張愛平，普曉剛，王 能，金 輝

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410008； 2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及全國內(nèi)河高等級航道網(wǎng)的實(shí)施與推進(jìn)，國內(nèi)眾多已建樞紐船閘面臨著通過能力嚴(yán)重不足或與規(guī)劃航道等級不符的現(xiàn)實(shí)，轉(zhuǎn)而成為實(shí)際上的礙航建筑物，船閘礙航問題日益凸顯。為了滿足內(nèi)河運(yùn)量的增加，國內(nèi)眾多通航河流上已建樞紐的改擴(kuò)建船閘以及礙航樞紐復(fù)航的工程逐漸開展且日益增多。

1 研究背景

船閘改擴(kuò)建工程所面臨的是通航船舶幾何尺度增大，通航保證率的提升，進(jìn)而對通航條件的要求更高。受已建樞紐建筑物、壩區(qū)河勢及兩岸征地拆遷等條件限制，改擴(kuò)建船閘布置難度較大，相應(yīng)通航水流條件較差。研究人員針對不同的改擴(kuò)建工程存在的問題，采用整體物理模型或數(shù)學(xué)模型開展了方案論證與優(yōu)化研究，并取得了一定的成果，如：針對飛來峽水利樞紐新建二線、三線船閘布置方案，采用整體定床物理模型開展了引航道平面布置優(yōu)化、導(dǎo)航墻優(yōu)化等措施研究[1]；針對大源渡航電樞紐擴(kuò)建二線船閘存在的影響船舶(隊(duì))安全通航問題，采用整體水工模型試驗(yàn)，利用疏挖下游河道一定區(qū)域并結(jié)合布置導(dǎo)流工程的措施進(jìn)行改善，從而使口門區(qū)表面流速符合規(guī)范要求[2]；富春江船閘擴(kuò)建改造工程從改造庫區(qū)引航道的可行性出發(fā)，采用二維水動力模型分析浮式導(dǎo)航設(shè)施對富春江船閘庫區(qū)引航道通航安全的影響[3]。本研究依托沅水洪江樞紐改建船閘工程，針對其特殊的山區(qū)河流上游岸線受制約段的問題，采用1:80正態(tài)整體水工模型和遙控自航船模試驗(yàn)相結(jié)合的手段，開展了通航條件試驗(yàn)研究，提出通過延長上游導(dǎo)流堤、調(diào)整透空堤范圍、調(diào)整航線等改善措施，較好地解決了改建船閘通航問題，可為同類項(xiàng)目提供借鑒參考。

2 依托工程概況

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級開發(fā)的第8級電站。工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉等綜合效益。壩址以上控制流域面積35 500 km2，多年平均流量705 m3/s。水庫總庫容3.2億m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，調(diào)節(jié)庫容0.75億m3，屬周調(diào)節(jié)水庫。樞紐于1998年3月正式開工，2003年12月全部6臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，滿發(fā)流量為1 470 m3/s。洪江樞紐現(xiàn)有300 t級船閘位于右岸側(cè)，為一線二級船閘。

圖1 洪江樞紐改建船閘工程平面布置Fig.1 Plane layout of ship lock reconstruction project of Hongjiang junction

按照相關(guān)規(guī)劃，擬將洪江樞紐船閘改建提升至Ⅳ級。由于已建洪江樞紐位于單一微彎的河道，兩岸山體雄厚，空間狹窄，左岸建有電站，中間9孔泄水閘，右岸一線二級船閘，無建設(shè)二線船閘的空間位置，新建船閘只能布置在右岸現(xiàn)有船閘處。為盡量減少原船閘的拆除和船閘改建對原壩體結(jié)構(gòu)影響，擬利用原上閘首及一閘室作為改建船閘的導(dǎo)航明渠段，拆除原中閘首、二閘室、下閘首和部分下游導(dǎo)航墻(圖1)。新建船閘設(shè)計(jì)最大過閘船型為500 t級貨船(67.5 m×10.8 m×1.6 m，船長×型寬×設(shè)計(jì)水深)，設(shè)計(jì)最大水頭為27.0 m，采用單線單級船閘，設(shè)計(jì)單向年過壩運(yùn)量為540萬t。船閘有效尺度采用215 m×(12～23)m×4.0 m(長×寬×門檻水深)。船舶進(jìn)、出閘方式采用曲線進(jìn)閘、直線出閘方式。

3 模型試驗(yàn)簡介

3.1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

依據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容及要求，綜合工程壩區(qū)河段河道特征，物理模型試驗(yàn)研究范圍為洪江樞紐壩上1.9 km至壩下3.5 km，模擬河段長度約5.4 km，河段寬度約500 m。為保證模型的水流運(yùn)動相似和船模航行相似，整體模型為定床正態(tài)，幾何比尺選用1∶80，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)(同時兼顧到船模的相似性要求)。

