分汊河段河中布置船閘水沙礙航特性研究

普曉剛，宋 輝，金 輝，范 婷，閆 濤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.湖南省水運建設投資集團有限公司,湖南 長沙 410011)

1 研究背景

分汊型河道是我國沖積平原河道中的常見河型，分汊河道的水沙特性極為復雜，通常通過分流比、分沙比及分流角來描述[1]。分汊河段由洲頭分流段、汊道段和洲尾匯流段組成；一般洲頭分流段的河床演變對河勢控制與穩定作用較強，許多研究者開展了大量的汊道治理及航道整治方案研究[2-5]；而洲尾因受到洲體掩護和植被覆蓋，其沖淤強度一般小于洲頭段[6]，針對分汊河段洲尾匯流段水沙特性開展的研究相對較少。

分汊河道洲尾匯流段水沙特性與匯流角較小的對稱型干支交匯河道的匯流河段相似，許多學者針對交匯口流場分區、水流結構、水面形態、螺旋流、能量損失及泥沙特性等方面開展了研究[7-8]。考慮到分汊河段的匯流口水沙條件復雜多變，受兩股水流的剪切運動形成摻混區，發生紊動摻混，流速減小而致使泥沙在匯口處淤積，且隨著各汊道的水動力變化，摻混區隨之變化[9-12]，為保證船舶航行安全及航道穩定，依據《渠化工程樞紐總體布置設計規范》相關規定，水利樞紐平面布置時一般將通航建筑物靠河岸布置，如湘江長沙綜合樞紐、株洲航電樞紐等，船閘均在其中一個汊道靠岸側[13]。

然而受工程建設條件限制(如環境保護、文物保護)等原因不得不考慮將船閘布置于河中的可行性，如沅水桃源樞紐即為工程實例，船閘布置于河中，船閘下引航道口門區位于雙洲洲尾的河道中間，分汊河段河段的來水、來沙情況極為復雜，既存在流態礙航問題又存在泥沙淤積礙航問題，且兩方面相互矛盾又相互關聯[14-15]。針對分汊河段船閘河中布置時，船閘下游口門區處于分汊河段的洲尾匯流段的水沙礙航特性開展研究具有重要意義。依托沅水桃源樞紐工程，采用1∶100正態整體定床水流、定床輸沙與遙控自航船模試驗相結合的手段開展了試驗研究，結果表明水流條件是導致流態礙航與泥沙淤積礙航的根本因素，不同水期左、右汊不同下泄水流在匯流段形成單邊突擴或水流摻混交匯，致使下游口門區所處的匯流段水流流態差和推移質泥沙落淤礙航，分汊河段船閘河中布置應慎重考慮。

2 樞紐概況

桃源樞紐是沅水干流最下游一個梯級，壩址位于桃源縣城，上游梯級為凌津灘樞紐[16]。桃源樞紐于2010年11月動工興建，電站于2013年9月首臺機組并網發電，2014年底9臺機組全部投產。桃源樞紐開發任務以發電為主，兼顧航運等綜合利用。樞紐主要建筑物從左至右依次為左汊14孔泄水閘、船閘、右汊電站、右汊11孔泄水閘[17-18]。

泄水閘壩段布置于河道兩側主槽，左槽布置14孔，右槽布置11孔，孔口凈寬20 m。電站廠房布置于雙洲中的陳家洲，電站廠房裝機9臺，單機容量22 MW。

船閘為500 t級，在雙洲左側的小洲中部開挖而成[16]，閘室有效尺寸為200.0 m×12.0 m×2.5 m(長×寬×門檻水深)。下游引航道采用直進曲出的方式布置，引航道寬40 m，長390 m。引航道導航墻為重力式結構，左、右側分別長557、471 m。

桃源樞紐運行調度方式如下：(1)當Q≤3 600 m3/s時，泄水閘關閉，位于右汊的電站發電。(2)3 600 m3/s

3 模型簡介

3.1 模型設計與驗證

圖1為桃源樞紐物理模型范圍，模擬原型河道長度約為8 km，采用1∶100正態定床，模擬壩上河段長3.2 km、壩址河段長4.8 km，寬700～1 600 m不等。模型對枯水(300 m3/s)、平水(2 100 m3/s)、豐水(6 000 m3/s)共3級典型流量的水位和流速進行了驗證，結果表明各沿程水位和斷面流速的誤差均在允許范圍內，滿足規程要求，模型達到了阻力相似與水流運動相似的要求[20]。

