西津二線船閘下游引航道口門區(qū)西竹坑支流匯入口布置 試驗研究

陸 峰，朱衛(wèi)國*，張緒進，麥建清

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司，南寧 530029；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400016)

在水運工程中，影響船舶航行的水流流態(tài)眾多，其中以斜流最為普遍。斜流是指在船舶航行過程中，與航跡線存在一定夾角的水流。引航道口門區(qū)水流條件受河流地形條件、樞紐整體布置形式、外流匯入及其他各種復(fù)雜邊界條件的影響，一般都會造成斜流、橫向環(huán)流、回流等不良流態(tài)現(xiàn)象[1-5]。西津二線船閘建設(shè)前，西竹坑支流斜向匯入一線船閘下游引航道口門區(qū)，實踐證明來流對一線船閘下游引航道口門區(qū)水流條件影響較小。受客觀條件影響，西津二線船閘下引航道軸線與西竹坑支流幾乎垂直相交(圖1)，平日間支流來流量較小，水流相對平緩，對通航水流條件影響較小；但遇山洪暴發(fā)時，水流湍急，流態(tài)紊亂，洪水沖入引航道口門區(qū)產(chǎn)生強勁斜流和大范圍回流，不能滿足船舶通航要求[6]，需在沖溝出口位置設(shè)計消能、改變流向等工程措施[7]來調(diào)整下引航道口門區(qū)水流流態(tài)和流速。在以往的研究中，對船閘引航道口門區(qū)連接段位于支流河口通航條件的研究較少，本文從設(shè)計出發(fā)并結(jié)合模型試驗，研究提出了滿足船舶安全要求的工程方案。

圖1 西竹坑支流河勢圖Fig.1 River regime of Xizhukeng tributary

1 工程概況

西津水利樞紐位于廣西橫縣郁江干流的中上游河段，壩址上游距南寧市167 km，下游距橫縣5 km，是一座以發(fā)電為主兼顧航運、灌溉效益的水利水電綜合利用工程。西津二線船按I級船閘標準建設(shè)，最大通過3 000 t級船舶，布置于樞紐右岸、一線船閘的右側(cè)，采用單級船閘。根據(jù)通航規(guī)模要求，二線船閘有效尺度為：長×寬×門檻最小水深=280 m×34 m×5.8 m。

2 設(shè)計條件

(1)特征水位。下游設(shè)計最高通航水位為56.90 m，下游設(shè)計最低通航水位為42.60 m。

(2)控制高程。下游停泊段設(shè)計底高程為35.70 m，下游口門區(qū)底高程為37.20 m。下游連接段航道底高程為37.20 m。

(3)西竹坑支流設(shè)計洪水。西竹坑支流流域面積為30.8 km2，長度10.05 km，平均比降9.66‰，流域無實測洪水資料，設(shè)計根據(jù)《水利工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》[8]，采用更符合廣西小河流(特別是集雨面積100 km2以下沒有實測流量而采用暴雨計算設(shè)計洪水)的推理公式法計算成果。其支流對應(yīng)不同頻率(5%，10%，20%，30%)的洪峰流量分別為198 m3/s、160 m3/s、121 m3/s和64.5 m3/s。

3 設(shè)計方案

為滿足下游引航道口門區(qū)安全通航水力條件要求[10]和西竹坑支流的泄洪能力要求，根據(jù)設(shè)計條件經(jīng)不斷優(yōu)化完善，設(shè)計初步擬定了兩個方案，方案一為以擴寬原支流河道入口為主的擴寬河道方案，方案二為以改變支流匯入口軸線與下游引航道軸線夾角為主的支流改道方案。

圖2 擴寬河道方案平面布置圖Fig.2 Layout plan for widening river scheme

3.1 擴寬河道方案

該方案將匯流口按原西竹坑河道位置向引航道口門區(qū)下游方向擴挖加寬至約102 m，使匯入口水流方向與下游引航道中心線呈約45°夾角斜交匯入。西竹坑支流左側(cè)底邊線平順為沿西竹坑原河道左邊線+下游半徑為30 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段+下游引航道匯入口呈45°角斜直線；右側(cè)底邊線平順為上游西竹坑原河道右邊線+往下游斜向開口的轉(zhuǎn)彎半徑為70 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段，整個匯入口平面呈勺子型布置(圖2)。

