嘉陵江船閘透空式導航墻的研究及應用

王 瑋,盧文蕾

（四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，成都610017）

嘉陵江船閘透空式導航墻的研究及應用

王 瑋,盧文蕾

（四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，成都610017）

在嘉陵江航電樞紐建設中，研究并采用了透空式導墻結構型式，較好地解決了船閘引航道及其口門區存在的通航水流條件問題。文中以嘉陵江金溪船閘為例，通過整體水工物理模型試驗，研究了引航道導航墻不同結構型式對口門區水流條件的影響和透空式導航墻的開孔尺度和布置?？偨Y了船閘引航道透空式導航墻的適用條件、選型及注意事項等。

船閘；透空式導航墻；整體水工模型；試驗研究；應用；嘉陵江

在山區河流中，受樞紐所在河段兩岸地形的限制以及樞紐其他建筑物布置的影響，船閘引航道建筑物平面布置的調整余地不大。當口門區的通航水流條件較難滿足船舶航行要求時，無法通過改變建筑物的平面布置來改善，此時就需要從改變引航道建筑物的結構型式入手［1-3］。嘉陵江梯級開發建設過程中，多數船閘引航道建筑物都采用了透空式導墻的結構布置，取得良好的工程效果［4］。

本文以嘉陵江金溪船閘工程為依托，通過整體水工模型試驗，研究了實體導墻和透空導墻對通航水流條件的影響，以及透空導墻不同開孔長度、方向和高度條件下通航水流條件的變化情況。并列舉了嘉陵江幾座船閘對透空式導航墻的研究及應用實例。在此基礎上，總結了船閘引航道建筑物透空式導航墻的適用條件、選型及注意事項等，可為山區河流類似船閘工程建設提供參考。

1 嘉陵江透空式導航墻研究［5］

1.1 依托工程概況

依托工程為嘉陵江金溪航電樞紐，該樞紐位于嘉陵江干流中游，樞紐建筑物從左至右有：左岸接頭壩、船閘、溢流壩、19孔泄洪閘、沖砂廊道、廠房及右岸接頭壩，樞紐平面布置見圖1。金溪船閘上游最高通航水位為樞紐正常擋水位310.00m，上游最低通航水位為304.00 m，下游最高通航水位為305.62m，下游最低通航水位為292.70m。

1.2 研究的內容和方法

（1）通過上引航道外導墻5種結構方案的試驗，分析研究實體和透空以及不同型式的透空對上引航道內水流條件的影響。

（2）通過下引航道外導墻4種結構方案的試驗，分析研究實體和透空以及不同型式的透空對下引航道內水流條件的影響。

（3）通過船模試驗分析上、下引航道導墻的結構型式對上、下引航道內水流條件以及船舶航行安全的影響。

1.3 上引航道外導墻結構型式對水流條件的影響

（1）上引航道外導墻不同結構型式。

為減小上引航道內的回流區域，消除在外導航墻附近存在的繞流和往復流態的影響，對上引航道外導墻作了5種方案的研究，其中方案一為實體重力式；方案二～方案五均為透空式結構。透空結構孔的中心距10m、透空高程295.27～308.5m，孔寬分別為8 m、6.6m、5.5m和3.7 m，孔軸線與墻縱軸線的交角分別為90°、60°、45°和30°，交角為順時針方向。上引航道外導航墻不同結構型式及布置見圖2。

圖2 金溪船閘上引航道外導墻不同結構型式圖Fig.2 Different structure forms of outer guide wall for upper approach channel of Jinxi shiplock

（2）上引航道外導墻不同結構型式的通航水流條件。

模型試驗結果表明，上引航道口門區流速、流態與外導墻直線段的透空范圍及透空方式有一定關系。當透空范圍越小，則內導墻堤頭處的繞流強度越強，上引航道內的往復流強度越大，引航道口門內的橫流越弱；當透空范圍相同情況時，透空孔軸線與外導墻軸線的夾角越小，則外導墻堤頭處的繞流越強，上引航道內的往復流強度越大，口門區的橫流越弱。