模型制作完成后，依據(jù)壩區(qū)河段洪、中、枯共三次實(shí)測水面線和典型斷面流速流量資料，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證，模型左、右岸水面線與天然水面線基本吻合，模型與原型達(dá)到了阻力相似，斷面流速分布趨勢與原型基本一致，模型的水流運(yùn)動與原型相似，驗(yàn)證結(jié)果滿足《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》等技術(shù)規(guī)范要求。

3.2 通航條件要求

表1 模型試驗(yàn)水文參數(shù)Tab.1 Hydrological parameters of model test

模型試驗(yàn)的水文參數(shù)如表1所列。根據(jù)設(shè)計(jì)論證，改建船閘需滿足的最大通航流量為2 a一遇的洪水，相應(yīng)流量7 820 m3/s。按照《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ305-2001)要求，口門區(qū)長度為2.0～2.5倍船長，洪江樞紐船閘設(shè)計(jì)通航500 t級船舶，代表船型船長為67.5 m，因此船閘上游引航道口門區(qū)及連接段布置為：導(dǎo)流堤堤頭至堤頭以上200 m為口門區(qū)，連接段為導(dǎo)流堤堤頭外200～600 m范圍內(nèi)航道。

口門區(qū)通航水流標(biāo)準(zhǔn)：引航道口門區(qū)表面流速：縱向流速不大于2 m/s，橫向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s?？陂T區(qū)與主航道之間的連接段水流條件，參照口門區(qū)通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優(yōu)劣。

船舶進(jìn)出口門區(qū)航行標(biāo)準(zhǔn)：船舶或船隊(duì)在口門區(qū)航行時，為保證安全，船舶的操舵角和航行漂角控制在：操舵角應(yīng)不大于20°，航行漂角應(yīng)不大于10°。船模在航道航行時，上行的難易程度以對岸航速不得小于4 km/h來判定。

4 原設(shè)計(jì)方案通航水流條件

為保證洪江樞紐泄洪時新建船閘上游引航道內(nèi)水流平穩(wěn)，在原180 m長直立式實(shí)體導(dǎo)航墻基礎(chǔ)上，向上游布置長158 m的底部透空式隔流堤，堤頂、底高程別為191.5 m、181.5 m，底部為自然河床，底高程介于165.0～180.0 m，航道底寬為50 m。該方案改建船閘布置特點(diǎn)為，船閘位于左凹右凸微彎河段的右岸側(cè)，船閘軸線與壩軸線基本垂直，愈向上游延伸，航道愈伸向河心，且航線與河勢夾角愈大；同時受上游右岸凸嘴臺地限制，為確保航道內(nèi)水流平順，上游靠右側(cè)航道與口門區(qū)通過圓弧段相連。

設(shè)計(jì)方案各級流量下船閘上游引航道口門區(qū)及連接段最大橫向流速沿程變化見圖2。可看出，各級流量下樞紐上游在190.0 m正常蓄水位時，上游庫區(qū)河道內(nèi)水流平緩，河道內(nèi)水流流速隨流量增加而增加，Q≤3 820 m3/s時，船閘上游引航道口門區(qū)及連接段水流較小，橫向流速均在0.3 m/s以內(nèi)，通航水流條件較優(yōu)。Q=7 820 m3/s時，上游庫區(qū)河道內(nèi)流速增至1.5 m/s左右，受堤頭上游400 m附近右岸側(cè)存在一凸嘴臺地挑流影響，堤頭上游150～400 m口門區(qū)及連接段航道內(nèi)左向水流與航線夾角偏大，一般在22°左右，致使航道內(nèi)橫向流速偏大(圖3)，航中線左側(cè)航道內(nèi)橫線流速大多在0.3 m/s以上，最大為0.44 m/s，通航水流條件不滿足要求。

圖2 船閘上游航道最大橫向流速變化Fig.2 Variation of the maximum lateral velocity in the upper channel of the lock圖3 設(shè)計(jì)方案樞紐上游流場及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel (Q=7 820 m3/s)

5 修改方案

5.1 修改方案布置

一般而言，船閘引航道口門區(qū)通航條件改善的途徑可分為工程措施和非工程措施兩個方面，但無論哪一種措施，都必須研究分析口門區(qū)不利流態(tài)的成因，最后針對不同成因采取相應(yīng)的有效措施[4-8]。對本工程設(shè)計(jì)方案存在的問題分析認(rèn)為，主要受船閘平面布置及上游河道邊界影響所致。受兩岸山體限制，洪江樞紐新建船閘只能在已建船閘基礎(chǔ)上進(jìn)行改建，已建船閘布置于微彎河段的凸岸側(cè)，船閘軸線與壩軸線基本垂直，口門區(qū)及連接段航道需順右岸微彎河勢布置與上游主河道相連，而受上游右岸凸嘴臺地限制及挑流影響，航道內(nèi)左向橫流偏大，影響船舶安全進(jìn)出船閘。

