蘇 瑩，付 菁，張春澤，周 勤

(1.重慶交通大學(xué)西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400010；2.重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400074；4.長江水利水電開發(fā)集團(湖北)有限公司，湖北 武漢 430072)

隨著水運業(yè)迅猛發(fā)展，船舶流量顯著增長、船型尺度大幅增加，一些早期建設(shè)的船閘的過閘能力不能滿足水運需求，導(dǎo)致礙航滯航現(xiàn)象頻繁發(fā)生。在原有船閘基礎(chǔ)上進行改擴建，是提高航電樞紐通過能力的重要手段。然而，船閘改擴建工程往往會受地形、已建樞紐建筑物、河勢等多重控制因素制約，設(shè)計及建設(shè)難度均較新建一線船閘更大。例如：飛來峽水利樞紐受場地限制，在凸岸布置新船閘后，上游口門區(qū)橫向流速過大[1]；韓江南溪新建船閘受河勢及周邊環(huán)境限制，船閘閘室軸線與河道交角較大，導(dǎo)致口門區(qū)橫流超標[2]。船閘通航水流條件的好壞直接關(guān)系船舶的過閘安全，改擴建船閘設(shè)計方案的合理性可預(yù)先通過研究其通航水流條件來分析論證，水流條件差時，可針對存在的水流問題采取措施優(yōu)化設(shè)計方案。例如：白垢樞紐新建二線船閘時，通過建立二維數(shù)學(xué)模型計算新船閘引航道內(nèi)水流流態(tài)及對比新舊船閘引航道流場變化后，對新船閘設(shè)計合理性及最佳通航水流條件進行了論證[3]；麻石船閘改擴建工程中，針對3個改善口門區(qū)復(fù)雜通航條件的優(yōu)化方案建立樞紐下游河道二維水流模型，分析比較各方案口門區(qū)通航水流條件后，得出了滿足通航安全指標的最優(yōu)方案[4]。

清遠樞紐是珠江流域北江下游的重要航運節(jié)點。為滿足最新形勢下北江日漸增長的水運需求、順應(yīng)航道擴能升級趨勢，擬在清遠樞紐原船閘基礎(chǔ)上新建三線船閘，同時預(yù)留四線船閘建設(shè)空間。清遠樞紐右岸已布置一、二線船閘且投入運行，樞紐左岸下游因有電站廠房下泄水流及大燕河大角度匯入導(dǎo)致水流條件復(fù)雜，在嚴苛的現(xiàn)場布置環(huán)境和水流條件下，亟需探索保障三線船閘通航水流條件的布置方案與優(yōu)化措施。本文通過建立清遠樞紐局部河段二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬新建三線船閘在各典型工況下的引航道口門區(qū)及連接段流速分布，分析通航水流條件驗證新建船閘布置的合理性，同時針對存在的水流問題提出改善措施進行優(yōu)化試驗，給出滿足通航要求的船閘布置方案。

1 工程概況

清遠水利樞紐位于北江下游廣東省清遠市境內(nèi)，由干流樞紐和大燕河水閘組成，樞紐所在河段現(xiàn)狀河勢見圖1?，F(xiàn)有通航建筑物設(shè)置于樞紐右岸，一線船閘有效尺度為220 m×34 m×4.5 m，布置于河床右岸；二線船閘有效尺度為180 m×23 m×4.5 m，布置于一線船閘右側(cè)。兩閘中心距為90 m，均為1 000噸級船閘。

圖1 樞紐河段河勢

擬在一、二線船閘基礎(chǔ)上新建三線船閘并預(yù)留四線船閘建設(shè)空間，其單個船閘建設(shè)規(guī)模為內(nèi)河2 000噸級船閘(兼顧通航3 000噸級單船)，閘室有效尺度擬采用280 m×34 m×5.8 m。三線船閘平面布置規(guī)劃設(shè)計時考慮了左岸和右岸兩種建設(shè)方案，其中右岸方案擬建三、四線船閘自西向東布置在北江右岸，與現(xiàn)一、二線船閘平行，東側(cè)臨近二線船閘，該方案新船閘施工期對現(xiàn)有船閘運營有較大干擾，且西側(cè)需對已建清西圍大堤退堤改線，改線工程的水利協(xié)調(diào)難度、施工開挖量、堤后移民和征堤拆遷的難度均十分突出，因此本文主要針對左岸方案通航水流條件展開研究。

