吳惠國，孫逸豪，史英標(biāo)，鄭國誕

(1.紹興市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 紹興 312000；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

船閘引航道以及連接段通航水流條件一直是船閘工程中的熱點(diǎn)問題。影響引航道通航水流條件的因素眾多，包括：船閘布置形式、河道河勢(shì)、船閘周邊涉水建筑物布局等。為改善引航道水流條件，目前國內(nèi)常采取的措施包括：調(diào)整導(dǎo)流堤長度和堤頭形式、堤身開孔引流、導(dǎo)流堤外擴(kuò)開孔、導(dǎo)流堤浮式結(jié)構(gòu)、丁潛壩挑流、口門區(qū)設(shè)置導(dǎo)流墩等。顏志慶等[1]以犬木塘樞紐為例，通過采用布設(shè)隔流墻、疏浚航道以及調(diào)整航道布線等綜合手段研究并優(yōu)化了船閘在“S”形彎道時(shí)的通航水流條件；何飛飛等[2-3]研究了透空式隔流墻對(duì)八字嘴樞紐貊皮嶺船閘引航道水流條件的作用；劉芷妍等[4-5]通過研究導(dǎo)流墻和丁壩對(duì)長安樞紐船閘上游引航道水流條件開展優(yōu)化；潘雅真等[6]通過在導(dǎo)流堤堤頭增設(shè)丁壩，在丁壩挑流作用下，減小了貴港航運(yùn)樞紐船閘工程口門區(qū)水流流速；朱紅等[7]通過水槽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)布設(shè)導(dǎo)流墩可以有效改善口門區(qū)水流條件。由于不同河段具有不同的河勢(shì)，船閘建造須考慮的因素亦有所差異。這也導(dǎo)致了現(xiàn)如今國內(nèi)船閘研究無法實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)代面、全面覆蓋各個(gè)河道，尤其在水流條件復(fù)雜、河勢(shì)彎曲的河段研究稍顯薄弱。

本文以清風(fēng)樞紐船閘下游為例，采用平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法研究不同導(dǎo)流墻方案對(duì)下游引航道的通航水流條件的影響，分析導(dǎo)流墻走向、長度以及與導(dǎo)流墩組合對(duì)下游引航道通航水流條件改善效果。研究工作旨在填補(bǔ)曹娥江中上游船閘研究的空白，完善束窄彎曲河道內(nèi)建閘研究工作。

1 河道與樞紐概況

曹娥江大閘是亞洲最大的強(qiáng)涌潮河口第一大閘，位于錢塘江南岸曹娥江河口處，于2008年12月下閘蓄水。大閘的建設(shè)阻擋了外海泥沙進(jìn)入河道，曹娥江也變?yōu)閮?nèi)河水道，同時(shí)閘上河道水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及通航水流條件也隨之改變[8-10]。

清風(fēng)水利樞紐工程位于曹娥江干流中游段，距離上游嵊州市城關(guān)約14 km，下游29 km處建設(shè)有節(jié)點(diǎn)樞紐(上浦閘樞紐)。隨著上游嵊州及新昌等地大宗貨物運(yùn)量快速增長，通過新建清風(fēng)船閘打通曹娥江上游航運(yùn)的瓶頸(清風(fēng)樞紐)緊迫且必要。

如圖1所示，工程位于束窄河段，河段走勢(shì)由西南向東北。上游河寬約480 m，船閘下閘首斷面河寬約300 m，而下游清風(fēng)大橋斷面河寬最窄，僅150 m。過清風(fēng)大橋后，河段走勢(shì)轉(zhuǎn)為正北。

圖1 清風(fēng)水利樞紐工程

清風(fēng)水利樞紐是一個(gè)集防洪、發(fā)電以及通航功能于一體的綜合樞紐。原樞紐由水力自控翻板閘、沖沙閘、河床式電站組成，樞紐集雨面積3 185 km2，多年平均流量77.34 m3/s，樞紐正常蓄水位10.4 m；電站發(fā)電死水位為9.0 m，滿發(fā)流量為101.7 m3/s。電站樞紐工程為Ⅴ等，主要建筑物為4級(jí)、次要建筑物為5級(jí)，樞紐自左向右依次布置有232 m寬攔水壩、7.5 m寬沖沙閘和63.32 m寬電站。其中攔水壩段為22扇5.5 m×10 m(高×寬)水力自控翻板門。

新建船閘工程包括：船閘、泄洪閘以及電站等。船閘按照Ⅳ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，布設(shè)于河道左側(cè)，采用壩上式布置方法，其中船閘下游引航道貼岸布置，閘室與上游引航道平順于水流方向離岸布置。從船閘位置上看，下游引航道口門段受河寬束窄、河道轉(zhuǎn)彎等影響，流速增大、水流向北轉(zhuǎn)向。此外，電站排水受下游岸線挑流影響，水流斜向匯入主槽，并對(duì)左側(cè)口門段產(chǎn)生一定頂沖作用。所以，船閘下游引航道水流流態(tài)存在一定的安全隱患；且受河寬限制，下游引航道的優(yōu)化難度較大。