匯入口消能結(jié)構(gòu)長約170 m，從西竹坑與下游引航道口門區(qū)交匯處往西竹坑支流上游布置依次為：第四級導(dǎo)流消力池，池底高程36.00 m，與外側(cè)下游引航道口門區(qū)底高程37.20 m，池長38 m，上游寬約81 m；第三級導(dǎo)流消力池，池底高程38.00 m，池長約26 m，上游寬約59 m；第二級導(dǎo)流消力池，池底高程40.00 m，平均池長約44.5 m，上游寬約30 m，池內(nèi)下游側(cè)布置5個圓頭導(dǎo)流消力墩，各墩采用長條形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每個長10 m，間隔8.0 m，墩頂高程為48.5 m，底面高程為40.0 m；往上接1:2的斜坡段后，為第一級導(dǎo)流消力池，池底高程43.00 m，池長25 m，池寬約30 m。往上游接斜坡段，順接西竹坑上游原河槽地面。

圖3 支流改道方案平面布置圖Fig.3 Layout plan of tributary diversion scheme

3.2 支流改道方案

該方案將西竹坑匯流口向引航道口門區(qū)下游方向偏轉(zhuǎn)，結(jié)合下游引航道一期預(yù)留橫向巖坎圍堰布置，使匯入口水流方向與下游引航道中心線呈約25°夾角斜交匯入。左側(cè)底邊線為接西竹坑上游河槽左邊線橫跨西竹坑河槽的半徑為150 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段+中部與下游引航道匯入口呈25°角斜直線+下游半徑為5 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段與下游引航道口門區(qū)右邊線相切組成，右側(cè)底邊線為連接西竹坑上游原河槽右邊線的半徑為100 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段+中部與下游引航道口門區(qū)匯入口呈25°角斜直線+下游半徑為200 m的圓弧轉(zhuǎn)彎段與下游引航道口門區(qū)右邊線相切組成。整個匯入口上游順接西竹坑原河槽，與來水流方向夾角約110°，將西竹坑來水往右側(cè)改道匯進消能明渠，經(jīng)過消能后，匯入口下游水流與下游引航道中心線呈約25°夾角斜交匯入下游引航道口門區(qū)內(nèi)(圖3)。

整個匯入口消能結(jié)構(gòu)長約195 m，從西竹坑與下游引航道口門區(qū)交匯處往西竹坑支流上游布置依次為：第二級導(dǎo)流消力池，池底高程36.00 m，與外側(cè)下游引航道口門區(qū)底高程37.20 m，相差1.2 m。池長約56 m，下游與引航道口門區(qū)交匯處寬約129 m，上游寬50 m，通過長60 m、寬50 m、坡比為1:15的一級縱坡與第二級導(dǎo)流消力池相連。第二級導(dǎo)流消力池，池底高程40.00 m，池長20 m，池寬50 m。池內(nèi)布置4個圓頭導(dǎo)流消力墩，各墩采用長條形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每個長10 m，間隔8.0 m，墩頂高程為48.5 m，底面高程為40.0 m，墩體總高為8.5 m，墩體頂寬1 m，基底尺寸為3 m×12.0 m，深2 m。往上游接坡比為1:18、平面布置為圓弧轉(zhuǎn)彎的斜坡段后，順接西竹坑上游原河槽43.00 m高程地面。

4 模型試驗研究[11]

為了驗證上述工程措施的有效性、合理性，重慶西南水運工程科學(xué)研究所針對下游引航道右岸支流西竹坑匯入口做了水工物理模型試驗研究。

水工模型采用正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計。模型范圍由下引航道800 m(溝口上游0.4 km至下游0.4 km)和支流西竹坑入?yún)R口以上0.4 km的河段組成。本次試驗根據(jù)場地以及量測精度等要求，幾何比尺定為1:40。河道模型制作完成后，進行了地形校核和修正，使模型平面誤差小于±10 mm(模型值)，高程誤差小于±1 mm(模型值)。

表1 西竹坑支流匯入水工模型試驗工況Tab.1 Hydraulic model test condition for Xizhukeng tributary

根據(jù)西竹坑支流設(shè)計洪水計算成果，結(jié)合西津水庫調(diào)度運行方式，針對一、二線船閘下引航道分開布置方案，同時通過對西竹坑的歷史洪水調(diào)查，選擇2 a一遇洪水入?yún)R作為典型工況(表1)試驗研究西竹坑入?yún)R對下引航道口門區(qū)通航水流條件的影響。

4.1 工程前水流條件試驗

為了全面掌握支流西竹坑河段的水流條件，試驗觀測了二線船閘下引航道開挖形成后，在未對西竹坑入?yún)R口采取任何工程措施且二線船閘未泄水的前提下，實測了西竹坑流量為Q=64.5 m3/s時的水位、流速、流態(tài)情況。

圖4 工程前水流流態(tài)Fig.4 Water flow before the project

根據(jù)試驗成果：當(dāng)西竹坑遭遇2 a一遇洪水Q=64.5 m3/s時，溝口水位為44.19 m，而此時下引航道內(nèi)水位為42.64 m，在溝口處存在1.55 m的跌水，引起下引航道口門區(qū)水面波動(圖4)。西竹坑大橋以上由于河道比降相對較小，水流流速在1.5 m/s左右，而溝口流速較大(達3.09 m/s)，水流跌入下引航道內(nèi)，直沖左側(cè)隔流堤，最大橫向流速約為1.09 m/s,遇阻后折轉(zhuǎn)流向下游，最大流速達1.05 m/s，水面波動強烈，并在入?yún)R口上、下游兩側(cè)形成大范圍回流，回流強度分別約0.3 m/s和0.5 m/s。

