水利樞紐船閘布置對通航條件的影響分析

摘要：以某河流中游大型水利樞紐船閘工程為研究對象，探討其引航道現狀布置對通航條件的影響，并且提出優化方案。采用物理模型試驗與數值模擬結合的方法，按重力相似準則建立物理模型，結合RNG k?ε湍流模型模擬流態分布。研究表明，現狀布置下，上游引航道偏流角度達22°、最大縱向流速1.5 m/s，遠超規范限值；下游引航道流態紊亂，最大縱向流速1.33 m/s，回流強度0.3 m/s。通過優化主導航墻長度至101 m，并且將下游透水導航墻改為不透水設計。優化后，上游引航道偏流角度降至10°以內、縱向流速降至1.0 m/s；下游引航道縱向流速降至0.5 m/s、回流強度降至0.1 m/s。研究成果為水利樞紐船閘設計與通航條件優化提供了科學依據。

關鍵詞：水利樞紐 船閘布置 通航條件 流速分析 導航墻

The Impact of the Layout of Water Conservancy Hub Ship Locks on Navigation Conditions

WEI Hongwei

Mengchengzha Management Office， Bozhou， Anhui Province， 233500 China

Abstract： Taking the large water conservancy hub ship lock project in the middle reaches of a certain river as the research object， this study examines the impact of the current layout of its approach channel on navigation conditions， and proposes optimization solutions. By combining physical model experiments and numerical simulations， a physical model is established based on the gravity similarity criterion， and the RNG k - ε turbulence model is used to simulate the flow distribution. The study finds that under the current layout， the upstream approach channel has a deviation angle of 22 ° and a maximum longitudinal flow velocity of 1.5 m/s， far exceeding the regulatory limits; The downstream approach channel has turbulent flow conditions， with a maximum longitudinal velocity of 1.33 m/s and a backflow intensity of 0.3 m/s. By optimizing the length of the main navigation wall to 101 meters， it changes the downstream permeable navigation wall to an impermeable design. After optimization， the deviation angle of the upstream approach channel is reduced to within 10 °， and the longitudinal flow velocity is reduced to 1.0 m/s; The longitudinal flow velocity in the downstream approach channel has decreased to 0.5 m/s， and the backflow intensity has decreased to 0.1 m/s. The research results provide scientific basis for the design of water conservancy hub ship locks and optimization of navigation conditions.

Key Words： Water conservancy hub; Ship lock layout; Navigation conditions; Flow velocity analysis; Navigation wall

水利樞紐船閘是保障航運暢通的重要工程設施，其引航道的科學布置直接影響船舶通航安全與效率。隨著航運需求的增長，在高流量或極端運行條件下，許多現有船閘的水動力特性無法滿足要求，表現為流速過高、流態紊亂、回流強度增加等問題^[1]。針對某河流中游大型水利樞紐船閘引航道布置，本文結合物理模型與數值模擬分析，系統評估其現狀水動力特性，并且提出優化方案。研究重點包括主導航墻延長設計與下游透水墻改造，旨在通過優化布置降低流速、改善流態，為提高通航能力提供理論依據與技術支持。

1研究區域與模型試驗1.1 案例概況

以某河流中游的大型水利樞紐船閘工程為例，該工程具備灌溉、防洪、發電及航運等綜合功能。船閘設計等級為Ⅴ級，依據《船閘總體設計規范》（JTJ 305—2001），船閘總長度為120 m、凈寬為18 m，設計過閘流量1 100 m3/s。上游引航道長280 m、寬18 m，主導航墻采用實心結構，現狀長度67.4 m，頂高程91.50 m，與壩軸線夾角90°。下游引航道長240 m、寬29 m，導航墻為透水結構，長度31.76 m，頂高程90.50 m，墻體凈高8.7 m。船閘上、下游水位差為3.5 m，樞紐引航道布置兩側地形陡峭，河床底高程為81.80 m。上游來流特征流量峰值為1652 m3/s，常規調度流量為1 100 m3/s，樞紐內水流具有顯著的偏流與回流特性，并且船閘口門區水流流速顯著偏高，最大縱向流速達1.5 m/s，橫向流速達0.4 m/s，均超出設計規范限制值。下游區域因透水墻設計，流態紊亂，口門區水流呈現局部回流現象，最大回流流速達0.3 m/s。根據流域水文與航運需求，該工程需要對上、下游引航道布置進行優化調整，以滿足設計規范和實際運行要求。

