赣江龙头山枢纽一线船闸通航水流条件及改善措施研究

肖 钦，范红霞，邓 伟，王建中

(1.江西省港口集团有限公司, 江西 南昌 330008； 2.南京水利科学研究院, 江苏 南京 210029； 3.中交第二航务工程勘察设计院有限公司, 湖北 武汉 430071)

已建枢纽船闸运行后出现通航水流条件差的情况屡见不鲜，一方面影响现状船舶的通航安全和过境效率，另一方面对枢纽后期预留船闸建设带来不利影响[1-5]。开展复杂边界条件下已建船闸上下游航道区通航水流条件恶劣的原因分析及改善措施研究，有助于改善已建船闸的通航安全状况，并为下一步新建多线船闸总平面方案布置创造有利条件，众多学者对此进行了较深入的研究[6-7]。船闸引航道口门区附近及连接段往往是出现流态紊乱、横流强的重点水域，多年来的工程实践与研究聚焦口门区水流条件，围绕调整隔流堤长度及堤头开孔、透空率、口门设置导流墩等措施，开展了广泛研究[8-13]，研究认为：下游较长隔流堤时可减轻泄水闸下泄水流对口门区的影响，但隔流堤过长会过多占用河道；在隔流堤合适的位置开孔，使引航道水体与相对稳定的水域相通，可有效消减开孔附近引航道内水体的波动，但开孔的位置、角度、高度、大小等要素较难确定；隔流堤下部即最低通航水位以下透空，内外水体在隔流堤下部连通，往往造成引航道内水流紊动较强，且底沙易进入引航道内淤积；设置导流墩后口门区动静水之间的流速梯度被墩体削弱，横流和回流强度减小，但导流墩数量也不宜过多，否则不利于防洪安全。

本文收集已建龙头山航电枢纽工程决策、建设各阶段资料，并采用整体定床物理模型试验，对现状一线船闸引航道及口门区通航水流条件进行研究，分析通航水流条件不达标的原因，首次提出采用百叶窗式透空隔流堤改善流态，减弱横流，消除通航安全隐患，有效提升最大通航流量，提高船舶过闸效率。以期为已建一线船闸方案完善、预留二线船闸设计及两线船闸运行管理提供技术支撑，为复杂边界条件下枢纽工程平面布置及已建船闸类似问题的解决提供新途径。

1 枢纽概况

已建龙头山枢纽坝址位于江西省丰城市赣江龙头山渡口上游1.5 km、剑邑大桥下游2.9 km 处，是赣江流域规划梯级枢纽的最后一级，上距新干枢纽约60 km、下距南昌市外洲水文站约55 km。龙头山枢纽是一座以发电、航运、城市交通为主，兼有防洪灌溉、供水、旅游、水产养殖等综合利用功能的大型航电枢纽工程。枢纽正常蓄水位24.20 m，总库容3.93 亿m3，电站装机240 MW。枢纽主要建筑物从左岸至右岸依次为：鱼道、河床式厂房、左岸连接坝、24 孔溢流坝、右岸连接坝、1 000 t 级船闸、右岸连接土坝，坝轴线全长1 291.2 m，坝顶高程31.00 m，顶面设置23.0 m 宽公路。枢纽于2019 年6 月蓄水，2019 年10 月开始发电。具体布置见图1。

图1 龙头山枢纽平面布置示意Fig.1 The layout of Longtoushan Junction

龙头山枢纽一线船闸等级为Ⅲ级，可通航1 000 t 级船舶，已于2009 年4 月试运行。枢纽已建一线船闸平面布置示意见图2，船闸上下游引航道均采用“直线进闸、曲线出闸”的不对称方式布置，船闸有效尺度224 m×23 m×3.5 m（长×宽×门槛水深），上下闸首分别长36.0 和32.8 m，上下游实体隔流堤分别长100 和90 m，透空式隔流堤和靠船段长264.2 m，透空率达75%～80%，上下游引航道宽60 m，底高程分别为15.7 和6.0 m。上游设计最高通航水位为20 年一遇洪水位25.75 m，设计最低通航水位为开闸调度最低水位22.3 m；下游设计最高通航水位为20 年一遇洪水坝下水位25.50 m，设计最低通航水位为95%保证率水位11.08 m。