綜合試驗結果，結合金溪樞紐的具體布置情況，船閘上引航道外導墻的透空型式推薦采用方案四。

1.4 下引航道外導墻結構型式對水流條件的影響

1.4.1 實體外導墻

船閘下引航道內導墻為主導航墻，呈直線布置，總長441m；外導墻為輔導墻，采用實體重力式結構，總長180m，其中擴展段長100 m，直墻段長80 m。下引航道外導墻平面布置見圖3。

（1）通航水流條件。試驗測定了各級通航流量下，下引航道外導墻堤頭范圍和引航道的縱橫流速情況，結果表明：在Q≤8 000 m3/s的各級通航流量下，下引航道的縱向流速、橫向流速和回流流速除個別點以外，均基本滿足要求；當流量Q=10 000m3/s和14 500 m3/s時，下引航道尾端外側邊緣，縱向流速分別達2.59m/s和2.67 m/s，下引航道左側主導航墻邊緣最大回流流速分別達到0.71 m/s和0.82 m/s，且回流區域較大，易形成泥沙淤積。

（2）船模試驗。試驗結果可見，船隊進閘上行和下行的難度隨流量的加大而加大。在Q=14 500 m3/s時，船隊上行的最大舵角已接近試驗安全限值，在謹慎駕駛的情況下，船隊可通過連接段和口門區自航駛入引航道。船隊下行的最大舵角已超過試驗安全限值，操縱難度較大。

1.4.2 不同透空型式外導墻

下引航道外導墻選用4種不同的透空型式，4個方案的孔中心距均為10m，透空高程都在289.70～302.40m，孔寬和孔軸線與墻縱軸線的交角各方案有所不同。其中方案一孔寬8 m、孔軸線與墻縱軸線垂直；方案二孔寬6.6m、孔軸線與墻縱軸線呈60°；方案三孔寬5.5m、孔軸線與墻縱軸線呈45°；方案四孔寬3.7 m、孔軸線與墻縱軸線呈30°，交角均為逆時針方向。4種方案的布置見圖3。

從船閘下引航道外導墻直線段采用不同透空型式布置的試驗結果看，透空高程為289.70～302.40m，透空孔寬5.5～6.6m，透空孔軸線與導航墻縱軸線的交角呈45°～60°（逆時針方向）的情況，可以較為有效地解決下引航道回流流速較大的問題，有利于減少下引航道內的泥沙淤積，對改善下引航道的通航水流條件是較可取的一種布置方案。

1.5 實體結構與透空結構外導墻對比

通過對上、下引航道外導墻實體式結構和透空式結構型式的試驗研究，可以看到，透空結構方案可以有效地改善水流流態，特別在大、中洪水流量時，基本消除了上下引航道外導墻堤頭附近所出現的繞流流態，以及主導墻和輔導墻邊緣所存在的不穩定往復流態，調順了口門區的水流流向，并壓縮或消除了回流區域。船模試驗也反映出了船舶航行的各項參數指標得到改善，如航程減短，航速加大，舵角減小等，充分顯示了透空式結構有較大的優越性。

圖3 金溪船閘下引航道外導墻不同結構型式圖Fig.3 Different structure forms of outer guide wall for lower approach channel of Jinxi shiplock

2 透空式導航墻在嘉陵江船閘工程中的應用

2.1 紅巖子船閘［6］

紅巖子樞紐位于嘉陵江干流中游，在工程前期研究和設計過程中，為改善船閘上引航道口門區通航條件，對上引航道外導航墻的結構型式進行了研究。

（1）外導航墻兩種透空結構方案。外導墻兩種透空結構分別為支柱式和支柱薄板式。支柱式是完全透空，水流受導墻的影響較小，利于泄洪及排沙，但引航道內水流條件較差，船舶進出較為困難。支柱薄板式是在距引航道設計底高程4.7 m以上加一擋板阻擋表面水流，使上部水流趨于靜水，利于通航，離地面4.7 m的范圍內支柱透空，使底部暢流，帶走進入引航道的泥沙。支柱式與支柱薄板式結構如圖4所示。

