大洑潭已建船閘下游航道通航水流條件改善措施研究
2020-11-11 06:40:48張愛(ài)平普曉剛
水運(yùn)工程 2020年10期
王 能，張愛(ài)平，普曉剛
(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)
通訊作者：普曉剛(1979—)，男，副研究員，從事樞紐和航道工程研究。E-mail： pxg0961@163.com。
船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件是影響船舶安全進(jìn)出閘的重要因素，在船閘工程中受到廣泛關(guān)注。船閘與樞紐其他主要水工建筑布置可分為集中式和分散式2種方式。對(duì)于分散式布置的船閘，可根據(jù)河勢(shì)條件靈活布置，減小樞紐運(yùn)行因素對(duì)于船閘的影響，建成后運(yùn)行效果較好，如湘江大源渡樞紐船閘[1]、郁江桂平樞紐船閘[2]；集中式布置的船閘，為減小電站發(fā)電、樞紐泄洪等對(duì)船舶進(jìn)出閘的影響，一般將船閘布置在靠岸側(cè)，再輔以航線優(yōu)化、調(diào)整導(dǎo)航墻長(zhǎng)度、改變導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)形式、采用導(dǎo)流墩群等措施改善船閘口門區(qū)通航水流條件，如長(zhǎng)洲樞紐船閘[3]、長(zhǎng)沙樞紐船閘[4]等。由于相關(guān)問(wèn)題的復(fù)雜性，2種形式船閘的平面布置均需要在工程建設(shè)前期通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究確定。
目前，我國(guó)仍有部分船閘因建設(shè)前期缺乏必要的研究，在船閘建成運(yùn)行后即存在較大的通航安全問(wèn)題，如五強(qiáng)溪樞紐[5]、桃源樞紐[6]、大洑潭樞紐等。與新建樞紐不同的是，已建船閘的總體布置無(wú)法改變，工程限制性因素較多，通航水流條件的改善措施比較受限，是目前船閘工程整治的難點(diǎn)。本文以大洑潭樞紐船閘下游為例，采用1:80正態(tài)整體水工物理模型試驗(yàn)，在研究分析現(xiàn)有船閘通航水流礙航特性的基礎(chǔ)上，研究已建江心洲側(cè)船閘下游通航條件改善措施，可為類似工程提供借鑒。
1 河段及樞紐概況
沅水屬于我國(guó)“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”高等級(jí)航道布局中的重要一線，是湖南省骨干航道之一。根據(jù)2007年《全國(guó)內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》，沅水三板溪—常德667 km航段為Ⅳ級(jí)航道，常德以下192 km航段為Ⅲ級(jí)航道。沅水三板溪以下共規(guī)劃建設(shè)13級(jí)樞紐，目前除魚潭樞紐未建外，其余樞紐均已建成。
大洑潭樞紐位于湖南省懷化市辰溪縣境內(nèi)，在常德上游約317 km，為桃源樞紐向上游的第5個(gè)梯級(jí)(魚潭樞紐未建)。大洑潭樞紐壩址處控制流域面積約4.6萬(wàn)km2，占沅水流域面積的51.37%，樞紐正常蓄水位129.0 m，死水位127.5 m，庫(kù)容約2.62億m3，其中發(fā)電有效調(diào)節(jié)庫(kù)容0.345億m3，電站在左岸裝設(shè)有5臺(tái)單機(jī)容量40 MW的燈泡貫流式機(jī)組。
大洑潭樞紐是一個(gè)以發(fā)電為主兼顧航運(yùn)等綜合利用的水電站，通航建筑物按IV級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，通航500噸級(jí)船舶。船閘布置于分汊河段左汊的木洲左側(cè)(圖1)，船閘下游口門距離壩軸線約400 m，距離洲尾約1 000 m。木洲平面上接近菱形，長(zhǎng)約2 000 m，平均寬約500 m，洲面高程125.0～143.6 m，洲體較高，船閘下游引航道口門區(qū)及連接段位于左汊下段和左、右兩汊道交匯處，來(lái)水情況極為復(fù)雜，口門區(qū)和洲尾連接段航道內(nèi)橫流較大，船舶通航存在較大問(wèn)題。
圖1 大洑潭樞紐及壩區(qū)河勢(shì)
2 模型試驗(yàn)
2.1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
模型試驗(yàn)研究范圍為樞紐上游1.8 km、下游3.7 km，河段寬度500～1 100 m不等，根據(jù)2017年5月實(shí)測(cè)1:2 000河道地形圖，按照水流運(yùn)動(dòng)相似性基本原則建立1:80正態(tài)模型，模型相似比尺：流速比尺8.94，流量比尺57 243.34，糙率比尺2.07，水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺8.94。