图2 龙头山枢纽已建一线船闸平面布置示意（单位：m）Fig.2 The layout of the implemented first-ship lock (unit: m)

龙头山枢纽工程位于赣江下游丰城河段下段，右岸为赣东大堤，左岸大部分修筑堤防，堤防高程30.5～31.8 m，所在河段为弯曲河道，河道形势见图3。枢纽上游为库区河道，深槽高程10～15 m，正常蓄水位平均河宽约1 400 m；下游深槽高程10～15 m，滩地高程约23.0 m，归槽水位15.0 m 时平均河宽约800 m，龙头山卡口段束窄为400 m，龙头山矶头挑流作用显著。距龙头山枢纽上游约33 km 的樟树水文站是工程河段控制站。根据多年资料统计，樟树水文站多年平均流量为1 890 m3/s；水量年内分布不均，洪季4—6 月份径流占全年48.8%；赣江属少沙河流，多年平均含沙量0.116 kg/m3，多年平均悬移质输沙量665 万t，1990 年之前和之后分别为1 021 万t 和376 万t，洪季4—6 月份输沙量占全年54.6%～68.4%。枢纽断面20 年、10 年和5 年一遇洪峰流量分别为19 900、17 600 和15 100 m3/s。

图3 赣江龙头山枢纽所在河段河道形势示意Fig.3 The layout of Ganjiang River of Longtoushan reach

2 龙头山枢纽船闸定床物理模型的建立与验证

所建定床物理模型几何比尺1∶100，范围上起坝轴线以上2.5 km、下至坝轴线以下3.5 km，模拟天然河道长度6.0 km（见图4）。水流流速比尺1∶10，糙率比尺1∶2.15，经水动力验证，拉毛的水泥面糙率能满足水面线相似。根据2021 年5—7 月实测1∶5 000 水下地形制作模型，采用2021 年5 月24 日赣江1 号洪水涨水期间水文测验成果进行验证。本次测验自上而下布置6 把水尺，3 个ADCP 测流断面，对水面线和各测流断面水流流速及流向进行了验证，水面线比较见表1，断面流速流向验证见图5。验证结果符合规范[14]要求。

表1 水面线验证结果

图4 物理模型布置示意Fig.4 Layout of physical model

图5 表面流速分布验证对比Fig.5 Comparison charts of surface velocity distribution

3 龙头山枢纽一线船闸现状通航水流条件试验研究

据现场调研和船闸管理部门反馈，自2019 年4 月一线船闸建成试运行以来，受上游汛期涨水过闸流量大及枯水期电厂尾水影响，船闸上下游引航道、口门区及连接段的通航水流条件恶劣，表现为纵向流速大、流态紊乱、横流强劲，过闸船舶屡有失控碰撞险情发生，导致最大通航流量仅为5 000 m3/s，影响船舶通航安全和过闸效率。通过模型试验查找原因，并制定相应的解决方案。

根据相关船闸规范[15]，Ⅲ级船闸引航道与口门区水域通航标准为：（1）口门区纵向表面流速不应大于2.0 m/s，横向表面流速不应大于0.3 m/s，回流流速不应大于0.4 m/s；（2）引航道导航和调顺段宜为静水，制动段和停泊段水域最大纵向流速不应大于0.5 m/s，横向流速不应大于0.15 m/s。

3.1 试验条件

龙头山枢纽厂坝联合调度运行方式为：当入库流量小于电厂满发流量3 640 m3/s 时，电厂发电，泄水闸关闭，坝前正常蓄水位24.20 m；当入库流量大于电厂满发流量后，开启中间泄水闸泄洪，达到6 530 m3/s 时电厂停机，全部流量经右侧泄水闸下泄，库区水位下降至汛前水位22.8～22.3 m；入库流量达13 408 m3/s，泄水闸全开泄洪，基本恢复天然河道状态。采用2019 年10 月—2022 年6 月近2.5 年水位流量关系并结合坝址处设计洪水控制坝下水位。具体物理模型试验条件见表2。