圖1 桃源樞紐物理模型范圍

定床輸沙試驗除滿足水流運動相似外，還必須滿足泥沙起動相似，采用重力相似準則。實測原型沙中值粒徑為30 mm，模型沙選用無煙煤加工制作，選用長江實測起動流速經驗公式和天津水運工程科學研究所水槽試驗起動流速公式分別計算原型沙和模型沙的起動流速，結果表明，當粒徑比尺為20時滿足泥沙起動相似，故模型沙中值粒徑為1.5 mm[20]。船模比尺亦為1∶100，試驗船型為1 000 t級船舶。在進行船模航行試驗前，對船模的靜水性能和運動性能進行了校準。

3.2 通航標準

按照《內河通航標準》要求，IV級船閘的引航道口門區水流表面最大流速限值為：平行于航線的縱向流速不大于2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速不大于0.3 m/s，回流流速不大于0.4 m/s，另外在引航道口門區應避免出現影響船舶、船隊航行和停泊的泄水波、泡漩和亂流等不良水流。

3.3 試驗典型流量及口門區范圍

根據研究河段特點，結合樞紐運行調度方式，選取表1中6級代表流量開展分汊河段船閘河中布置水沙礙航特性試驗研究。依據《船閘總體設計規范》，取距左側導堤末端0～400 m范圍為現狀條件下桃源船閘下引航道口門區。

4 河中布置船閘下游水流礙航特性

分汊河段河中布置船閘時，受樞紐左、右兩汊泄水建筑物不同調度運行方式的影響，邊界條件復雜，造成各時期下游口門區礙航特性有所不同。表2為各級典型流量下船閘下游口門區水流特性參數。

表1 試驗典型流量級 m3/s

表2 典型流量下船閘下游口門區水流特性參數

(1)僅電站泄流期(Q≤3 600 m3/s)。圖2為最小通航流量Q=400 m3/s時船閘下游航道附近模型流態與原型流態。電站下泄水流歸槽，壩下左汊河道及右汊河中心灘均不過流，電站尾水出尾水渠后，一股水流沿船閘右導堤外側與心灘之間深槽進入船閘下游口門區，另一股水流出尾水渠后向右岸偏轉，沿心灘右側深槽下泄。進入口門區的水流較為集中，流速較大，在口門區形成自右向左的斜流。距左導墻堤頭0～200 m范圍內橫向流速超出規范要求，最大橫向流速達0.52 m/s，發生在0+100 m處。距左側導墻末端-30～70 m范圍內為回流區，回流流速0.43 m/s。

隨電站下泄流量增加，壩下左汊河床灘地逐漸淹沒，右汊心灘逐漸漫水過流。船閘下游口門區形成自右向左的單邊擴散水流，水流斜穿口門區向左汊及下游河道擴散，且隨右汊電站出流的增加，口門區斜流范圍及流速逐漸增加，最大橫流位置亦相應下移。僅電站發電期(Q=3 600 m3/s)匯流段流場見圖3。

圖2 Q=400 m3/s時船閘下游航道附近模型流態與原型流態

由圖3可以看出，電站滿發流量Q=3 600 m3/s時，電站尾水在100～470 m范圍內從右側進入航道，并在250～500 m范圍內左側沖出航道，并在左側灘地形成大尺度回流，回流一部分侵占0～200 m范圍航道中心線左側區域。距左導墻末端100～200 m范圍中心線右側航道橫向流速大于0.3 m/s，200～530 m范圍內航道橫向流速均大于0.3 m/s。口門區最大橫向流速為0.92 m/s，發生在250 m處。口門區0～200 m范圍內存在3個回流區，流態較亂，回流流速0.42 m/s。

圖3 僅電站發電期(Q=3 600 m3/s)匯流段流場

(2)控泄期(3 600 m3/s

Q=5 000 m3/s時，左汊泄流對右側電站尾水形成一定的對沖，口門區橫向流速較小，但流態較亂。右側航道70～210 m范圍內橫向流速大于0.3 m/s，最大橫流流速為0.53 m/s。左側航道180～250 m范圍內橫向流速大于0.3 m/s，最大橫流流速為0.61 m/s。口門區存在多個回流，回流流速均小于0.2 m/s。控泄期(Q=7 000 m3/s)匯流段流場見圖4，由圖4可以看出，Q=7 000 m3/s時，左汊水流強于右汊水流。口門區中心線左側航道范圍內橫向流速大于0.3 m/s，最大橫向流速0.53 m/s，發生在400 m處。口門區內0～150 m范圍內為回流區，回流流速0.23 m/s。

圖4 控泄期(Q=7 000 m3/s)匯流段流場

(3)敞泄期(Q≥8 800 m3/s)。敞泄期電站停機、左右兩汊泄水閘全部開啟，左導墻挑流作用導致口門區中心線左側航道橫流稍大；Q=10 000 m3/s時，口門區中心線左側航道內橫向流速大于0.3 m/s，最大橫向流速為0.52 m/s，發生在350 m處。