左岸方案擬建三、四線船閘布置在北江左岸，采用閘壩并列式自西向東布置，總平面布置見圖2。三、四線船閘中心距為57 m，采用雙排停靠共用引航道方案，上下游引航道均采用“曲線進閘、直線出閘”的布置方式，引航道底寬150 m，兩側(cè)均布置有導(dǎo)航墻、靠船墩，導(dǎo)航調(diào)順段長180 m，停泊段長280 m。上游引航道占用現(xiàn)魚類增殖站場地，擬補償建設(shè)過魚通道。為保證船舶通航的水流條件，上引航道向上游直線延伸3.3 km與主航道連接。下游引航道向下游直線延伸約1.4 km，橫跨大燕河口，經(jīng)爛柴洲左汊與主航道連接，右側(cè)停泊段末端續(xù)建分水墻、導(dǎo)流墩與爛柴洲相連以應(yīng)對泄水閘及電站下泄水流影響，同時考慮到北江大堤保護要求，航道左岸底邊線距離北江大堤腳約252 m。

圖2 左岸方案平面布置

2 二維水流數(shù)學(xué)模型建立與驗證

2.1 模型控制方程及數(shù)值解法

模型采用水深、流速沿水深垂向平均分布的平面二維淺水方程[5]，包括水流連續(xù)方程和動量方程。計算域空間離散使用有限體積法。對于時間積分，淺水方程求解有低階顯式的Eluer方法和二階的Runge-Kutta方法。

2.2 邊界條件

平面二維水流模型中，進口邊界給定流量、出口邊界給定水位；岸邊界為非滑移邊界，給定邊界法線方向流速為零，對于頂面高程高于或接近防洪設(shè)計水位的建筑物也建立岸邊界，內(nèi)部不設(shè)置網(wǎng)格，如靠船墩、導(dǎo)航墻、分水墻等；動邊界(干濕邊界)采用凍結(jié)法處理，通過定義臨界水深Δh來確定干、濕單元，當水深h>Δh時，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量級)。

2.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

建立的模型以清遠樞紐為界分為上、下游兩段，上游段為樞紐上游6.3 km至樞紐壩軸線，下游段為樞紐壩軸線至下游石角水文站所在斷面，長約4.8 km，兩岸模型范圍為已建大堤之內(nèi)。計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行離散，網(wǎng)格的大小疏密沿河道河勢寬窄變化不等，導(dǎo)流堤堤頭、靠船墩、分水墻等特征建筑物均設(shè)為固壁邊界，并對其周圍網(wǎng)格進行加密。上游段布置網(wǎng)格單元4.783 7萬個，網(wǎng)格節(jié)點2.453 4萬個，下游段布置10.816 7萬個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格節(jié)點5.489 0萬個，網(wǎng)格平均節(jié)點間距約25 m，最小局部網(wǎng)格密度為1.5 m。模型局部計算網(wǎng)格見圖3。

圖3 模型局部計算網(wǎng)格

2.4 模型驗證

經(jīng)實測資料率定，該河段主槽糙率范圍為0.029～0.032，岸灘糙率范圍為0.032～0.037，此外，由于船閘上游段模型遠壩段缺少實測資料，故遠壩段糙率參照近壩段進行取值?，F(xiàn)選擇樞紐下泄流量為5 000 m3/s時的觀測沿程水面線對模型進行驗證。通過水面線驗證(圖4)可知，模型計算水面線與觀測水面線吻合較好，誤差均在(-0.10 m，0.10 m)，滿足水面線相似要求。

圖4 研究河段水面線驗證

3 計算成果分析

JTJ 305—2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》[6]規(guī)定：引航道口門區(qū)長度取455 m((2倍頂推船隊長度)；引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動段和停泊段的水面最大流速縱向不應(yīng)大于0.5m/s，橫向不應(yīng)大于0.15 m/s；口門區(qū)水面最大流速限值為v縱≤2.0 m/s、v橫≤0.3 m/s、v回流≤0.4 m/s；參照口門區(qū)通航水流條件基本要求判別口門區(qū)與主航道之間連接段水流條件的優(yōu)劣。此外，規(guī)范對最大流速的限值均指表面流速，模型計算流速為垂向平均流速，故本文中縱向、橫向及回流流速值均已換算為水體表面流速進行分析。