表2 物理模型试验条件Tab.2 Physical model test conditions

3.2 现状试验结果

由于现状一线船闸上下游实体隔流堤较短，分别长100 和90 m，对引航道的掩护作用有限，但与实体隔流堤相接的上下游透空式隔流堤和靠船段长264.2 m，透空率达75%～80%，隔流效果非常差。受枢纽溢流坝泄水影响，当流量超过5 000 m3/s 时，上游引航道内横向流速和下游引航道口门区、连接段纵横向流速严重超标，超标范围和量值见表3。

表3 各运行工况下一线船闸现状表面流速特征Tab.3 The maximum surface velocity prior to implementation of improvement measures

由表3可见，当来流量等于5 000 m3/s 时，上游引航道停泊段已出现局部水域横向流速大于规范要求的现象；当流量达停机流量6 530 m3/s 并继续增大至9 000、15 100 m3/s 时，由于透空式隔流堤挡水作用较弱，部分来流能较顺畅地进入上游引航道内，水流动力逐渐增大，导致船闸上游引航道内靠泊段大部分水域的纵横向表面流速迅速超标（见图6）。上述3 级流量条件下靠泊段水域最大纵横向流速分别达0.84～1.43 m/s 和0.93～1.85 m/s，已严重超标。这说明现状条件下一线船闸上游引航道内过流量较大，通航水流条件恶劣，离原设计尽可能达到15 100 m3/s 的最大通航流量的要求相差甚远。

图6 现状条件下上游通航水域沿程流速分布（停机流量Q=6 000 m3/s）Fig.6 Surface velocity distribution in the upstream channel(Q=6 000 m3/s)

由表3 和图6 可见，各级流量条件下，下游引航道内水域的横向流速基本满足规范[14-15]要求，而纵向流速在流量达6 530 m3/s 后出现局部水域超标。下游口门区和连接段在泄水流量达到并大于6 530 m3/s 时，部分水域纵横向流速开始超标严重，9 000 和15 100 m3/s 流量条件下最大横向流速达0.48 和0.87 m/s，最大纵向流速达2.21 和2.39 m/s，超出规范[14-15]要求。这说明现状条件下汛期一线船闸下游引航道、口门区和连接段通航水流条件极差，严重影响船舶通航安全。

3.3 原因分析

前述现场调研及模型试验结果均表明，现状一线船闸汛期上下游引航道、口门区及连接段的通航水流条件远超规范要求，达不到设计标准。综合河道条件、工程方案平面布置及隔流堤结构型式等因素，分析其原因为上下游隔流堤、靠船段航评批复方案和施工建设实施方案差异较大。具体表现为：原工程可行性研究阶段推荐方案引航道外侧上下游隔流堤、靠船段均为不透空的实体墙，水体不交换，而现状隔流堤、靠船段施工时变更了原设计，采用了基本透空的形式，上游隔流墩、靠船墩之间仅在水面附近设置了2 块隔流板，单板高1.6 m，板间透水缝距0.4 m，平均透水率达80%，下游靠船、隔流墩之间在水面附近设了3 块隔流板，单板高1.6 m，板间透水缝距0.4 m，平均透水率达75%，现状条件下隔流板布置见图7。

图7 现状上下游隔流堤隔板结构型式（单位：m）Fig.7 Implemented structure of baffle wall (unit: m)

综上，现状隔流堤、靠船段透空率太大，基本起不到隔流作用，大量水体在上游顺向和下游侧向进入引航道，导致引航道内纵横向流速过大，通航水流条件极差，最大通航流量较小，这是造成通航水流条件恶劣的直接原因。现状一线船闸虽布置在河道右侧，但紧靠泄水闸，航道区水流易受汛期水闸泄水影响；再者，枢纽下游左岸龙头山咀突入江中，卡口束水挑流作用强劲，使得下泄水流提前右偏进入下游航道区，也会对通航水流条件带来不利影响，而现状条件也无法通过凸咀切除改善河道边界和水流条件。

