雅口樞紐上游隔流堤布置技術研究

閆 濤，周糧江，普曉剛，李君濤

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

雅口樞紐上游隔流堤布置技術研究

閆 濤1，周糧江2，普曉剛1，李君濤1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

合理確定隔流堤布置參數可以有效改善樞紐敞泄時的通航水流條件。以雅口航運樞紐為例，采用模型試驗研究了船閘上游口門區(qū)水流條件與隔流堤堤身長度的關系，和堤頭線型對其附近連接段通航水流條件的影響。結果表明：隨著隔流堤長度的增加口門區(qū)最大橫向流速先減小后增大，存在最優(yōu)隔流堤長度以改善口門區(qū)通航水流條件；堤頭采用等弦長但弧長不同的曲線線型時，堤頭附近連接段通航水流條件隨曲線弧長的減小逐漸轉差，但相應的口門區(qū)通航水流條件逐漸轉好。

通航樞紐；主槽過渡；隔流堤長；堤頭彎段；水流條件

為避免水流流向與船閘引航道口門區(qū)軸線夾角過大，樞紐通常布置于順直河段，引航道與主航道平順連接，以滿足通航水流條件的要求［1-2］。當樞紐布置遇到以下情況：（1）受河道地形地質、城市防洪及周邊經濟發(fā)展等因素限制而不具備在順直河道布置的條件；（2）船閘布置要求的順直河段長度難以滿足要求；（3）樞紐處于順直河道，但主槽由河岸一側向另一側過渡。此時樞紐布置于彎曲河段或是河道順直但主槽過渡的河段，相應的船閘上、下游通航水流條件需要采取措施改善。那吉、大源渡等樞紐通航水流條件的研究表明［3-4］，當樞紐布置于彎曲河段時，一般采取通航建筑物與電站分散布置的措施，且船閘宜在凹岸一側；當樞紐布置于主槽過渡的順直河段時，為使船閘引航道及口門區(qū)取得較好的通航水流條件，常采用隔流堤、導流堤、導流板等工程措施［5-8］。隔流堤的不同布置形式對通航水流條件改善效果影響較大。本文以雅口航運樞紐為例，基于模型試驗確定船閘上游隔流堤的最優(yōu)布置長度，并研究了隔流堤堤頭不同曲線參數對應的堤頭附近連接段通航水流條件。

1 樞紐上游斜向水流成因

順直過渡段河道布置通航樞紐，若將船閘上游引航道口門區(qū)與主航道平順銜接，則下游引航道口門區(qū)與主航道為異岸連接，連接段需跨河，見圖1?？紤]到樞紐上游為庫區(qū)，蓄水運行后水位壅高流速降低，即便上游引航道與主航道異岸連接，在非敞泄情況下，連接段跨河時流速較小，橫向流速基本在允許范圍內。因此當樞紐布置于主槽過渡段時，優(yōu)先考慮船閘下游引航道與主航道的平順銜接，見圖2。

樞紐采用上游引航道與主航道異岸連接形式布置于主槽過渡的順直河段（圖2），在敞泄情況下，斜向水流成因有兩個方面：其一是異岸連接的形式使連接段航道跨河，水流流向與連接段航道形成夾角，產生斜向水流；其二是順直過渡段壩線垂直于水流方向布置時，可能出現壩線與主槽正交，但與整體河勢斜交的情況，當大流量敞泄時水流趨直，在船閘上游口門區(qū)附近出現較大范圍的斜流區(qū)。因敞泄時流速較大，口門區(qū)橫流值極易超標，造成船舶航行困難。為消除斜向水流的不利影響，平行于引航道布置隔流堤以掩護口門區(qū)及連接段航道。隔流堤下游的回（緩）流區(qū)或能夠將此水域橫向流速控制在規(guī)范要求之內，從而保證船舶航行安全，見圖3。

圖1 上游主航道與引航道平順銜接Fig.1 Connection between upstream main channel and approach channel

圖2 下游主航道與引航道平順銜接Fig.2 Connection between downstream main channel and approach channel

圖3 受隔流堤掩護的船閘上游引航道口門區(qū)Fig.3 Upstream entrance of approaching channel conserved by partition dyke

擬建雅口航運樞紐位于漢江中游，所處河段屬順直微彎型，壩址上游主槽貼左岸，壩址處主槽由左岸向右岸過渡，壩址以下主槽貼右岸。右岸船閘方案布置見圖4，此方案中電站與船閘異岸布置。為保證船閘下游引航道與右側河道主航道的平順連接，壩線與主槽正交，但與整體河勢斜交。初設階段樞紐最大設計通航流量為13 500 m3/s，當流量大于8 700 m3/s時樞紐敞泄運用。樞紐敞泄運用且有通航任務時，船閘上游主航道與引航道的連接需要跨越大范圍斜流區(qū)，口門區(qū)航道最大橫向流速值超過規(guī)范允許值，船舶航行困難。雅口航運樞紐采用在船閘右側設置隔流堤的方法掩護口門區(qū)。其隔流堤堤身長度與堤頭曲線線型參數的合理布置具有重要意義。

2 隔流堤堤身長度

按照幾何相似與重力相似準則建立雅口樞紐正態(tài)模型，使其滿足水流運動相似要求，幾何比尺為100。雅口樞紐擬建方案中共有三種不同長度的隔流直堤，堤身長度分別為800 m、1 000 m和1 200 m。針對上述隔流堤形式開展最大通航流量13 500 m3/s和和最小敞泄流量8 700 m3/s下的水流運動試驗。其中13 500 m3/s河道表面流場分布見圖5。試驗結果見表1。