2 模型建立與驗(yàn)證

對(duì)工程河段建立二維水流數(shù)值模型并開展計(jì)算。模型包括一個(gè)連續(xù)性方程和兩個(gè)動(dòng)量方程：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中：h為水深，即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；t為時(shí)間；η為水位；u、v為x、y方向上的流速分量；g為重力加速度；f為柯氏力參數(shù)；ρ為水密度；ρ0為水的參照密度；Sxx、Sxy、Syy為波浪輻射應(yīng)力分量；pa為大氣壓力；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby為底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy為黏性項(xiàng)分量；S為源匯項(xiàng)。

模型計(jì)算范圍的上邊界設(shè)置在清風(fēng)樞紐斷面(位于清風(fēng)樞紐上游9 km左右)、下邊界設(shè)置在上浦閘；對(duì)清風(fēng)樞紐工程區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作了進(jìn)一步加密，最小網(wǎng)格約為2.0 m，網(wǎng)格總數(shù)為65 354，見圖2。二維模型概化區(qū)域包括了兩岸堤防之間河槽之外的灘地，網(wǎng)格岸線為兩岸堤防岸線，并對(duì)曹娥江主槽和邊灘進(jìn)行了網(wǎng)格加密，模型范圍內(nèi)水下地形采用實(shí)測(cè)地形。

圖2 網(wǎng)格示意

采用2015年7月“燦鴻”臺(tái)風(fēng)期間洪水過程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。見圖3。

注：洪峰水位實(shí)測(cè)值11.89 m，計(jì)算值11.80 m。

由圖3可知，東沙埠站洪峰水位驗(yàn)證誤差為-0.09 m，在規(guī)程允許偏差10%以內(nèi)，符合《海岸河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求，該模型可用于進(jìn)一步的方案比選工作。

3 方案說明

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在電站運(yùn)行情況下，僅打開導(dǎo)流墻右側(cè)6孔泄洪閘泄水。為了進(jìn)一步提高船閘通航流量、提高船閘的通航保證率，采用延長調(diào)整導(dǎo)流墻的方法改善船閘下游引航道水流條件。圖4和表1為原船閘布置方案與3種優(yōu)化方案。

表1 各方案船閘參數(shù)

圖4 船閘比選布置方案(單位：m)

由圖4和表1可知，各個(gè)方案船閘與泄洪閘的設(shè)計(jì)尺寸一致，唯一不同的是導(dǎo)流墻的設(shè)計(jì)尺寸。原方案導(dǎo)流墻長150 m；優(yōu)化方案1導(dǎo)流墻長220 m；優(yōu)化方案2導(dǎo)流墻長250 m；優(yōu)化方案3導(dǎo)流墻長220 m，并在導(dǎo)流墻下游增設(shè)3個(gè)長約8 m的導(dǎo)流墩。

4 通航水流條件比選

本文通過控制變量法控制各個(gè)方案下模型邊界條件相同，研究各個(gè)方案的優(yōu)化效果。模型上游邊界為流量邊界，為船閘最大設(shè)計(jì)通航流量850 m3/s；下游邊界為水位邊界，為上浦閘閘上最高通航水位7.5 m。

4.1 水流流態(tài)分析

如圖5所示，在相同的泄流與水位條件下，船閘下游河道流態(tài)近似。水流分別由右側(cè)泄洪閘與電站出水至河槽中。受導(dǎo)流墻影響，水流順著導(dǎo)流墻的走向向下，水流通過導(dǎo)流墻后向左側(cè)水域擴(kuò)散，河道右側(cè)流速放緩，左側(cè)流速增加。

圖5 船閘下游引航道流速分布(單位：m/s)

如表2所示，受各方案不同導(dǎo)流墻布設(shè)影響，水流對(duì)船閘下游引航道的影響位置和入流角度有所差異。原始方案，導(dǎo)流墻長150 m，并與船閘下游引航道存在10°的夾角，水流于導(dǎo)流墻下游57 m處斜向進(jìn)入靠船段中部，與引航道夾角約26.9°；優(yōu)化方案1，導(dǎo)流墻長220 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增70 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行)，水流于導(dǎo)流墻下游50 m處斜向進(jìn)入靠船段尾部，與引航道夾角約24.3°；優(yōu)化方案2，導(dǎo)流墻長250 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增100 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行)，水流于導(dǎo)流墻下游46 m(清風(fēng)大橋)處斜向進(jìn)入口門段，與口門段夾角約18.0°；優(yōu)化方案3下，導(dǎo)流墻長220 m(其中150 m與原始方案導(dǎo)流墻一致，新增70 m導(dǎo)流走向與船閘下游引航道平行，并新增3座8 m長的導(dǎo)流墩)，水流于導(dǎo)流墻下游46 m(清風(fēng)大橋)處斜向進(jìn)入靠船段尾部，與引航道夾角約22.7°。

表2 各方案流態(tài)

