多線船閘口門區(qū)及連接段通航水流條件試驗(yàn)研究

李 霞，左 寧，彭永勤

(1. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016； 2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

船閘是聯(lián)通不連續(xù)航道水域的通航建筑物，通過能力有限，往往成為內(nèi)河水運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)、甚至是瓶頸口，船閘的通過能力影響著整個(gè)水運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力[1-2]。船閘尺寸是船閘通過能力的重要因素。據(jù)相關(guān)資料[3-7]，長江三峽雙線五級(jí)連續(xù)船閘尺寸為280 m×34 m×5 m，設(shè)計(jì)水平年為2030年，設(shè)計(jì)單向通過能力為5 000萬噸，而2009年三峽船閘通過貨運(yùn)量已達(dá)6 088萬噸；葛洲壩船閘1#、2#船閘尺寸為280 m×34 m×5 m，設(shè)計(jì)單向通過能力為4 000萬噸，3#船閘120 m×18 m×3.5 m，設(shè)計(jì)單向通過能力為1 000萬噸，2008年其通過量已達(dá)5 635.77萬噸；西江長洲水利樞紐1#船閘為200 m×34 m×4.5 m，2#船閘為185 m×23 m×3.5 m，船閘設(shè)計(jì)年過閘貨運(yùn)量合計(jì)為3 920萬噸，2007年通過量已達(dá)3 627萬t，已增建三、四線3 000 t、有效尺寸為280 m×34 m×6.3 m的大型船閘。因此，在樞紐設(shè)計(jì)階段，需合理預(yù)測過壩貨運(yùn)量，結(jié)合壩址環(huán)境、引航道口門區(qū)及連接段的水流條件等，慎重選擇船閘的有效尺寸及布置方案，避免因船閘通過能力不足導(dǎo)致塞船事件。

選取長江上游某規(guī)劃樞紐設(shè)計(jì)過程中的3種船閘布置方案，通過結(jié)合水工模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)方法，對比分析了不同方案下引航道口門區(qū)及連接段的通航水流情況，為類似多線船閘的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

規(guī)劃樞紐(圖1)位于三峽水庫回水區(qū)末端，上游峽谷河段河寬不足250 m，出峽后河床驟然放寬，經(jīng)4個(gè)主通航孔跨度僅為80 m的老鐵路橋，被大中壩分為左、右兩汊，其中左汊為主槽，內(nèi)有分散淺磧，其下為中堆寬淺分汊型河道；右汊副槽入口上延伸至老橋?yàn)檫B片礁石?？菟谧筱夂讲鬯鲝?、淺、急，尤其大中壩尾部中堆河段掃彎水等礙航流態(tài)明顯。

圖1 工程河段河勢Fig. 1 Map of Engineering river

規(guī)劃樞紐壩址處多年平均流量8 590 m3/s，水庫正常蓄水位197 m，死水位195 m，汛期防洪限制水位193 m，總庫容13×108m3，電站總裝機(jī)容量2 030 MW，航道等級(jí)為I級(jí)。主要建筑物為：船閘位于枯水主河床左岸，泄水閘分別位于大中壩左、右岸河槽，發(fā)電廠房分別緊鄰大中壩島兩側(cè)布置，仿自然通道位于左、右電站廠房之間。

2 樞紐船閘方案

2.1 船閘布置原則

規(guī)劃樞紐壩址上游有鐵路橋，左岸有鐵路及火車站，右岸有火電廠，環(huán)境復(fù)雜，制約了樞紐的平面布置。為合理布置船閘，結(jié)合壩區(qū)實(shí)際情況，確定了規(guī)劃船閘布置原則為：①保證樞紐必要的泄洪能力；②不遷移鐵路線、火車站及珞璜電廠；③保證適度的船閘規(guī)模及擴(kuò)展能力；④采用合理引航道布置模式，使停泊段盡可能靠近閘首，縮短引航道長度；⑤盡可能提高洪水期通航保證率。

2.2 船閘方案

設(shè)計(jì)過程中船閘規(guī)模及閘室尺寸多次變化，主要選取雙線小船閘、雙線大船閘和三線大船閘3種方案進(jìn)行水流條件試驗(yàn)研究。各方案船閘均布置于左汊河槽，為單級(jí)船閘，船閘中心軸線與壩軸線呈90°正交，船閘結(jié)構(gòu)如圖2。