4 通航水流条件改善措施试验研究

4.1 改善思路与作用机理

针对已建一线船闸存在通航水流条件差、最大通航流量低的问题，在现状一线船闸隔流堤、靠船段基础上实施完善改建，首次提出百叶窗式隔流堤的概念，通过从水面至水底布置有间隙的隔流板，减小透空率，增强隔流掩护效果，有效降低引航道内及口门区水流动力，减弱横流，达到改善通航水流条件的目标。

百叶窗式隔流堤作用机理在于：在保证一定透水率的同时，通过隔流板之间的间隙，水流沿水深方向直至河底分层透水，可以有效阻挡表层水流横向直接进入引航道，以减小引航道内的横向流速，尤其对水位变幅相对较小的上游引航道阻流效果更佳。同时，由于分层透水，进入引航道内的水流得以在空间上均匀分散，减弱紊动，有利于流态平稳。

设计完善方案为：维持现状一线船闸隔流堤、靠船墩平面位置及长度不变，在上游已设2 块隔流板、下游已设3 块隔流板的基础上，自上向下直至河底依次均匀增加隔流板，形成状如百叶窗式的新型隔流装置，单块板高1.6 m，缝隙0.4 m，透空率由现状的75%～80%降低至20%左右。同时，对靠船墩和隔流墩进行加固。新型隔流堤结构型式见图8。

图8 已建一线船闸隔流堤完善方案百叶窗式结构型式（单位：m）Fig.8 Structures of baffle wall for improvement measures（unit: m）

4.2 完善方案试验结果

在完善方案新型隔流装置工况下，进行了6 530、9 000、11 100 和15 100 m3/s 共4 级流量的通航水流条件改善试验，试验结果见表5。

表5 枢纽各运行工况下一线船闸完善方案后上游区纵横向表面流速特征Tab.5 The maximum surface velocity after implementation of improvement measures

由表5 可见，流量为6 530～11 100 m3/s 的条件下，上、下游引航道内的最大纵、横向流速分别为0.47 和0.13 m/s，上下游口门区和连接段的最大纵、横向流速分别为2.00 和0.29 m/s，满足规范要求；降低上下游隔流堤透空率后，隔流掩护效果显著，进入引航道内的水体大幅减少，水流动力明显减弱，横流范围和强度显著减小，通航水流条件得到有效改善。一线船闸上下游侧最大通航流量由现状的5 000 m3/s 提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

5 结 语

依据实测资料和工程设计资料，采用1∶100 定床整体物理模型，对已建龙头山一线船闸现状的通航水流条件和完善措施开展了试验研究，得到如下主要结论：

（1）当流量达停机流量6 530 m3/s 并继续增大至9 000 m3/s、5 年一遇15 100 m3/s 时，龙头山枢纽一线船闸上游靠泊段水域最大纵横向流速分别为0.84～1.43 和0.93～1.85 m/s；下游口门区和连接段最大横向流速达0.48 和0.87 m/s，最大纵向流速达2.21 和2.39 m/s，严重超出规范要求。

（2）现状通航水流条件差的主要原因为：隔流堤施工时变更了原设计，采用了基本透空的结构，透空率达75%～80%，隔流效果很差，导致大量水体进入引航道及口门区；一线船闸布置紧靠泄水闸，航道区水流易受汛期泄水影响；下游龙头山咀卡口束水挑流作用强劲，使得下泄水流提前右偏进入下游航道区，影响了通航水流条件。

（3）针对存在的问题，首次提出采用自上向下直至河底设置有间隙的隔流板，形成状如百叶窗式的新型隔流措施，透空率减小为20%左右。完善方案后不同流量下隔流掩护效果均很明显，进入引航道内及口门区的水体大幅减小，横流范围和强度显著减小，通航水流条件得到有效改善，最大通航流量由现状的5 000 m3/s提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

提出的百叶窗式隔流方案的作用机理为：基于应对不同水位变化，渐次有效减少泄水闸泄洪时顺向和侧向进入引航道及口门区的水体，水流得以在空间上均匀分散，降低紊动强度，有利于流态平稳，并减弱纵横向水流动力。这一改善措施可为已建龙头山一线船闸完善方案、规划二线船闸设计提供技术支撑，也可为复杂边界条件下枢纽工程平面布置及已建船闸类似问题的解决提供新途径。