初步可知，優(yōu)化方案2入流角度較小，入流位置在口門段。與其余方案相比，該方案對(duì)引航道保護(hù)效果相對(duì)較好。

4.2 水流流速分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)各段流速的規(guī)定，通航水流條件是否滿足通航要求的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 引航道各段流速大小參考標(biāo)準(zhǔn) m/s

如圖6所示，為進(jìn)一步了解船閘下游引航道內(nèi)水流流態(tài)情況，在船閘上下游引航道內(nèi)共布設(shè)10個(gè)流速采樣點(diǎn)，從定量上分析上下游導(dǎo)航段、靠船段以及口門段水流縱向、橫向以及回流流速是否滿足規(guī)范要求，其流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

圖6 下閘首導(dǎo)航段、靠船段與口門段流速采樣點(diǎn)布置

如圖5、表4～5所示，受各方案不同導(dǎo)流墻布設(shè)影響，各速度點(diǎn)流速與各段流速超標(biāo)水域面積均不同。在原始方案與優(yōu)化方案1工況下，存在橫向流速超標(biāo)的流速點(diǎn)出現(xiàn)在較明顯的流速超標(biāo)水域。而在優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3下，不存在橫向流速超標(biāo)的流速點(diǎn)，僅優(yōu)化方案3在靠船段存在局部水域不滿足要求。

表4 下游引航道采樣點(diǎn)縱向、橫向流速 m/s

在原始方案下，超標(biāo)的流速點(diǎn)有：靠船段XKC3點(diǎn)橫向流速0.17 m/s、口門段XKM2點(diǎn)橫向流速0.31 m/s，此外，靠船段縱向流速超標(biāo)1 426 m2、橫向流速超標(biāo)1 727 m2、口門段橫向流速超標(biāo)576 m2；優(yōu)化方案1超標(biāo)的流速點(diǎn)有口門段XKM2點(diǎn)橫向流速0.28 m/s，此外，靠船段縱向流速超標(biāo)131 m2、橫向流速超標(biāo)142 m2、口門段橫向流速超標(biāo)172 m2；優(yōu)化方案2，船閘下游引航道與口門段流速均滿足要求；優(yōu)化方案3，流速點(diǎn)縱向與橫向流速均滿足要求，僅靠船段橫向流速超標(biāo)140 m2。

分析比較原始方案與優(yōu)化方案1可知：通過改變導(dǎo)流墻走向平行引航道可以有效減小水流擴(kuò)散斜向進(jìn)入航道的角度、有效減小引航道中水體橫向流速、有效減小引航道中流速超標(biāo)的水域面積，其中靠船段縱向流速和橫向流速的改善效果達(dá)90%，口門段橫向流速改善效果達(dá)70%。

分析比較優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2可知：通過延長導(dǎo)流墻長度，可以進(jìn)一步改善引航道內(nèi)水流通航條件；優(yōu)化方案2中的導(dǎo)流墻長度為250 m，其尺寸與船閘下游引航道(導(dǎo)航段+靠船段)長度近似，對(duì)引航道內(nèi)水體起到充分的掩護(hù)作用；河道右側(cè)下泄水流通過導(dǎo)流墻后，擴(kuò)散并直接進(jìn)入口門段，由于口門段航道轉(zhuǎn)向正北方向，使得水流斜向進(jìn)入口門段的角度進(jìn)一步減小，更好地保證了口門段通航水流條件。根據(jù)表5可知，與優(yōu)化方案1相比，優(yōu)化方案2在靠船段縱向流速和橫向流速的改善效果以及口門段橫向流速改善效果均達(dá)100%。

表5 下游引航道縱向、橫向流速超標(biāo)面積 m2

分析比較優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案3可知：通過在導(dǎo)流墻末端增設(shè)導(dǎo)流墩，對(duì)引航道以及口門段的水流條件存在一定的改善作用；增設(shè)導(dǎo)流墩后，靠船段的縱向流速與口門段的橫向流速均滿足規(guī)范要求，然而導(dǎo)流墩對(duì)靠船段橫向流速并沒有明顯的改善效果，該段水域橫向流速超標(biāo)面積仍為140 m2。根據(jù)表5可知，與優(yōu)化方案1相比，優(yōu)化方案3在靠船段縱向流速和口門段橫向流速改善效果均達(dá)100%，在靠船段橫向流速改善效果不足2%。

5 結(jié)論

1)原始方案與優(yōu)化方案1對(duì)比，在下泄水流與引航道存在一定交角時(shí)，通過布設(shè)平行于引航道的導(dǎo)流墻可以較好地保護(hù)航道內(nèi)水流條件，其靠船段與口門段通航水流條件改善效果可達(dá)70%～90%。

2)優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案2對(duì)比，導(dǎo)流墻長度越長對(duì)引航道掩護(hù)作用越充分、通航水流條件改善效果越好，靠船段與口門段通航水流條件改善效果可達(dá)100%。

3)優(yōu)化方案1與優(yōu)化方案3對(duì)比，通過布設(shè)導(dǎo)流墩，可以較好地改善引航道內(nèi)縱向流速條件，改善效果均達(dá)100%；但對(duì)靠船段橫向流速條件的改善效果不明顯，改善效果不足2%。