枢纽引航道口门区利航流态的实现研究

欧阳天庭、魏必文

（江西省路港工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

引航道是在枢纽所在水域设定的用来引导船舶沿着安全航线进入或离开枢纽的专业航道[1]。受枢纽建筑空间分配的制约，枢纽引航道的水域空间相对狭窄，且严格受到航道墙线形的约束。其内部流态密切关系和影响船舶通航或靠泊的使用安全，尤其是引航道口门区，该区域是引航道水域与枢纽河道水域的邻接区，扰流较多，流态复杂，是枢纽引航道建设的重点质量控制区域，也一直是枢纽引航道科研和工程控制的关注点[2-5]。

文章基于工程案例，借助有限容积积分法二维流仿真模拟技术，介绍原设计方案和两种改进设计方案下引航道口门区流态模拟分析和改进设计等，最终确定实施具有较优利航流态的改进方案2 进行二线引航道续建，期望相关设计和分析成果能够为枢纽引航道利航流态设计提供参考。

1 工程概述

案例为北江上的一处集调水、防洪、发电、航运等多项功能于一体的枢纽工程。其坝址控制流域总面积约16750km2，二类工程级别，三类主体建筑，按照洪水50 年一遇设计，主体为洪水校核500 年一遇，土坝重点监控区域为千年一遇。枢纽布局从左到右为：左岸土石坝、电站厂房、13 口泄水闸、船闸、右岸连接坝段。枢纽船闸引航道采取双线设计，先后两个工期建设。

一线船闸为V 级船闸，闸室临界水深、宽度、长度分别为2.00m、14.00m、140.00m，可通航300t 级船舶。上游最低和最高通航水位分别为41.32m、45.82m，最大水头9.00m，通航净空8.00m。船舶上下水闸采取弯进直出设计。上游引航道右侧主航道墙全长205.80m，其中包括182.40m 的直线段和23.40m 的扩展段，左侧副航道墙包括长80.00m 直线航道墙段和42.00m 的圆弧航道墙段，上游引航道的底高程为38.82m。

二线船闸为Ⅲ级船闸，闸室临界水深、宽度、长度分别为4.50m、23m、220.00m，可通航1000t 级船舶。两座船闸布置在同一岸侧，两座船闸之间的轴向距离为80.00m，引航道宽度50.00m。上游引航道右航道墙为563.80m 的主导航墙，包括靠泊段415.00m 和直线导航段148.80m。靠泊段包括6 个靠泊码头和15 个系船柱。左侧为全长约224.50m 的副导航墙，采取52.73m 半径和49°圆心角的弧形延伸段设计，后接长160.00m 的直航段，引航道底高程为36.82m。

2 原设计方案

2.1 船闸平面布置

该枢纽的二线船闸扩改建工程按三级标准设计，闸室长×宽×高为220.00m×23.00m×4.50m，可通过1000t 级船舶。根据周围环境和河道地形条件，将新船闸设计在原一线船闸的右岸侧，两船闸轴线距离为80.00m，新闸引航道采取向左侧扩大的不对称形式，开挖一线闸右岸山体形成所需航道空间，新闸尽量不影响旧闸的通航条件。船舶上行采取直入曲出的方式，新船闸上游引航道底高程为36.82m，宽度为50.00m。上游引航道右侧的航道墙为主航道墙，全长563.80m，包括直行段148.80m，靠泊段415.00m。靠泊段设6 个靠泊码头，15 个系船柱。主航道墙的顶高程为48.50m。左侧辅助导航堤采取52.73m 半径、49°圆心角的弧形扩张段，后接直线导航段160.00m，副导航堤也是隔流堤，全长约224.50m，其顶面高程475.20m，齐平于一线闸的右侧导航墙。

2.2 船闸上游引航道水流状态

通过有限容积积分法二维流仿真模拟，获得原设计方案下一、二线闸上游引航道的最大流速分布情况（见表1 和表2）。数据显示，原设计方案、保持水库正常蓄水和各级中小流量运行条件下，船闸上游引航道口门区的流速都比较小，满足安全通航要求。但当流量≥1500m3/s、坝前按44.32m 汛限水位或者开启全闸敞泄洪水时，受泄流和外导墙堤头水流的影响，一线闸上游引航道口门区几乎被横流覆盖，二线闸上游引航道口门区附近横流也相对较大，影响船舶安全进出。这时二线闸的右导墙靠泊段基本全部暴露在动水中，流速较快，使船舶靠泊风险提高，有必要进一步优化调整。

表1 原设计方案下二线闸上游引航道的最大流速分布表（m/s）

表2 原设计方案下一线闸上游引航道的最大流速分布表（m/s）

模拟分析显示，原设计方案下，因二线船闸的外导墙，即一、二线船闸的隔离墙较短，严重受到枢纽泄流、二线闸外导航墙的堤头扰流影响。当流量≥1500m3/s、坝前汛限44.32m 时，一线闸上游引航道口门区存在较大的横流，几乎被横流覆盖。二线船闸右侧的导墙靠泊段此时暴露在动水中，流速很大，可能影响船舶的通航安全，因此有必要通过优化方案来调节隔离墙长度，以控制和减少引航道口门区的扰流和横流等问题。

3 共用引航道（改进方案1）

3.1 船闸平面布置

为了改善一线船闸上游引航道的水流条件，并大幅取消或缩短二线船闸上游引航道的外导墙，取消一线闸原上游引航道的外导墙圆弧段，并将直线段长度加长，以屏蔽和控制主河槽左侧动水的影响，进而改善上游引航道的水流状态。该上游引航道的底高程为36.82m，宽度为98.50m。