由上可見，①僅電站泄流期，河中布置船閘枯水期擴展比大，與一般靠岸布置的船閘相差較大。主流斜穿下游口門區航道，左向斜流較大的區域可覆蓋整個航寬，且橫向流速大，這種大范圍的斜流水域非常不利于船舶的航行安全。②控泄期斜流礙航成因較為復雜，左汊河床高于右汊0.8～1.5 m、航道深槽低于兩側河床，隨左汊過流增加并逐漸大于右汊，左汊主流橫穿航道形成右斜流礙航。此外，兩側導墻左長右短的布局，以及右岸采砂坑對流場的影響也是導致口門區流態礙航的成因之一。③敞泄期礙航流態主要是因為左導墻外挑導致，與控泄期相比流速雖有所增加，但橫流流速超標范圍有所減小。

5 河中布置船閘下游泥沙淤積礙航特性

桃源樞紐為已建樞紐，受清水下泄影響，壩下河床劇烈調整。同時，桃源樞紐壩下河段河床質在施工期即開始迅速粗化，以推移質運動為主，整體呈“沖灘淤槽”的單向演變趨勢，同時壩下河段沖刷在時間和空間上具有不斷減弱的變形特征。圖5為各級典型流量下定床輸沙試驗結果，可以看出河中布置船閘下游泥沙淤積礙航特性如下：

(1)僅電站泄流的枯水期，水流歸槽，電站尾水流速較大，水流挾沙能力沿程衰減，各級流量輸沙帶前坡止動于距口門下約760～980 m范圍內，隨流量增加止動位置略有下移。口門區泥沙淤積主要來自電站尾水渠下游深槽河床沖刷。壩下右汊灘槽格局形成于施工期，在運行期受電站尾水沖刷固化，形成V型深槽。電站尾水被深槽束縛，出尾水渠后不能有效擴散，導致水流強度過大，進而促使右汊河床質持續補充推移質沙源，推移質泥沙進入船閘口門區形成持續淤積。電站尾水水流強度較大是導致航槽回淤的主要成因。

(2)控泄期兩汊同時泄流，右汊為電站泄流，左汊為泄水閘泄流。Q=5 000 m3/s時左汊輸沙帶前坡止動于支汊內，未進入航道。右汊輸沙帶前坡止動于口門下游430 m處；航道泥沙淤積礙航成因與枯水期一致(電站尾水水流強度較大)。Q=7 000 m3/s時，左汊動力條件較強，輸沙帶可一直延伸至下游主航槽，主流帶內泥沙呈躍移模式。壩下河床以短期推移質泥沙運動為主，推移質泥沙具有沿主流運動，并在摻混區與主流交界處形成泥沙堆積帶的特征。因此，輸沙帶前坡下移后，因摻混區與主流帶交界面斜穿航道，導致大量泥沙淤積在航道內。

(3)敞泄期水流橫向流速梯度較小，河床推移質泥沙普遍進入滾動輸移狀態，此時航槽內水深大于航槽外水深，同時摻混區與主流交界面水流紊亂，造成局部挾沙力下降，形成泥沙淤積。

綜上泥沙淤積礙航特性可以看出，壩下河床輸沙帶呈右汊電站尾水強度大以及摻混區與主流帶斜穿航道是導致泥沙淤積礙航的主要原因。

圖5 各級典型流量下淤積體前坡止動位置(單位：m3/s)

6 結 論

(1)建于分汊河段河中的樞紐船閘工程，受樞紐左、右兩汊泄水建筑物不同調度運行方式的影響，船閘下游口門區位于匯流區，水流運動流態復雜，可分為單邊突擴水流、交匯水流兩種典型流態。

(2)僅電站泄流的枯水期，船閘下游口門區為單側突擴水流流態，電站尾水從右導墻外側進入口門區，水流集中，流速較大，在口門區形成從右至左的斜流，并伴有回流；水流歸槽，電站尾水流速較大，泥沙大量起動，將電站下游河床的推移質輸送至航道內，造成下游口門區大范圍淤積。

(3)控泄期及敞泄期，左、右兩汊均下泄水流，船閘下游口門區為分汊河段水流交匯區，左向斜流與右向斜流交叉分布，回流叢生，通航水流條件較差。航道內淤積物主要來源于左、右汊壩下河床的推移質泥沙，由于推移質泥沙具有沿主流運動，并在摻混區與主流交界處形成泥沙堆積帶的特征，而摻混區與主流帶斜穿船閘下游航道，導致大量泥沙淤積在航道內。

(4)分汊河段船閘布置于河中時應慎重考慮，當船閘位置受限必須布置于河中時，應充分考慮過水建筑物泄流、壩下沖刷等對船閘通航的影響，船閘下游口門區應遠離摻混區，在工程河段水沙特性的基礎上，通過模型試驗研究選取較優的布置方案。