2.2.1 雙線小船閘

該方案航道等級(jí)按Ⅲ級(jí)考慮。閘室有效尺度均為200 m×23 m×5.5 m，兩線船閘共用上、下游引航道，上引航道長670 m，底板高程186 m；下引航道長585 m，底板高程166.1 m，兩線船閘之間布置3孔寬14 m的沖沙閘，上、下游引航道總寬度均為150～189 m，相應(yīng)的口門區(qū)長350 m、寬150 m，見圖3。

圖3 雙線小船閘布置(200 m×23 m×5.5 m)Fig. 3 Layout of double-lane small lock

2.2.2 雙線大船閘

該方案航道等級(jí)按Ⅰ(3)級(jí)考慮。閘室有效尺度為280 m×34 m×5.5 m，兩線船閘之間的沖沙閘由3孔減少為2孔，上、下游引航道分別長892 m、780 m，寬度均為152.5～200 m，口門區(qū)均長450 m、寬210 m，見圖4。

圖4 雙線大船閘布置(280 m×34 m×5.5 m)Fig. 4 Layout of double-lane big lock

2.2.3 三線大船閘

該方案是在既滿足船閘中長期過壩貨運(yùn)量需求、又不影響現(xiàn)有鐵路線及小火車站運(yùn)行的前提下，航道等級(jí)按Ⅰ級(jí)考慮的船閘布置方案。該方案取消了沖沙閘，一期并列建設(shè)雙線船閘，在其左側(cè)預(yù)留第三線船閘，閘室的有效尺度均為280 m×34 m×6.5 m。其中，一、二線船閘共用上、下游引航道，上引航道直線段長892 m，寬150 m，底高程186 m，下引航道直線段長780 m，寬150 m，底高程166.1 m；第三線船閘上、下游引航道獨(dú)立布置，引航道寬均為70 m，其長度和底高程與兩線船閘相同。一、二線船閘軸線間距57 m，二、三線船閘軸線間距120 m。在二、三線船閘引航道之間設(shè)分水隔墻，上、下游分水隔墻分別長800 m和715 m。上引航道口門區(qū)長450 m、寬260 m，下引航道口門區(qū)長450 m、寬285 m，見圖5。

圖5 三線大船閘布置(280 m×34 m×6.5 m)Fig. 5 Layout of three-lane big lock

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)概況

為詳細(xì)了解不同船閘方案口門區(qū)及連接段的通航水流條件，采用λL=λH=150的比尺建造正態(tài)定床物理模型，模擬壩軸線上游6.2 km至壩下游6.7 km共計(jì) 12.9 km的原型河段。模型建成后對河道水面線、斷面流速分布、水流流向等進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：模型與原型弗勞德數(shù)相似，模型水流處于阻力平方區(qū)，屬紊流狀態(tài)，最小水深>3.0 cm，滿足模型與原型重力相似和阻力相似的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可進(jìn)行下一步試驗(yàn)[8-12]。

根據(jù)GB50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，并結(jié)合《川江及三峽庫區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，本次船模試驗(yàn)代表船舶選用3 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)貨船和1+2×2 000 t頂推船隊(duì)，相應(yīng)的船舶主尺度為92.6 m×16.2 m×3.5 m(船長×船寬×吃水，下同)和182 m×16.2 m×2.6 m，船模靜水航速上行分別為0.45 m/s和0.41 m/s，下水均為0.33 m/s。試驗(yàn)航段為上、下游引航道口門區(qū)及連接段長為1.6 km航道。首先按1∶150比尺要求制作船模后在試驗(yàn)水池中進(jìn)行率定，后用遙控設(shè)備操縱船模在水工模型相應(yīng)航段航行。船模的航跡、航速、船位、漂角等航行要素由激光快速掃描遙測，船模的用車、用舵等操縱因素由CMJ-3無線電接口遙測，數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)算和繪圖。

根據(jù)GB50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，船閘引航道口門區(qū)流速的控制標(biāo)準(zhǔn)為：縱向流速≤2.0 m/s，橫向流速≤0.3 m/s，回流流速≤0.4 m/s，引航道口門外連接段與主航道的水流需平穩(wěn)過渡。