（2）兩種透空結構方案的效果研究。通過整體水工模型試驗對支柱式和支柱薄板式兩種結構的水流條件進行了研究，結果表明，采用支柱薄板式結構，引航道內的縱向流速和橫向流速都相對較小。設計最高通航流量17 500m3/s時，支柱薄板式的最大橫向流速（口門靠河心處）為0.6m/s，最大縱向流速為4.0 m/s；而支柱式在該處的最大橫向流速為1.4 m/s，是支柱薄板式的2.33倍；最大縱向流速為4.6 m/s，是支柱薄板式的1.15倍。

可見，支柱薄板式結構可較好地解決上引航道外導墻對水流的挑流作用，改善引航道內及口門區的水流條件，有利于船舶的安全通行。

2.2 新政船閘［7-8］

（1）上引航道設計方案及其通航條件。

新政樞紐位于嘉陵江干流中游，其上游即為紅巖子樞紐。在新政船閘設計方案中，上引航道內導墻為主導墻，長240 m。外導墻為輔導墻，長180 m，其中擴展段長90 m，直線段長90 m，口門寬40 m（圖5）。內、外導墻均采用實體重力式結構。為優化船閘總體布置，開展了整體水工模型試驗研究。

模型中試驗了各種水庫運行方式下船閘上引航道的水流條件，試驗結果表明，在流量Q≥8 000 m3/s后，由于泄洪閘下泄流量增大，上引航道口門區水流向泄洪閘一側偏轉，特別是在上引航道外導墻附近流線急劇彎曲，出現較為明顯的繞流流態，使該處橫向流速達0.5～0.6m/s，不利于船舶安全進出閘；另外隨著流量的增大，上引航道及連接段最大縱向流速已接近2.5m/s，不能滿足安全通航的要求。

圖4 紅巖子船閘上引航道外導墻支柱式和支柱薄板式結構圖Fig.4 Pillar and pillar-sheet structure drawing of outer guide wall for upper approach channel of Hongyanzi shiplock

圖5 新政船閘上引航道設計方案Fig.5 Design plan of upper approach channel of Xinzheng shiplock

（2）上引航道建筑物修改方案及其通航條件。

修改方案是將實體重力式內主導墻長度由240 m減短為120 m，并增設6個導流墩，其中心距為20m，以拓展水域，增大過流面積，改善通航水流條件；同時，將外導墻長度由180 m增加至210m，其中實體重力式結構長150m，透空墩柱承臺式結構長60 m，以分散引航道口門處水流，調順水流流向。修改方案見圖6。

圖6 新政船閘上引航道修改方案Fig.6 Revised plan of upper approach channel of Xinzheng shiplock

試驗結果表明：修改方案有效地改善了大、中流量下船閘上引航道外導墻堤頭附近的流態，減小了橫向流速。當流量Q=8 000 m3/s和17 900 m3/s時，在上引航道口門附近區域最大橫向流速已由設計方案的0.53 m/s和0.62 m/s分別降低到0.28 m/s和0.43 m/s。可見，采用透空式結構對改善上引航道通航水流條件有一定的實際效果。

由船模試驗可知，當流量Q≤12 100m3/s時，只要操縱得當，船隊可順利從船閘引航道駛出上行通過上引航道口門區和連接段，或順利地下行通過連接段和口門區駛入引航道。

2.3 鳳儀船閘

鳳儀樞紐位于嘉陵江干流中游，四川省南充鳳山鄉境內。鳳儀樞紐所在河段為微彎河段，該河段河床寬約600 m，左右兩岸岸坡均較陡，河床形態呈U形斷面。樞紐從左至右依次布置有左岸擋水壩、電站廠房、3孔沖沙閘、19孔泄洪閘、船閘及右岸擋水壩等建筑物。

下游引航道寬為40 m，按向河心側擴展方式布置，其中下引航道內墻為主導航墻，長160 m，外導航墻為輔導航墻，輔導航墻擴展段與直墻段長分別為90 m和70m，擴展段采用圓弧型曲線（圖7）。