1.2模型試驗設計

為精確模擬水利樞紐船閘上、下游引航道的水流條件及其對通航性能的影響，試驗采用物理模型與數值模型相結合的研究方法，按照重力相似準則，構建正態物理模型。幾何比尺選定為1∶60，流速比尺為1∶7.75，流量比尺為1∶27 885.48，確保模型與原型在水力特性上的嚴格相似性。物理模型試驗范圍包括上游距船閘1.6 km、下游距船閘1.0 km的河段，模型斷面設置沿程測點，以觀測水位、流速和流態變化，測點間距為50 m。整體模型范圍如圖2所示。

1.3工況設定

試驗設定3種典型工況：泄洪閘控泄工況、泄洪閘全開工況與電站滿發運行與停機組合工況。常規調度流量為1 100 m3/s，上游來流量峰值設定為1 652 m3/s，泄洪閘開度分別調整為部分開啟（4孔閘開度1.0 m，3孔閘開度1.5 m）和全開（7孔閘全開至2.0 m）。電站運行工況包括滿負荷運行（流量782 m3/s）和停機（流量0 m3/s）兩種狀態。

觀測斷面布置從上游1.6 km至下游1.0 km，沿引航道與口門區設置縱向流速、橫向流速與回流區域的測點，斷面間距50 m，涵蓋關鍵流量變化范圍。重點觀測指標包括縱向流速（限制值≤0.5 m/s）、橫向流速（限制值≤0.25 m/s）與回流流速（限制值≤0.2 m/s）。上游口門區觀測流速分布與偏轉角度，下游口門區觀測流速分布、紊流強度與流態變化。

2現狀通航條件分析2.1上游引航道與口門區

上游引航道與口門區現狀布置存在顯著流速偏高和偏流現象，難以滿足《船閘總體設計規范》（JTJ 305—2001）的通航要求。試驗數據顯示，在常規調度流量1 100 m3/s條件下，上游引航道口門區縱向流速范圍為0.5～0.9 m/s，部分斷面橫向流速達0.24 m/s、最大偏流角度22°，流速分布均勻性較差；當上游來流量峰值1 652 m3/s時，縱向流速進一步升至1.2～1.5 m/s，橫向流速達0.4 m/s，均超出規范限值（縱向≤1.0 m/s，橫向≤0.25 m/s）。此外，主導航墻引導能力不足，口門區近右岸位置形成回流區域，回流流速約0.14 m/s，影響船舶穩定進出。模型試驗進一步表明，上游主導航墻長度僅為67.4 m且頂高程91.50 m，無法有效控制偏流，需要延長至少81 m，以改善流態。具體數據如表1所示。

2.2下游引航道與口門區

下游引航道與口門區現狀布置存在流速過高與回流現象，對船舶通航安全構成顯著威脅。根據試驗數據，在常規流量1 100 m3/s條件下，下游引航道縱向流速平均值為0.44～0.62 m/s，局部斷面最大縱向流速達1.08 m/s，超過規范限值（0.5 m/s）；橫向流速最大值為0.3 m/s，部分斷面存在回流現象，回流流速約為0.2 m/s。在峰值流量1 652 m3/s條件下，縱向流速進一步增至0.6～1.33 m/s，橫向流速最大值達0.45 m/s，回流范圍擴展至斷面中部。透水導航墻設計導致流體紊動增強，主流與回流區域交界處水流方向不穩定，流速分布均勻性差，船舶通航困難。具體數據如表2所示。