模型制作完成后，為了保證模型與原型水流運(yùn)動(dòng)相似，依據(jù)實(shí)測(cè)1 743、4 051和6 516 m3s 3個(gè)流量級(jí)進(jìn)行水面線及流速分布驗(yàn)證試驗(yàn)，見圖2、3。
圖2 沿程水位驗(yàn)證對(duì)比
圖3 典型流量(6 516 m3s)斷面流速驗(yàn)證
驗(yàn)證表明，模型與原型沿程各測(cè)點(diǎn)水位誤差均在±0.1 m內(nèi)，斷面流速分布趨勢(shì)與原型基本一致，典型斷面的流量閉合差均未超過(guò)±5%的允許偏差要求，滿足誤差要求，模型的水流運(yùn)動(dòng)與原型相似。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型試驗(yàn)，其成果是可靠的。
2.2 模型試驗(yàn)典型流量選取
為了較準(zhǔn)確地獲知壩區(qū)河段水流特性和船閘通航水流條件，根據(jù)大洑潭樞紐的主要運(yùn)行方式，結(jié)合主要特征通航流量等，重點(diǎn)研究4種試驗(yàn)流量工況(表2)。
大洑潭樞紐運(yùn)行方式為：1)當(dāng)Q≤2 400 m3s(電站最大引用流量)時(shí)，來(lái)流全部通過(guò)右汊下泄用于發(fā)電，左汊通航；2)當(dāng)2 400 m3s
表2 模型試驗(yàn)工況
2.3 通航標(biāo)準(zhǔn)
按照《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：IV級(jí)船閘，在引航道口門區(qū)的有效水域范圍內(nèi)，水流表面縱向流速vy≤2.0 ms，橫向流速vx≤0.3 ms，回流流速v0≤0.4 ms。一般認(rèn)為連接段通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)介于口門區(qū)與內(nèi)河航道之間，采用縱向流速vy≤2.5 ms、橫向流速vx≤0.45 ms 作為控制參數(shù)[7]。
3 現(xiàn)狀條件下船閘下游礙航特性
現(xiàn)狀條件下已建大洑潭船閘下游航道通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 下游口門區(qū)及洲尾段通航水流條件
船閘下游口門區(qū)處于左汊河道的木洲左側(cè)，流量小于2 400 m3s時(shí)，僅有右汊靠右岸側(cè)電站出流，左汊河道及船閘下游口門區(qū)內(nèi)為靜水區(qū)，通航水流條件較優(yōu)。隨著流量增加，左汊泄水閘逐漸開啟，船閘下游引航道導(dǎo)航墻過(guò)短，其掩護(hù)作用偏弱，泄水閘出流過(guò)導(dǎo)航墻后在口門區(qū)擴(kuò)散形成較大范圍的回流和斜流，在5 500 m3s流量下，回流流速達(dá)0.6 ms，超過(guò)規(guī)范要求的0.4 ms，右向橫流為0.38 ms，超過(guò)規(guī)范要求的0.3 ms；在9 630 m3s流量下，橫流進(jìn)一步增大，達(dá)0.79 ms，回流有所減小，但均超過(guò)限值，船舶無(wú)法安全進(jìn)出閘。因此，船閘下游口門區(qū)在流量大于2 400 m3s時(shí)，口門區(qū)出現(xiàn)較大的橫流及大范圍的回流，通航水流條件不能滿足要求。
洲尾段航道處于匯流區(qū)段，由于洲尾下端深槽位于河中偏左，在右汊單汊來(lái)流情況下，受左側(cè)深槽吸流影響，造成洲尾橫流大、流態(tài)差，且右汊泄流量越大，礙航越嚴(yán)重。在600、2 400 m3s兩級(jí)流量下，樞紐下游左汊不過(guò)流，水流出右汊，主流區(qū)在河心偏右岸并逐漸過(guò)渡到河中，并斜沖主航道，水流與航線交角分別達(dá)到42°和33°，最大橫向流速度分別達(dá)0.66、0.98 ms，嚴(yán)重影響船舶航行安全。流量大于2 400 m3s后，隨著流量的增大，左汊開閘泄水，左汊主流從開始的偏向左岸逐漸過(guò)渡到河中，流速分布逐漸均勻，由于左汊泄流，洲尾斜流與航線的交角有所減小，在5 500 m3s流量時(shí)，最大交角減至29°，橫向流速與2 400 m3s流量下相比有所減小，但仍達(dá)0.67 ms。隨著流量增加，下游主流逐漸調(diào)整至河心，橫流逐漸減小，在9 630 m3s流量時(shí)，最大橫向流速為0.61 ms。因此，洲尾段在右汊單側(cè)過(guò)流期及兩汊泄流期，洲尾航道內(nèi)船舶通航存在較大的安全問(wèn)題。
4 通航水流條件改善措施及效果
結(jié)合樞紐的現(xiàn)狀情況及相關(guān)航道整治經(jīng)驗(yàn)，提出“適當(dāng)將原導(dǎo)航墻向下游延伸，調(diào)順下游引航道口門區(qū)附近流態(tài)；洲尾采取工程措施，延長(zhǎng)兩汊匯流范圍，減緩洲尾匯流強(qiáng)度”的整治思路。結(jié)合模型試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)了以下4組方案(表4)，各方案整治效果情況見表5。