3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的資料，規(guī)劃樞紐初擬運(yùn)行方式為：當(dāng)上游來流量Q≤20 000 m3/s時(shí)左、右岸電站均發(fā)電，多余流量分別經(jīng)左岸、右岸泄洪閘控泄；隨著上游來流量的增加，電站逐漸關(guān)閉，左岸泄洪閘下泄流量逐漸增大，當(dāng)Q≥25 000 m3/s時(shí)電站全部關(guān)閉，多余流量經(jīng)左、右岸泄洪閘控泄。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中枯水期、樞紐按正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，壩前水位大幅抬高，上引航道口門區(qū)水流平緩，下引航道口門也因水位差小流態(tài)較好。因此，主要分析上游來流量為常年洪水流量20 000 m3/s、大洪水流量30 000 m3/s和20年一遇洪水42 600 m3/s(最高通航流量)時(shí)各船閘引航道口門區(qū)及連接段的水流條件[9]，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)基本工況Table 1 Basic test conditions

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 樞紐運(yùn)行方式對水流條件的影響

當(dāng)上游來流量為20 000 m3/s、機(jī)組發(fā)電時(shí)，進(jìn)行剩余流量全部經(jīng)從左泄洪閘下泄(工況①)和全部經(jīng)右泄洪閘下泄(工況②)兩組試驗(yàn)，以流速測量斷面距壩軸線距離為x軸，縱向流速值為y軸，得到口門區(qū)及連接段內(nèi)最大流速分布圖6。

圖6 口門區(qū)及連接段最大流速分布(Q=20 000 m3/s)Fig. 6 Distribution of maximum velocity at entrance and connection areas(Q=20 000 m3/s)

圖6中工況②口門區(qū)及連接段流速值較工況①明顯減小，上游口門區(qū)及連接段內(nèi)，雙線小船閘減小了約1.0 m/s，雙線大船閘減幅約0.5 m/s，三線大船閘流速值減幅較小，這是由于船閘線數(shù)越多、引航道越寬，口門區(qū)及連接段越靠近主流區(qū)，流速受主流影響越大；下游引航道口門區(qū)及連接段內(nèi)，工況② 3種船閘方案下最大值流速較工況①減小50%以上，其中雙線小船閘減幅約1.0 m/s，雙線大船閘減幅約0.8 m/s，三線大船閘減幅最大，達(dá)1.8 m/s左右，這是因?yàn)楣r②時(shí)下游引航道距主流較遠(yuǎn)，口門區(qū)為緩流區(qū)，而三線船閘距主流最遠(yuǎn)，因此三線大船流速值降幅最大。綜上，在來流量和船閘方案一定時(shí)，口門區(qū)及連接段最大流速受樞紐下泄方式的影響較大，尤以下游引航道為甚。

4.2 船閘規(guī)模對水流條件的影響

船閘引航道口門的位置關(guān)系到壩區(qū)航道的邊界條件和通航水流條件, 也影響到引航道的布置型式、尺度以及引航道內(nèi)的航行和停泊條件[13]。規(guī)劃船閘3個(gè)方案的引航道口門位置因船閘線數(shù)、閘室尺度不同而存在差異。雙線小船閘的上、下游引航道分別長670 m、585 m，雙線大船閘和三線大船閘方案分別為892 m、780 m，即大船閘方案上游口門較小船閘方案上移了222 m，下游口門下移了195 m，更臨近河道主流，口門區(qū)流速增大、橫流增強(qiáng)，通航條件相對變差；同時(shí)，雙線大船閘引航道寬約200 m，三線大船閘引航道寬約240 m，橫向上三線船閘距河道主流更近，口門區(qū)流速相對較大。