3.1 計算工況

根據(jù)清遠水利樞紐一、二線船閘設(shè)計方案，樞紐上下游設(shè)計最高通航水位為10 a一遇洪水位，此時泄洪閘敞泄，電站停止發(fā)電，下游大燕河水閘敞泄；上游設(shè)計最低通航水位取來流量2 930 m3/s時的壩前水位，此時電站即將由滿發(fā)轉(zhuǎn)為停機，多余來水由泄洪閘下泄，大燕河泄生態(tài)流量。另外，當干流泄洪量大于5 000 m3/s時，大燕河水閘敞泄?，F(xiàn)利用最低到最高通航水位之間的4種水位流量組合(表1)作為控制工況對擬建三線船閘方案進行驗證、優(yōu)化。

表1 模型計算工況

3.2 通航水流條件分析

由于在左岸布置三線船閘對右岸一、二線船閘通航水流條件影響不大，各工況下一、二線船閘通航水流條件均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)主要對三線船閘設(shè)計方案進行水流條件分析及方案優(yōu)化。

3.2.1三線船閘上游段

表2為各計算工況下口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值，圖5為船閘上游引航道口門區(qū)及部分連接段在流量Q為5 000、9 259、13 224 m3/s時的流速分布。據(jù)表2和圖5知，船閘口門區(qū)及連接段整體流速隨上游來流量增大而增大，連接段水流流速及流態(tài)良好，但口門區(qū)水流順航道中心線向右側(cè)偏移，在與放坡尾部相連接區(qū)域橫流逐漸顯著。當流量Q≥5 000 m3/s時，口門區(qū)右側(cè)橫流均超出安全限值0.3 m/s，通航條件差。

表2 三線船閘口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值

圖5 不同流量下三線船閘上游引航道口門區(qū)及部分連接段流速分布(單位：m/s)

3.2.2三線船閘下游段

表3為在各計算工況下口門區(qū)及大燕河口處連接段流速情況，圖6為大燕河匯口處航道連接段的流速分布。據(jù)表3知，在各工況下口門區(qū)縱向、橫向及回流流速最大值均滿足規(guī)范的安全限值，通航條件良好。結(jié)合表3及圖6知，工況2大燕河以小流量11 m3/s匯入時，匯口流速非常小，連接段水流條件良好；工況3大燕河流量增加到1 510 m3/s時，匯口水流流速顯著增大，大燕河口水流直沖航道連接段，產(chǎn)生的橫流流速最大值達0.61 m/s，通航條件差；工況4大燕河為2 480 m3/s時，大燕河水位上升，河面變寬，匯口流速較工況3減小，水流匯入航道連接段后，連接段內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，流速值均滿足規(guī)范要求。

表3 三線船閘下游口門區(qū)及大燕河匯口處航道連接段流速值

圖6 各計算工況下大燕河匯口處航道連接段流速分布(單位：m/s)

4 船閘方案優(yōu)化試驗

4.1 三線船閘上游段引航道口門區(qū)

受導(dǎo)航分水建筑物、樞紐泄水閘及放坡區(qū)域的影響，于左岸方案三線船閘上口門區(qū)而言，河道斷面變窄導(dǎo)致河道水流收縮產(chǎn)生斜向水流，根據(jù)上述分析結(jié)果，上游口門區(qū)右側(cè)與放坡區(qū)尾部的連接段水流橫向流速在流量Q≥5 000 m3/s時大于0.3 m/s，需采取措施進行改善。

目前國內(nèi)外工程經(jīng)大量試驗研究后已提出多種改善口門區(qū)橫流的工程措施[7-12]，如調(diào)整導(dǎo)航堤長度、優(yōu)化導(dǎo)流堤堤頭形式、堤身開孔引流、口門區(qū)設(shè)置導(dǎo)流墩等，其中設(shè)置導(dǎo)流墩實用方便、改善效果好，近年來已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個樞紐工程實踐[13-14]，本文擬采用在上游右側(cè)導(dǎo)流堤頭前布置導(dǎo)流墩來改善口門區(qū)橫流。

導(dǎo)流墩通過對水流的均化和阻流作用減小斜流強度，對橫流的改善效果主要取決于導(dǎo)流墩的布置形式和尺寸。上游布置的單個導(dǎo)流墩長度設(shè)置為10 m，導(dǎo)流墩平行于航道中心線布置，為確定適宜的導(dǎo)流墩形狀、間距和數(shù)量，采用控制變量法擬定了4種優(yōu)化方案(圖7)在最不利工況即上游來流量為Q=13 224 m3/s時進行試驗研究，具體試驗的各優(yōu)化方案在口門區(qū)的斜流夾角范圍及最大縱向、橫向流速值見表4，船閘原始方案與各優(yōu)化方案在圖7中口門區(qū)設(shè)置的16個斷面對應(yīng)的最大縱向、橫向流速值對比情況見圖8。