4.2 擴寬河道方案試驗成果

試驗對擴寬原西竹坑支流河道入口為主的方案水流條件進行驗證，其水流流態(tài)圖、水流流速分布見圖5、圖6。該方案實施后，消力池底板高程降到36.0 m，溝口最小水深增加到6.0 m以上，試驗表明：在西竹坑支流2 a一遇流量下，由于消力池底板高程降低，西竹坑溝口水位降落1.71～0.82 m，此時溪口處跌水消失，溪溝入?yún)R水流呈淹沒狀態(tài)，引航道口門區(qū)內(nèi)水面平緩；西竹坑支流水流經(jīng)一次跌落消能和消力池碰撞二次消能后較平穩(wěn)地進入引航道口門區(qū)；靠引航道左側(cè)，溪口以下引航道內(nèi)形成微弱回流，回流長度約100 m，形態(tài)仍呈橢圓狀。因此，從流態(tài)來講，下引航道口門區(qū)內(nèi)流速分布較均勻，水面波動不大。

圖5 擴寬河道方案水流流態(tài)Fig.5 Flow pattern of widening river scheme圖6 擴寬河道方案流速分布Fig.6 Velocity distribution of widening river scheme

圖7 支流改道方案水流流態(tài)Fig.7 Flow pattern of tributary diversion scheme

試驗測得的西竹坑477縣道大橋以下最大流速為1.79 m/s；水流經(jīng)導(dǎo)流墩導(dǎo)流、兩次跌坎消能和消力池消能后進入下游引航道，消力池內(nèi)最大流速為0.91 m/s且與下游引航道成約45°夾角；下游引航道口門區(qū)內(nèi)局部流速較大，在Y13測速斷面，從引航道右岸至左岸約75 m范圍流速在0.19～0.45 m/s，與引航道軸線夾角在41°～63°，折算最大橫流流速為0.37 m/s，超出《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001) 對Ⅰ級船閘口門區(qū)橫向流速小于0.3 m/s的要求。

4.3 支流改道方案試驗成果

圖8 支流改道方案流速分布Fig.8 Velocity distribution of tributary diversion scheme

支流改道方案水流流態(tài)圖、水流流速分布見圖7、圖8。支流改道方案在泄流道內(nèi)設(shè)兩道消力坎，相當(dāng)于增設(shè)了兩個“消力池”，上游來流經(jīng)兩次消能后水流更趨于均勻，溝口基本為正向水流，無回流出現(xiàn)，水流平緩進入下引航道口門區(qū)，與引航道軸線的交角減小到20°左右，下引航道口門區(qū)左側(cè)為范圍較小的弱回流，右側(cè)順流帶較寬，下引航道口門區(qū)流態(tài)得到顯著改善。

試驗測得的西竹坑477縣道大橋以上最大流速為1.61 m/s，大橋以下，泄流道上段呈90°轉(zhuǎn)彎，過流斷面較窄，最大流速為5.21 m/s；水流經(jīng)兩道消力坎消能和一次消力池消能后進入下游引航道口門區(qū)，消力池內(nèi)最大流速為0.61 m/s且與下游引航道成約20°夾角；下游引航道口門區(qū)最大流速為0.6 m/s且與引航道軸線夾角小于10°，與引航道軸線夾角最大為29°，此處流速為0.34 m/s；經(jīng)折算最大橫流流速為0.16 m/s；下引航道口門區(qū)左側(cè)弱回流區(qū)回流流速多小于0.11 m/s；滿足《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001) 對Ⅰ級船閘口門區(qū)橫向流速小于0.3 m/s和回流流速小于0.4 m/s的要求。

5 結(jié)論

受客觀條件影響，現(xiàn)有西竹坑支流垂直匯入西津二線船閘下游口門區(qū)，西竹坑支流流域山洪暴發(fā)時，洪水沖入引航道口門區(qū)產(chǎn)生強勁斜流和大范圍回流，嚴重影響過閘船舶通航安全。因此，需采取適當(dāng)工程措施來確保引航道口門區(qū)水流滿足安全通航要求。在多方案論證篩選基礎(chǔ)上，設(shè)計提出了擴寬河道和支流改道兩個方案進行物理模型試驗驗證，根據(jù)試驗結(jié)果，選用支流改道方案時下引航道口門區(qū)水流流態(tài)、水流流速均滿足規(guī)范要求。