3船閘布置優化研究3.1上游引航道優化方案

針對上游引航道偏流與水流流速超標問題，設計主導航墻延長方案，以改善流態分布和降低局部水動力影響。優化方案將現狀主導航墻長度由67.4 m延長至81、91和101 m，墻體頂高程保持91.50 m，材料選用C40高強度混凝土，表面涂覆耐腐蝕環氧樹脂層以增強抗沖刷能力。墻體延長段采用平行壩軸線設計，與現有墻體無縫連接，確保水流方向一致性^[3]。數值模擬采用RNGk?ε模型，以有限體積法離散控制方程，模擬流場三維分布。計算網格采用非結構化網格劃分，網格最小尺寸為0.05 m，時間步長為0.05 s，模擬運行至穩定態（25 s），計算公式如下：

式（1）中：ρ為流體密度；μ為動粘度系數；P為壓力梯度；S_i為體力項。

3.2下游引航道優化方案

針對下游引航道現狀存在的流態紊亂、流速過高與局部回流問題，提出將現有透水導航墻改為不透水結構的優化方案。優化后的導航墻總長度保持為31.76 m，設計為由直線段與圓弧段組成，其中：直線段長度為15.86 m，圓弧段半徑為60 m，采用C40高強度混凝土材料，表面噴涂環氧瀝青涂層以提高抗腐蝕性和耐久性。墻體頂高程保持為90.50 m，墻體凈高8.7 m，確保其阻水效果與結構穩定性。數值模擬采用RNG k?ε湍流模型，通過ANSYS Fluent進行三維流場計算，網格最小尺寸設定為0.05 m，時間步長為0.05 s，模擬運行至穩態^[4]。優化后方案的水流特性表現為：縱向流速降低至0.3～0.5 m/s，橫向流速減少至0.1～0.15 m/s，回流強度顯著下降至0.08～0.12 m/s，均滿足《船閘總體設計規范》（JTJ 305—2001）的限值要求。優化墻體的水力學性能通過以下公式分析其影響效率：

式（2）中：η為流速改善效率；v_pre，i和v_post，i分別為優化前后第i測點的流速值；n為觀測點數量^[5]。

4優化布置的有效性驗證

為驗證優化方案的有效性，采用物理模型試驗與數值模擬，對上、下游引航道優化布置后的水動力特性進行綜合評估。在常規調度流量（1 100 m3/s）與峰值流量（1 652 m3/s）條件下，優化布置顯著改善了引航道流態。上游引航道優化后，延長至81 m的主導航墻有效控制了偏流，縱向流速降低至0.9～1.2 m/s，橫向流速減少至0.2 m/s以內，偏轉角度減小至15°以下；進一步延長至101 m時，縱向流速進一步降低至0.7～1.0 m/s，橫向流速減至0.15 m/s以內，回流區域縮減90%。下游引航道優化方案采用不透水導航墻后，縱向流速降至0.3～0.5 m/s，橫向流速控制在0.15 m/s以內，回流強度顯著下降至0.1 m/s。優化方案有效降低了關鍵區域的流速和紊流強度，各項指標均符合《船閘總體設計規范》（JTJ 305—2001）要求。

5結語

綜上所述，本文基于物理模型試驗與數值模擬，分析某水利樞紐船閘引航道現狀布置對通航條件的影響，并且提出優化方案。研究表明，現狀布置存在流速超標、偏流嚴重與回流區域擴大的問題。優化后，上游主導航墻延長至101 m，縱向流速降低至1.0 m/s，偏流角度控制在10°以內；下游透水導航墻改為不透水設計，縱向流速降至0.5 m/s，回流強度減至0.1 m/s。優化方案顯著改善了通航條件，各項指標均滿足規范要求，為同類工程提供了可行的設計與優化參考。

參考文獻

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