模型試驗研究發現，鳳儀船閘下引航道設計方案在中小流量情況下，受河床地形條件的影響，電站尾水和沖砂閘下泄的水流直沖下引航道口門區外導墻岸壁，造成口門區回流流速較大，流態較差，下引航道口門區及連接段流速分布極不均勻，縱橫向流速均不能滿足現行技術標準的要求。通過采取對下游河道實施大范圍的開挖整治和在下引航道擴展段導航墻上設置3 m×2 m的底孔（底孔高程與下引航道底高程齊平，方向與外導墻弧型垂直）的工程措施，有效地調順了壩下游水流流向，使得下引航道口門區的回流區域及回流流速都有較大的減小，流速向均勻化方向發展。說明下引航道外導墻采用開孔的結構布置，對下引航道口門區及連接段的流速分布，降低回流流速，改善通航條件具有較明顯的效果。

圖7 鳳儀船閘下引航道結構布置圖Fig.7 Sketch of lower approach channel of Fengyi shiplock

2.4 小龍門船閘

小龍門樞紐位于嘉陵江干流中游，下距南充市區約6 km。小龍門所在河段為相對順直河段，地勢較平緩。該河段枯水河寬約400m，洪水河寬達1 000m以上。樞紐從左至右依次布置有左岸接頭壩、電站廠房、泄洪沖沙閘、船閘、右岸接頭壩。

據水工模型試驗，嘉陵江小龍門船閘上引航道原方案由于伸入河床太多，在堤頭部分產生挑流作用，橫向流速過大，在流量Q＞6 500 m3/s以后的各級通航流量，泄洪閘敞泄情況下，口門區縱橫向流速均全面超標，無法滿足設計船隊安全進出閘的要求。因此對原設計方案進行了調整，通過適當減小外導墻的長度，將上引航道主導墻由385 m縮短至190 m，調整輔導墻擴展段圓弧半徑，加長輔導墻直線段長度并對堤頭直線段采取透空結構型式，在外導墻的中部58 m范圍內，設置8個3 m×6 m的底孔，底孔與上引航道底高程齊平，與外導墻呈64°夾角。修改后上引航道內的流速分布趨于均勻，緩流區水域擴大，通航條件有明顯改善。

嘉陵江小龍門船閘上引航道結構布置見圖8。

圖8 小龍門船閘上引航道結構布置圖Fig.8 Sketch of upper approach channel of Xiaolongmen shiplock

2.5 草街船閘［9］

草街樞紐位于嘉陵江干流下游，重慶合川市草街鎮。嘉陵江在此納涪江、渠江入匯，有一閘鎖三江之勢。樞紐布置在牛鼻孔、象鼻子和草街3個連續彎道上。樞紐從左至右依次為船閘、電站主副廠房、沖砂閘、泄洪閘、固定壩段等建筑物。

草街船閘下引航道呈喇叭形對稱布置，引航道長約460m，口門寬78m，外導航墻長為340 m，外導墻采用實體重力式結構。

模型試驗測試了各種水庫運行方式下引航道的水流條件，由實測流速分布可見，在各級水流條件下，引航道口門最大回流流速都超出規范允許值0.4m/s。

針對出現的情況，對設計方案進行了調整，將下引航道外導墻延長至460 m，末端的100 m導墻由實體重力式改為順水流流向的透空式。開孔頂高程185.0 m，孔寬5.0 m。并將引航道對稱型調整為非對稱型，口門寬度由78 m減小為65 m，減小了口門迎流寬度。嘉陵江草街船閘下引航道結構布置見圖9。

圖9 草街船閘下引航道結構布置圖Fig.9 Sketch of lower approach channel of Caojie shiplock

模型試驗結果表明，由于下引航道外導墻順流開孔引流較多，增大了引航道內水體的波動。因此對開孔方向進行了調整，將孔口由順水流向調整為垂直水流方向布置。方案調整后，各級試驗流量條件下，下引航道的水流條件大改善，口門區內縱橫向流速都在相關技術標準允許范圍之內?；亓髁魉俪吘墏€別點外都在規定的0.4m/s以內。

3 嘉陵江船閘透空式導航墻的應用經驗

（1）適用條件。研究成果及工程實踐表明，引航道透空式導墻的適用條件主要有：①河面相對較窄，壩軸線位于彎曲河段，河道主流的剪切影響造成引航道口門區橫向流速較大，或是彎道的影響，伸出的外導墻影響溢流和電站的引流；②河道流速較大，尤其是河道主流與引航道的夾角較大；③洪枯水位變幅相對較大。