船閘軸線位置無法改變，上游右岸凸嘴臺地高程較高，且建有企業(yè)及民宅，拆遷和切除凸嘴難度較大。因此，改善通航條件措施主要從調(diào)整上游航線和口門區(qū)導(dǎo)流建筑物兩方面開展。其一，盡量利用右岸側(cè)水域，將船閘上游航線在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上逆時針向右岸側(cè)偏轉(zhuǎn)2.2°，以減小航道軸線與水流流向夾角，同時對右岸側(cè)航道內(nèi)局部河床高程開挖至180.0 m；其二，通過多組次試驗(yàn)觀測，結(jié)合導(dǎo)墻附近天然地形，將上游透空隔流堤延長75 m，并將設(shè)計(jì)方案的靠近已建導(dǎo)航墻段100 m透空隔流堤改為實(shí)體隔流堤，即上游引航道導(dǎo)航墻長280 m，透空式隔流堤長133 m，以減少口門區(qū)及連接段航道范圍內(nèi)的分流量，相應(yīng)減小航道內(nèi)水流流速。修改方案平面布置見圖4。

圖4 修改方案平面布置Fig.4 Modified plan layout

5.2 修改方案通航條件試驗(yàn)

修改方案通航水流條件試驗(yàn)成果表明：

當(dāng)Q≤3 820 m3/s時，泄水閘與電站聯(lián)合調(diào)度，船閘上游引航道口門區(qū)及連接段水流流速均在0.7 m/s以內(nèi)，橫向流速均在0.3 m/s以內(nèi)，通航水流條件較優(yōu)。

Q=7 820 m3/s時，通過航線向右岸偏移和導(dǎo)航墻上延及透空堤透空范圍的調(diào)整，船閘上游口門區(qū)及連接段通航條件得到有效改善(圖5)?？陂T區(qū)航道內(nèi)最大橫向流速為0.3 m/s,較設(shè)計(jì)方案減小0.06 m/s，最大縱向流速為1.03 m/s，通航水流條件滿足規(guī)范要求。連接段航道內(nèi)水流與航線偏角減至19°左右，較工程前減少約3°；連接段右側(cè)航道內(nèi)橫流均在0.3 m/s以內(nèi)，左側(cè)航道內(nèi)最大橫流為0.35 m/s，較工程前減少0.09 m/s。

圖5 修改方案樞紐上游流場及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.5 Cloud map of upstream flow field and velocity distribution in channel under modified scheme (Q=7 820 m3/s)

船模航行試驗(yàn)成果表明：當(dāng)流量Q≤7820 m3/s時，船閘上游航道內(nèi)通航條件較好，船舶能夠安全經(jīng)過口門區(qū)及連接段航道進(jìn)出船閘。Q=7 820 m3/s時，船模以3.0 m/s航速下行通過連接段航道時，船模航行過程中漂角最大為-8.85°,調(diào)整航態(tài)所需最大舵角為10.34°。在距上游口門約100 m處，受堤頭附近左向斜流影響，最大漂角為-4.85°。船模以3.0 m/s航速上行時，行至距口門約100 m處時，在該段航道內(nèi)橫流作用下，船模向右漂移，漂角最大為7.55°；航行過程中，船模最大需操10.88°舵角抵御左向橫流；船模進(jìn)入連接段航道后，最大需操-14.71°舵角調(diào)整航態(tài)，航行過程中漂角最大為7.69°。

6 結(jié)語

(1)研究采用整體正態(tài)定床物理模型與遙控自航船模試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對山區(qū)河勢受限段改建船閘典型案例之一的沅水洪江樞紐改建工程船閘上游通航條件存在問題及影響因素進(jìn)行了分析，提出了工程優(yōu)化措施和調(diào)整航線輔助措施，較好地解決了工程技術(shù)問題，可為同類項(xiàng)目提供借鑒參考。

(2)山區(qū)河流受地形地貌限制改建船閘引航道口門區(qū)及連接段處于彎道凸岸側(cè)彎時，通航水流條件不同于順直河段，彎曲航道縱向水流流向與航線存有差異，流向與航線軌跡難于一致，總是存在某種夾角；當(dāng)船舶在彎道上航行時存在一個艏向角，船舶重心位于航線上，船頭位于航線的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，相反，船尾位于航線的外側(cè)或內(nèi)側(cè)；船舶航行受彎道水流與航線夾角和船舶軸線與航線夾角的雙重作用，船舶操舵較順直河段困難。

(3)考慮到船閘引航道口門區(qū)及連接段處于彎道凸岸側(cè)通航水流條件的復(fù)雜性，彎道段航線布置時應(yīng)盡量順應(yīng)彎道水流流向，以減少彎道水流對通航水流條件的影響；同時可以考慮設(shè)置一定長度的底部透空式隔流堤，適當(dāng)引導(dǎo)調(diào)順?biāo)?，以減弱口門區(qū)邊界條件收縮或擴(kuò)大而形成水流的斜向效應(yīng)，達(dá)到改善通航水流條件。