表4 方案對(duì)比
表5 各方案最大流速對(duì)比
試驗(yàn)結(jié)果表明，方案1、2采用口門區(qū)延長(zhǎng)實(shí)體導(dǎo)航墻+洲尾導(dǎo)流墩的方案，未能有效改善口門區(qū)段水流過(guò)堤頭后斜流集中擴(kuò)散而形成的橫向流速較大的礙航問(wèn)題；洲尾段布置導(dǎo)流墩亦未能有效減小右汊主流與航線交角、達(dá)到降低斜流影響的目的。方案3、4通過(guò)將延長(zhǎng)的導(dǎo)航墻做成透空式，有效減小口門區(qū)橫向流速流，達(dá)到改善通航條件的目的；在洲尾新增1座順壩，并將下游段做成透空式，可有效降低洲尾處橫流；其改善水流條件的原理為：在洲尾處修建順壩，相當(dāng)于延長(zhǎng)了左右汊匯流的距離，使得現(xiàn)洲尾形成彎道邊界條件，從電站出水到順壩壩根近似看成“S”形彎道，該河段可看作彎道水流；洲尾處增加順壩，改變水流流向，減小右汊主流與航道交角，降低右汊水流產(chǎn)生的橫流以及該拐彎處水流的彎道半徑和線型，從而達(dá)到改善洲尾處通航水流條件的目的。
口門區(qū)及洲尾段通航水流條件改善效果，與導(dǎo)航墻及順壩的透空孔有關(guān)，多方案試驗(yàn)結(jié)果表明：口門區(qū)適當(dāng)增加透空孔有利于增加水流擴(kuò)散范圍，降低口門區(qū)橫流和縱向流速；洲尾區(qū)透空孔達(dá)到6孔以上時(shí)，對(duì)航道內(nèi)橫流強(qiáng)度范圍改善效果明顯，但透空孔增加過(guò)多，加大了引流，航道內(nèi)縱向流速增加；須合理選擇導(dǎo)航墻及順壩的透空孔。為此，在上述方案基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案5，結(jié)構(gòu)見圖4，即對(duì)于口門區(qū)導(dǎo)航墻，延長(zhǎng)180 m并做成透空式，開8孔，透空孔尺寸8 m×6 m(高×寬)，與縱軸線成45°；對(duì)于洲尾順壩，延洲脊布置長(zhǎng)300 m，下游段150 m做成透空式，透空8孔，透空孔尺寸5 m×5 m，與縱軸線成45°，墻頂2‰斜坡。
圖4 下游洲尾順壩(單位：m)
選取典型流量對(duì)方案5開展改善效果研究，試驗(yàn)成果見表6。由表6可知，各流量級(jí)下，口門區(qū)回流范圍較工程前有所減小，口門區(qū)內(nèi)橫向流速較工程前明顯減小，最大減小幅度橫流達(dá)到0.46 ms、回流達(dá)到0.3 ms，僅Q=9 630 m3s堤頭以下100 m范圍內(nèi)航中線左側(cè)個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速超出規(guī)范要求。洲尾航道內(nèi)橫向流速較工程前明顯減小，最大減小幅度達(dá)到0.55 ms，當(dāng)Q=600、2 400、5 500 m3s流量時(shí)，洲尾航道最大橫向流速均小于限值0.45 ms，滿足安全通航要求。當(dāng)Q=9 630 m3s時(shí)，僅在小范圍內(nèi)航中線右側(cè)個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速大于0.45 ms，但超過(guò)的幅度較小，通航條件基本滿足要求。因此，本工程采用方案5作為最終推薦改造方案。
表6 推薦方案5改善效果
5 結(jié)語(yǔ)
1)分汊河道交匯段存在大范圍斜流與交匯水流，已建船閘布置于河中江心洲側(cè)時(shí)，匯流區(qū)段航道水流條件是影響船舶通航安全的一個(gè)關(guān)鍵部位，對(duì)于新建樞紐工程，不宜將船閘布置在分汊河道江心洲側(cè)，宜將船閘布置于順直河汊靠岸側(cè)。
2)大洑潭已建船閘位于分汊河段江心洲上段左側(cè)，船閘口門區(qū)仍處于洲段岸線范圍內(nèi)，船閘下游口門區(qū)通航條件的因素與單一河段樞紐船閘布置時(shí)相差不大，主要對(duì)大回流和橫流強(qiáng)度較大區(qū)域采取導(dǎo)、透措施，擴(kuò)大區(qū)域，將其強(qiáng)度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，各級(jí)流量下口門區(qū)內(nèi)最大橫向流速由工程前0.79 ms減至0.33 ms。
3)洲尾航道水流條件比較復(fù)雜，尤其是僅有單一汊道過(guò)流時(shí)，水流斜沖航道，嚴(yán)重影響船舶航行安全，其通航水流條件改善措施可考慮在洲尾采取工程措施延長(zhǎng)兩汊匯流范圍，減緩洲尾匯流強(qiáng)度，以達(dá)到改變水流流向、減小主流與航道交角、改善洲尾處通航水流條件的目的。其通航水流條件的改善措施可供類似工程借鑒。