表2為各船閘方案下引航道口門區(qū)最大縱向、橫向和回流流速的統(tǒng)計(jì)情況，可以看出相同流量及工況下，口門的水流條件為雙線小船閘最優(yōu)，其次是雙線大船閘方案，再次為三線大船閘方案。隨著上游來流量增大，各方案口門區(qū)通航條件均逐漸變差：Q=30 000 m3/s時(shí)，連接段縱向流速已達(dá)2.0 m/s以上，若通過控制左岸泄洪閘開度使下泄流量不超過15 000 m3/s，口門區(qū)的通航指標(biāo)基本能滿足規(guī)范要求；Q=42 600 m3/s時(shí)各方案口門區(qū)縱向、橫向及回流流速均全面超標(biāo)，連接段的流速達(dá)3.3 m/s，船舶通行十分困難。經(jīng)分析，縱向、橫向流速最大值一般出現(xiàn)在口門區(qū)邊緣與主流的交界處，而回流最大值一般出現(xiàn)在引航道內(nèi)靠岸一側(cè)；各級(jí)流量下工況①左汊下泄流量均比工況②略大，因此工況②引航道內(nèi)的回流范圍較工況①大，但強(qiáng)度有所減小，尤其是三線大船閘方案，因二、三線船閘引航道之間加設(shè)隔流堤，第三線船閘的引航道基本位于回流區(qū)，船舶進(jìn)入引航道時(shí)需謹(jǐn)慎操作。

表2 各方案船閘口門區(qū)最大流速值Table 2 Maximum velocity at entrance of each scheme

4.3 船模試驗(yàn)成果

分析規(guī)劃壩址的水文資料可知，流量Q≥25 000 m3/s出現(xiàn)的多年平均天數(shù)為10.69 d，流量Q≥34 300 m3/s僅1.25 d，規(guī)劃樞紐最高通航流量42 600 m3/s，因此選取20 000、30 000、42 600 m3/s三級(jí)流量和水流條件較差的三線大船閘為船模試驗(yàn)方案。試驗(yàn)表明：試驗(yàn)船舶為1+2×2 000 t船隊(duì)，Q≤30 000 m3/s時(shí)1+2×2 000 t船隊(duì)通過上游航道的最大舵角為15.14°～21.41°，上行的最低航速為2.20～2.94 m/s；通過下游航道的最大舵角為15.26°～16.10°，上行最低航速為2.89～3.09 m/s，均優(yōu)于船模試驗(yàn)安全舵角25°、最低航速0.4 m/s限值，均滿足通航要求；當(dāng)流量達(dá)到最大通航流量42 600 m3/s時(shí)，船隊(duì)通過上游航道最大舵角已達(dá)25.96°，超過船模試驗(yàn)安全舵角25°限值，不滿足通航要求。當(dāng)試驗(yàn)船舶為3 000 t機(jī)動(dòng)貨駁時(shí)，流量Q≤42 600 m3/s時(shí)船舶通過上游航道的最大舵角為18.02°～23.75°，上行最低航速為1.73～3.43 m/s；通過下游航道的最大舵角為14.18°～18.97°，上行最低航速為2.43～3.48 m/s，均在船模試驗(yàn)安全舵角、最低航速限值內(nèi)，即上、下游航道通航條件均滿足3 000 t機(jī)動(dòng)貨駁通航要求?？梢姡陂T區(qū)及連接段的航行難度隨流量加大而加大；上游航道通航條件難于下游，為通航的控制條件；調(diào)整樞紐運(yùn)行方式及優(yōu)化船閘設(shè)置可加寬引航道口門區(qū)和連接段的緩流區(qū)，減小相應(yīng)區(qū)域的縱橫向流速，可明顯改善通航條件。

5 結(jié) 語

從試驗(yàn)結(jié)果看，船閘口門區(qū)及連接段的水流受樞紐運(yùn)行方式以及船閘布置影響較大，經(jīng)分析可知，該規(guī)劃樞紐雙線小船閘方案口門區(qū)及連接段通航水流條件較好，但船閘有效尺寸小，通過能力有限；三線大船閘方案通過能力可滿足規(guī)劃樞紐未來50年貨運(yùn)量的增長需求，雖口門區(qū)最靠近主流通航條件略差，但通過泄洪閘和電站機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度，口門區(qū)及連接段的水流條件基本能滿足通航要求；雙線大船閘方案的通過能力和水流條件均介于其他兩方案之間。結(jié)合船模試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)單位擬采用“雙線大船閘+預(yù)留第三線船閘”的建設(shè)方案，即先建設(shè)雙線大船閘，待需要時(shí)再增建第三線船閘，科學(xué)的兼顧了近期和未來的貨運(yùn)需求。目前經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對航道水運(yùn)提出了更高的要求，長江黃金水道建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)，多座已建樞紐正通過改建或擴(kuò)建船閘的措施進(jìn)一步提高水道的通過能力，研究成果可供類似工程參考。