表4 Q=13 224 m3/s時各優(yōu)化方案口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值

圖7 各優(yōu)化方案布置及口門區(qū)斷面設(shè)置

圖8 Q=13 224 m3/s時原始方案及各優(yōu)化方案口門區(qū)各斷面流速值

試驗分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案Ⅰ和Ⅱ僅導(dǎo)流墩截面形狀不同，在導(dǎo)流墩范圍內(nèi)，方案Ⅱ?qū)υ荚O(shè)計方案中CS7～CS11的橫流改善效果顯著優(yōu)于方案Ⅰ，均降至0.3 m/s之下，由此可知采用平行四邊形截面導(dǎo)流墩對橫流的改善效果優(yōu)于矩形截面，至于方案Ⅱ存在于導(dǎo)流墩末端區(qū)域(CS4～CS6)大于0.3 m/s的橫流，可通過繼續(xù)延長導(dǎo)流墩范圍進行改善。

此外，對于不同導(dǎo)流墩間距的優(yōu)化方案Ⅱ和Ⅲ，方案Ⅲ間距較大，相鄰導(dǎo)流墩之間局部透水量增加，與方案Ⅱ相比反而加劇了橫流影響，致使方案Ⅲ中CS6～CS10的橫流改善效果均未達標。

隨后，在方案Ⅱ基礎(chǔ)上延長導(dǎo)流墩范圍得到方案Ⅳ，結(jié)果顯示除斷面4最大橫流略有超標外(0.31 m/s)，其他斷面均低于0.3 m/s，且CS1～CS10的縱向流速較原始方案普遍減小，可使口門區(qū)的水流條件基本滿足船舶安全通航的要求。

4.2 三線船閘下游段航道連接段

根據(jù)3.2.2節(jié)計算結(jié)果，大燕河匯流直沖航道加劇橫流強度，使三線船閘下游連接段橫流超標，故應(yīng)采取措施調(diào)順匯口流向并降低流速。根據(jù)大燕河來流趨勢，擬在大燕河口設(shè)置長約400 m的L形導(dǎo)流順壩和導(dǎo)流墩以調(diào)順大燕河水流(順壩和導(dǎo)流墩頂部高程均設(shè)為9 m)；另外擬通過擴大河口寬度、浚深河口降低入?yún)R段流速，具體優(yōu)化措施設(shè)置見圖9。

圖9 大燕河口處設(shè)置導(dǎo)流順壩、導(dǎo)流墩及河口拓寬浚深

采取上述工程措施后，航道連接段在各工況下流速大小及分布見表5、圖10。在大燕河流量Q≥1 510 m3/s時，水流漫過導(dǎo)流順壩及導(dǎo)流墩，大燕河水流在導(dǎo)流順壩和導(dǎo)流墩作用下流向改變，工況3中水流在導(dǎo)流作用下不再直沖航道連接段，河口拓寬浚深后流速降低，連接段縱、橫向流速顯著減小，最大橫向流速降至0.24 m/s，工況2和4中，縱、橫流較原始情況無明顯變化，流速值均在規(guī)范要求內(nèi)，連接段整體通航水流條件良好。

表5 采取工程措施后大燕河匯口處航道連接段流速值

圖10 采取工程措施后各計算工況下大燕河匯口處航道連接段流速分布(單位：m/s)

5 結(jié)論

1)對清遠樞紐上、下游局部河段及設(shè)計方案建立二維水流數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)三線船閘上引航道口門區(qū)斜流顯著，Q為5 000、9 259、13 224 m3/s時，橫流均超出安全限值，通航條件差；三線船閘下游段口門區(qū)通航水流條件良好，連接段中大燕河匯口處在樞紐下泄流量為9 259 m3/s、大燕河流量為1 510 m3/s時，橫流顯著，通航條件差。

2)針對三線船閘上游口門區(qū)橫流較大的問題，采取在口門區(qū)右側(cè)導(dǎo)流堤頭增設(shè)導(dǎo)流墩來改善橫流，通過比選導(dǎo)流墩優(yōu)化方案的改善效果，布置24個截面形狀為平行四邊形、間距為5 m的導(dǎo)流墩，可作為適宜的導(dǎo)流墩布置形式。

3)通過在大燕河口布置導(dǎo)流順壩、導(dǎo)流墩及拓寬浚深河口的措施，可調(diào)順河口水流、降低流速、改善橫流，使水流入?yún)R后下游船閘連接段水流條件符合規(guī)范要求。