圖4 擬建雅口樞紐右岸船閘方案布置圖Fig.4 Layout of planned Yakou navigation project

表1 不同長度隔流堤的試驗結果Tab.1 Test results of navigation flow conditions in case of partition dyke with different length

從口門區(qū)通航水流條件改善程度看，當流量為13 500 m3/s時，1 000 m隔流堤對應的最大橫向流速為0.21 m/s，小于800 m和1 200 m隔流堤對應的值；其中800 m隔流堤最大橫流出現于距口門400 m的位置，1 200 m隔流堤最大橫流值出現在口門處。由此可見，13 500 m3/s流量下應存在掩護口門區(qū)的最優(yōu)隔流堤長度，既不會因堤身過短而使口門區(qū)暴露于回流范圍之外，又不會因堤身過長使口門處出現“攔門水”。當流量為8 700 m3/s時，回流長度和最大寬度均有所減小，口門區(qū)最大橫向流速也減小，與其他試驗組次相比1 000 m長的隔流堤對口門區(qū)仍然能夠起到較好的掩護作用。

圖5 不同組次在最大通航流量下隔流堤附近流場示意圖Fig.5 Graph of flow field near partition dyke with different length under the maximum navigable discharge condition

3 隔流堤堤頭線型

合理的隔流堤長度能夠對口門區(qū)起到很好的掩護作用。但在連接段航道因其經過隔流堤堤頭，堤頭靜水和動水交界的分流點位置呈跌流失漩渦，使船舶被擠向堤頭，即堤頭效應。若堤頭效應過于明顯，則船舶航行條件不良，可能觸堤出險；同時堤頭挑流作用將在連接段航道內產生斜向水流。因此需優(yōu)化堤頭形態(tài)以調順水流，改善流態(tài)。

樞紐采用堤身長度為1 000 m的隔流堤時，口門區(qū)可以取得相對較優(yōu)的通航水流條件，故采用曲線堤頭改善連接段航道水流條件的研究基于此堤。以堤頭為起點設置C1-C6六條弦長L1均為200 m的堤頭彎段平滑相接于直堤（圖6）。堤頭彎段參數見表2，堤頭彎段弧長L2越小，其形態(tài)越接近直堤段。

表2 曲線堤頭參數及最大橫流值統(tǒng)計Tab.2 Parameters of dyke heads and the maximum transverse velocity

針對上述六組不同弧長的曲線堤頭形式，進行最小敞泄流量和最大通航流量下的水流運動試驗，并統(tǒng)計曲線堤頭200 m附近連接段航道和口門區(qū)航道內的橫向流速最大值，見表2。試驗結果表明：當流量為8 700 m3/s時，堤頭附近的連接段航道水流條件表現出隨堤頭彎段弧長的減小逐漸轉差的特點，當弧長為360 m時連接段最大橫流為0.4 m/s，當弧長減小至237 m時最大橫流為0.7 m/s；弧長越小挑流作用越明顯，相應口門區(qū)航道內通航水流條件越好。由此可見，隨著堤頭曲線段弧長的增加，口門區(qū)和連接段航道的通航水流條件呈現出截然相反的變化特點。流量的增大并不改變上述變化規(guī)律。

基于上述試驗條件和范圍，采用曲線隔流堤堤頭改善通航水流條件時，需要遵循口門區(qū)航道通航水流條件為主，兼顧連接段航道的設計思路。對雅口樞紐初設右岸船閘方案，選取組次C3、C4，可取得相對較好的口門區(qū)及連接段航道通航水流條件。

4 結論

（1）航運樞紐布置于主槽過渡的順直河道時，上、下游主航道與引航道平順銜接不能兼顧。優(yōu)先考慮船閘下游連接，則上游航道在樞紐敞泄時將穿越斜流區(qū)，需采取隔流堤來掩護船閘上游口門區(qū)航道。

（2）口門區(qū)通航水流條件的改善隨堤身長度的增加表現為先趨好后趨差的特點，存在最優(yōu)隔流堤長度，既可掩護口門區(qū)，又不在口門處產生“攔門水”。流量增大后水流條件仍保持同樣的變化特征。

（3）堤頭彎段在弦長相同的情況下，隨著弧長的減小，堤頭附近連接段通航水流條件逐漸轉差，口門區(qū)通航水流條件逐漸轉好，兩者變化規(guī)律相反。在方案選取時應遵循以口門區(qū)為主，兼顧連接段航道通航水流條件的原則。

［1］JTJ305-2001，船閘總體設計規(guī)范［S］.

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［8］李亦仙.上引航道隔流堤對水流及樞紐泄流能力的影響研究［D］.長沙：長沙理工大學，2011.

Study on layout of upstream partition dyke in Yakou project

YAN Tao1,ZHOU Liang?jiang2,PU Xiao?gang1,LI Jun?tao1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China；2. College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Appropriate dyke length is the promise of good navigation condition in upstream ship lock entrance. Taking Yakou project for example,the relationship between navigation flow condition and length of dyke was investi?gated,and then the effect on the flow condition caused by different dyke forms was revealed.Results show that the maximum transverse velocity at the entrance area decreases with the increase of dyke length firstly,and then in?creases.There is an optimal length of the separation dyke which can provide favorable flow condition.According to the dyke heads with the same chord length but different arc length,navigation flow conditions around the dyke head become worse when arc length decreases，but the flow conditions in ship lock entrance area gradually become more advantageous.

navigation project;transitional channel;dyke length;dyke head;flow condition

TV 139.2；U 656.2

A

1005-8443（2016）03-0275-04

2015-04-27；

2015-08-25

閆濤（1988-），男，山西省呂梁人，工程師，主要從事內河港航工程方面研究。

Biography：YAN Tao（1988-），male，engineer.