（2）類型的選擇。通過對典型工程的研究，對引航道透空式導航墻的類型選擇有以下幾點認識：①獨立墩柱結構適宜布置在引航道的堤頭，以調順口門區的水流條件；承臺式結構適宜布置在導航段，用以調整流速，減少淤積。②獨立墩柱的開孔方向與船閘軸線的夾角，應大于口門區水流流線與船閘軸線的夾角；其頂高程一般為設計最高通航水位加超高。③承臺式的開孔寬度影響口門處的水流條件以及船舶航行的安全，開孔寬度越大，對口門區橫向水流的改善越明顯，但對縱向流速的影響也越大，對船舶航行的技術要求就越高。④承臺式結構的透空頂底高程受口門處水流條件、設計河底高程和地形條件等因素的影響。頂高程需試驗論證，底高程一般為設計河底高程。若天然地形較低，為增加透空范圍，其底高程也可為原地面高程。⑤船閘在左岸時，承臺式墩柱的開孔方向在上引航道宜順時針方向旋轉，在下引航道應逆時針方向旋轉。船閘在右岸時則反之。其與船閘軸線的夾角，應大于口門區水流流線與船閘軸線的夾角。⑥上下引航道靠近閘首段，為保證船舶進出閘的安全，宜采用實體式結構。

（3）需要注意的問題。引航道導航墻結構型式的選擇受多種因素的制約，影響引航道導航墻結構選型的主要因素包括：樞紐所在河段的河勢和水流條件、河道主流與引航道的夾角大小、設計船型的可操縱性、河道的泥沙含量以及淤積范圍等等。在選型時應注意以下幾方面：①正確分析樞紐所在河段的河勢與水勢是合理選擇結構型式的前提。②透空式結構可有效地減小引航道口門區的橫向流速，但加大了引航道內的縱向流速，兩種因素同時影響過閘船舶，因此，選型時必須結合船舶的操作性能。③合理確定透空式結構的透空范圍、型式、透空部位的高程將直接關系引航道內水流、泥沙條件改善的效果。④引航道導墻結構的布置型式，宜參照同類工程進行選擇和布置。當條件復雜時，宜通過模型試驗確定引航道導墻結構的細部尺寸。

4 結語

船閘引航道導航墻的結構型式對通航水流條件的影響較大，特別在山區通航河流上修建水電或航電樞紐時，受山區河流特有的地形地貌、水文條件以及樞紐總體布置的影響，可供布置通航建筑物的河段有限，通過改變引航道導航墻或導航堤的平面布置來改善通航條件的措施往往難以實現。嘉陵江船閘工程建設中，采用不同結構型式的透空導航墻，一方面可縮短引航墻長度，減少了樞紐所處河段對選址的約束條件；另一方面，也拓寬了解決引航道口門區通航水流條件的設計思路。透空式結構的應用，有效地改善了引航道及口門區的水流條件、減少了引航道內的泥沙淤積。同時，透空式結構大大減少了工程量，對降低工程造價，提高工程建設的經濟效益也有積極的意義。

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Research and application of permeable guide wallof ship lock in Jialing River

WANGW ei,LUWen-lei
(Sichuan Communication Surveying&Design Institute,Chengdu 610017,China)

In order to solve the problems related to navigation flow conditions in entrance area and approach channel of ship locks in Jialing River,permeable guide wall structure was analyzed and utilized.Taking Jinxi ship lock as an example,the influence of different structural types of guide wall on flow conditions in entrance area of ship lock was researched through the over-all hydraulic model test.Also,the scale and arrangement of the holes on permeable guide wall were studied.Then the applicable conditions and selection of permeable guide wall and notes in selecting were summarized.

ship lock;permeable guide wall;over-all hydraulic model;test research;application;Jialing River

U 641.1

A

1005-8443（2013）04-0352-07

2013-03-04；

2013-05-21

王瑋（1961-），男，四川省成都市人，高級工程師，主要從事港口航道工程設計工作。

Biography：WANGWei（1961-），male，senior engineer.