m。在第4年末，淤积厚度为0.2～0.7 m；在第8年末，淤积厚度为0.3～0.7 m。下游引航道口门区及连接段处的左岸深槽淤积区域长约270 m。在第4年末，淤积厚度为0.4～0.8 m；在第8年末，淤积厚度为0.6～0.9 m。

(2)冲刷区主要位于三板洲末端长约120 m的疏浚挖槽左侧边缘和左岸主河槽区域。在第4年末，冲刷深度为0.2～0.6 m；在第8年末，冲刷深度为0.3～0.5 m。

(3)经过系列年输沙过后，三板洲河段床面形态将不断往稳定的方向演变，泥沙冲刷及淤积量均较小，不存在单向淤积或单向冲刷趋势，冲淤基本保持平衡。

由此可见，受到隔流堤束水和挑流作用，主流集中于三板洲疏浚挖槽中，水流流速大，挟沙能力强，上游来沙大部分被主流输移至下游，仅在疏浚挖槽边坡坡脚和下引航道口门区及连接段的缓流及回流区存在泥沙淤积。总体来说，工程实施后三板洲疏浚挖槽开挖边坡稳定，整体上形态完整，稳定性较好；下引航道口门区及连接段泥沙淤积幅度不大，航深亦能满足船舶吃水要求。

9-a 第4年末冲淤地形9-b 第8年末冲淤地形图9 系列年泥沙冲淤地形Fig.9 Topography of sediment erosion and deposition in a series of years

4 结论

(1)受坝下三板洲和既有建筑物影响，白石窑一线船闸改扩建工程建设后，下引航道口门区通航水流较差，其口门区水流条件主要表现为流速大、夹角大、水流集中等流态。

(2)为改善口门区通航水流条件，试验采用1∶100正态整体物理模型对下引航道口门区通航水流条件进行研究。试验结果表明：优化方案2将最高通航流量提高至3 860 m3/s，改善的口门区及连接段通航水流条件能够满足Ⅲ级航道通航需求。因此，优化方案2可作为白石窑一线船闸改扩建工程建设方案。

(3)为验证建设方案的稳定性，开展了动床系列年泥沙冲淤试验。试验结果表明：该建设方案下，三板洲整体形态完整，挖槽边缘泥沙淤积变化小，总体稳定性好，下引航道口门区通航水流条件较好。试验成果可为类似工程提供参考和借鉴。