青山樞紐船閘上游口門區通航水流條件優化試驗研究

陳明慧，劉籌資，夏 波，3，程永舟，3，王 能

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410100；2.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；3.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；4.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200)

船閘口門區是船舶進出航道的咽喉，同時也是河流動、靜水相交的位置，在此區域通常會形成斜向水流、泡漩等不利流態，影響船舶通航。為了保證船舶通航安全，通常需要對口門區的水流條件進行改善[1]。國內對口門區的通航水流條件的改善進行了大量的研究工作：彭偉等[2]、陳明等[3]針對具體的工程實例對口門區的通航水流條件進行研究，發現了樁基透空式導流屏能改善口門區的通航問題；李興亮等[4]、李君等[5]、程璐等[6]都認為，對于彎曲河道利用不同導流結構進行組合優化能更好地解決口門區流速較大的問題；李艷富等[7]、張樹青等[8]發現在優化口門區時適當改變引航道的長度和角度可以有效地改變口門區的不利流態。雖然有很多學者對改善口門區的措施進行了研究，但是受到工程地形因素的影響，每一種工程措施都需要根據當地水流條件的影響因素進行改善。

由于青山樞紐新建船閘口門區位于彎曲分汊河段，在彎道處會產生橫向環流，同時在分汊河段處，水流受到兩汊地形的影響，也會對水流產生不容忽視的影響。青山樞紐同時受到彎曲河流及分汊河流兩種因素的影響，口門區的水流條件復雜多變，對進出口門的船舶影響較大，不能滿足船閘施工標準，因此需要對青山樞紐船閘口門區的通航水流條件進行研究。

1 工程概況

澧水青山樞紐壩址位于石門縣下游，始建于20世紀60年代，是一個多功能綜合利用的水利樞紐。樞紐處澧水右汊河道向右彎曲，右汊主壩址處河寬約600 m，從右至左主要建筑物為水輪泵站、100噸級船閘(已廢棄)、青山電站1(旁側引水)、中加電站、副壩、20×13 m(孔數×單孔凈寬)泄水閘和青山電站2。樞紐左汊壩址段河道較為順直，河寬約430 m，從左至右主要建筑物為滾水壩、12孔泄水閘、滾水壩。因青山樞紐建于澧水右汊河道，且船閘等級為VI級，設計通過能力為120萬t，加上船閘設備簡陋，維護和管理已不適應運輸現狀，需要新建船閘以滿足航運要求。

澧水青山樞紐新建船閘由右汊改建至左汊，增大了過往船只噸級，以及新建船閘位于彎曲分汊河段，對船舶安全通航造成了很大的影響，主要體現在以下3方面問題：

1)船閘口門區上游連接段1 km處為彎曲河道，水流通過彎道時產生橫向環流，使船只無法順利通過彎道，易造成重大事故。2)船閘處于分汊河道，右汊地形稍高于左汊，水流向左汊流動，嚴重影響了左汊口門區的安全航行。3)在船閘口門區建設過程中，過流斷面的減小增大了口門區的橫向流速，導致船舶在進出口門區時產生較大的橫向位移，不利于船舶航行。

2 試驗概況

2.1 模型試驗

基于幾何相似、重力相似、動力相似等準則，結合試驗場地大小、模型最小水深要求等，物理模型幾何相似采用1:110正態比尺，流速比尺λv=10.488，糙率比尺λn=2.189，流量比λQ=126 905.871。根據樞紐河段的綜合糙率0.031～0.068，設定模型綜合糙率為0.014～0.031，采用水泥砂漿粗糙抹面(糙率0.014～0.015)，并對其進行局部梅花加糙，使模型各段綜合糙率與原型相似。

為了保證模型與原型水流運動相似，整體物理模型制作完成后進行驗證試驗。依據實測樞紐沿程水位、流量、斷面流速等資料，進行水位、斷面流速等驗證，且對模型梅花配糙進行多次調整，最終達到模型水位、斷面流速及分部、分流比等相似驗證要求。樞紐模型布置見圖1。水位及斷面流速對其在洪水流量4 631 m3/s、中水流量822 m3/s、枯水流量136 m3/s中進行驗證，結果如圖2、3所示。本文僅選取洪水中左汊水面線結果及部分斷面流速結果進行分析。

圖1 青山樞紐整體模型及水尺布置

圖2 Q=4 631 m3/s洪水水位驗證結果

圖3 Q=4 631 m3/s斷面流速分布驗證結果

2.2 試驗條件

根據初步擬用的樞紐調度運行方式，選取4級典型流量對通航條件進行試驗研究，工況見表1。

表1 通航條件試驗工況

3 原設計方案

3.1 原設計方案布置

青山樞紐原設計方案船閘位于左岸側，為單線船閘，突出在下游，船閘的中心軸線與壩軸線垂直。設計近、遠期最大通航流量為8 910、14 200 m3/s，船閘引航道為不對稱形式布置，船舶曲進直出。引航道底寬、長分別為60、560 m；上、下游引航道底高程分別為41.0、37.0 m。在導流堤向上游方向平行于航線交錯布置3個導流墩，導流墩的長度、相對間距均為20 m。