取消上游引航道外导墙圆弧段的同时，也取消一、二线船闸隔墙的直线段，但保留其拓宽圆弧段。同时按4.50 倍典型船长的标准，将一线闸外导航墙的直线段从80.00m 加长至304.00m，以利于在洪水期降低枢纽泄流和外导墙扰流的干扰，改善口门外侧区域的通航水流状态。

3.2 船闸上游引航道水流状态

试验数据显示，方案1 改进条件下，正常流量2760m3/s 运行时，引航道口门区的纵向和横向流速较小，未发生回流。流量处于2760～6630m3/s 时，受枢纽泄流、外导墙头扰流影响，引航道口门区外侧的横向流速逐步加大，超过了设计要求。引航道口门区内侧这时的纵向和横向流速较小，水流平缓，可保证通航安全。上游引航道口门区纵向和横向流速虽然呈随流量增加而增加的趋势，但其横向流速以及超标范围均有所降低，说明方案1 优于初始设计方案。但方案1 改进后，右侧停泊区上段60.00～100.00m 的区间内仍存在纵向流速较大的情况，无法满足安全靠泊的流态需求。试验中还发现，共用上游引航道的外导航墙要处在深水库区，作业难度和投资均相对较大，且这样的布局不利于汛期行洪，有必要探讨更优化的设计方案。

4 分用引航道（改进方案2）

4.1 船闸平面布置

方案2 是在方案1 的基础上，分开配置船闸上游引航道，是考虑外导航墙配置状态作出的一种新选择，即在外导航墙上段约100.00m 范围配置8 个透空导流孔，孔口高4.00m，宽2.70m，孔顶高程40.82m，底高程36.82m，且与导墙的直线段呈27°夹角，相邻孔的中心间距设为12.00m。开孔墙体选择插板式隔流墙，各孔插板由径值2.50m 的灌注桩基础连接。该方案的二线船闸上游引航道的外导墙全长375.00m。并且，在右岸上游弯道附近配置块石填回护坡，既利于在弯道处调顺水流方向，又能够大幅度消化工程石渣弃方问题。右岸上游侧块石护坡段约500.00m，坡比1∶2.50，采取2 级回填方式，中间配置宽2.00m 的马道，回填第1 级的顶高程为43.13m，回填第2 级的顶高程为47.50m。

4.2 船闸上游引航道水流状态

4.2.1 方案2 对二线船闸通航水流条件的影响

当流量≤6630m3/s 时，二线船闸除上游引航道和入口区流速指标有个别点超标以外，通航安全基本可以得到保障；当流量＞6630m3/s 时，二线闸上游引航道口门区外导墙堤区域存在横流超标。通过比较得知，相比于初始设计方案和改进方案1，方案2 形成的二线船闸引航道流态条件是三者中最好的，船舶安全靠泊长度较长。

4.2.2 方案2 对一线船闸通航水流条件的影响

方案2 采取的是分开布置一、二线船闸的上游引航道方案，二线船闸上游引航道由开挖右岸山体形成，其外导墙位处一线船闸的右岸边，导航墙长375.00m，一线闸上游引航道入口区的外部状态基本不变。方案2 的右岸河湾采用长约500.00m 的石砌防护墙，对改善一线船闸上游引航道口门区的水流条件有帮助。

2760m3/s 是维持电站满发状态下的枢纽流量状态，1500m3/s 是枢纽45.82m 常规水位运行条件下的枢纽流量状态。表3 数据显示，二线船闸改造方案2实施前后，枢纽中小流量条件下，一线船闸上游库区及上游引航区的流态保持完好。当达到流量2760m3/s时，一线引航道口门区的纵向和横向流速峰值分别为1.12m/s 和0.34m/s，最大流速位处一线船闸外导流墙的堤头附近，引航道口门区内未发生回流，通航水流条件较好，基本与现状一致。说明按修改方案2 建设二线闸后，一线闸上引航道的通航水流条件不会受到不利影响，前后基本保持不变。

表3 实施方案2 后一线闸口门区的流速改变数据表（m/s）

5 结论

文章结合案例枢纽工程实际情况，梳理原设计方案和两个改进设计方案下的船闸平面布置及对应的船闸上游引航道水流状态模拟分析结果。分析显示：

其一，在原设计方案中，船闸上游引航道双线采用分离式布置方案，在保持水库正常蓄水和各级中小流量运行条件下，船闸上游引航道口门区的流速都比较小，满足安全通航要求。但当流量≥1500m3/s、坝前按44.32m 汛限水位或者开启全闸敞泄洪水时，一线闸上游引航道口门区几乎被横流覆盖，二线闸上游引航道口门区附近横流也相对较大，影响船舶安全进出，因此需要改进设计。

其二，在改进方案1 中，两线船闸采取共用上游引航道的设计方案，虽然该方案优于原设计方案，但仍存在右侧停泊区纵向流速仍然相对较大的情况，无法满足安全靠泊的流态需求；外导航墙要处在深水库区，作业难度和投资均相对较大；布局不利于汛期行洪等不足。

其三，改进方案2 采取分开配置船闸上游引航道、加长引航道外航道墙的长度、整治右岸河湾坡岸、堤头段配置8 个导流开孔等改进措施。引航道口门区流态分析显示，方案2 进一步改善了之前方案不能充分解决的导航墙堤头回流、斜流等不利流态，且船舶安全靠泊区较长、工程投资小、施工难度低，因此工程最终采用该方案进行二线船闸和引航道建设。