3.2 原設計方案通航水流條件

當流量為2 200 m3/s時，上游引航道口門區縱向流速最大不超過0.7 m/s，橫向流速均不超過0.3 m/s，滿足通航水流條件要求，同時，上游連接段水流流速較小，水流流速普遍為0.4～0.8 m/s，通航水流條件較好，流場如圖4所示。在進行船模試驗時發現：船模以靜水航速3.0 m/s上行，以靜水航速2.5 m/s下行，經過口門區時航態均較好，航行參數均在規定范圍內，沿左、右航線航行能夠順利通過連接段。

圖4 上引航道口門區局部流場(單位：m/s)

當8 910 m3/s≤Q≤14 200 m3/s時，上游引航道口門區縱向流速最大不超過1.5 m/s，大部分水域橫向流速不超過0.3 m/s，僅在口門上游約100 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.45 m/s，存在一定安全隱患，如圖5所示。

圖5 上引航道口門區局部流場(單位：m/s)

上引航道船模上行航態見圖6。可以看出船模在上行時，船頭飄向導流墩，通過改變舵角控制船模恢復航線，但是船尾觸碰到了導流墩；下行時船模受到分汊地形的影響，向左岸的橫流流速，使船模向左岸偏移，易與靠船墩碰撞，且上下行的航行參數均超過限值，口門區的通航水流條件不能滿足要求，需要對設計方案下口門區的船閘布置進行優化。

圖6 上引航道船模上行航態

4 優化方案

4.1 優化方案1的通航水流條件

1)在上游導航墻頭部加長34 m，并向河側外挑7°，在原設計方案導流墩的基礎上增加3個導流墩，導流墩長度與原設計相同為20 m，將導流墩間距由原20 m縮小至10 m。

2)當上游來流量為8 910 m3/s時，上引航道口門區及連接段流場如圖7所示。可以看出，上游引航道口門區縱向流速最大不超過1.5 m/s，大部分水域橫向流速不超過0.3 m/s，在口門上游150～250 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.35 m/s；當上游來流量14 200 m3/s時，上游引航道口門區縱向流速最大約1.8 m/s，大部分水域橫向流速不超過0.3 m/s，在口門上游約180 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.4 m/s。可見兩級流量下，僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過0.3 m/s。

圖7 上引航道口門區及連接段流場(單位：m/s)

從船模試驗結果來看，船模在口門區內上行時基本是沿著航道線駛出口門區，但是航線也會受到橫向水流的影響發生部分偏移；且船模在口門區下行時，受到口門區過流斷面減小所形成的橫向流速的影響，在進入口門區時會發生偏轉。雖然自航船模基本能順利進出口門區，但在局部水域橫向流速超出規定，船模行駛受到一定程度的影響。

4.2 優化方案2的通航水流條件

1)優化方案2見圖8，上游口門區仍采用3個導流墩方案，且與導流堤之間平順銜接(無錯口)，間距20 m，停泊段停靠單排船舶。為了進一步減小優化方案1口門區局部橫向流速，右汊壩上游2 km范圍河底高程疏浚至43 m。

圖8 優化方案2的開挖區域

2)當上游來流量為8 910 m3/s時(圖9)，上游引航道口門區縱向流速最大不超過1.2 m/s，大部分水域橫向流速不超過0.25 m/s，在連接段上游150～250 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.35 m/s；當上游來流量為14 200 m3/s時，大部分水域橫向流速不超過0.3 m/s，在連接段約180 m范圍近引航道右邊線，局部橫向流速較大，最大約0.4 m/s。可見兩級流量下，僅在引航道右邊線附近局部橫向流速超過0.3 m/s。

圖9 優化方案2在Q=8 910 m3/s時

上引航道船模下行航態見圖10。可以看出，船舶以靜水航速3.0 m/s沿規劃航線上行，在上行過程中船模航行航態順利通過口門區；以靜水航速2.5 m/s沿規劃航線下行，在下行過程中船模順利進入口門區，且沒有偏離航線，自航船模基本能順利進出口門區。

圖10 上引航道船模下行航態

4.3 優化方案通航水流條件對比

各方案對比分析結果見表2。可以看出，優化方案2相對較優，可以作為樞紐的平面布置推薦方案。

表2 各方案對比分析結果

5 結語

1)原設計方案口門區的縱橫向流速不能滿足船舶安全通航的要求，需要對口門區的通航水流條件進行改善。

2)針對船閘上游引航道口門區通航水流條件存在的問題，對原設計方案進行2種優化試驗。通過對比，優化方案2導流墩的布置方式以及對右汊進行疏浚的方式更能滿足口門區的通航水流條件。

3)綜合對比優化方案下的口門區通航水流條件，推薦優化方案2為青山樞紐的口門區布置方案。

4)由于存在對右汊地形的疏浚開挖，為了防止淤泥回填、改變地形，需要定期清淤，確保通航安全。