白石窯一線船閘閘室尺度變更后下引航道通航水流條件試驗研究

彭永勤，彭 濤

(1.重慶西南水運工程科學研究所，重慶400016；2.中煤科工集團重慶設(shè)計研究院，重慶 400016)

船閘的上、下游引航道與河流相連接的口門區(qū)及連接段是過閘船舶(隊)進、出引航道的咽喉，船閘引航道口門區(qū)水流條件是影響船舶航行安全和通航效率的重要因素，因此研究改善船閘引航道口門區(qū)水流條件具有重要意義。國內(nèi)已有大量針對引航道通航水流條件的研究成果：趙志舟等[1]對烏江銀盤電站下游引航道布置及口門區(qū)通航條件進行研究，主要研究下游引航道長度、隔流墻堤頭布置形式、堤身開孔等工程措施以及非工程措施對口門區(qū)通航條件的影響，提出合理的引航道布置方式及運行措施。李偉等[2]對不同引航道寬度、水流流速、水深等對下引航道口門區(qū)回流長度等特性的影響進行研究，得出船閘下引航道口門區(qū)回流長度的計算公式；朱紅等[3]對順直河段船閘下游引航道口門區(qū)在無、有導流墩情況下的水流條件進行概化試驗研究，認為導流墩是削弱口門區(qū)回流、減小橫向流速的有效工程措施；韓昌海等[4]針對飛來峽水利樞紐下游引航道口門區(qū)泥沙淤積礙航問題，提出將下游引航道堤頭改為浮堤形式的方案，并采用相應的輔助設(shè)施，可減小口門區(qū)回流強度和泥沙礙航淤積量，從而改善引航道口門區(qū)的通航條件；李一兵等[5]通過對通航水流條件、實船航行情況和船模航行試驗資料的分析，提出修筑隔流堤對改善葛洲壩三江下引航道口門區(qū)通航條件是有效的；黃明海等[6]和黃國兵[7]采用二維非恒定流數(shù)學模型，模擬三峽工程上游和下游引航道在不同布置方案和各種樞紐運行方式下的引航道內(nèi)非恒定水流；李明德等[8]通過對株洲樞紐船閘下引航道口門區(qū)及連接段的河道右岸灘地采用綜合整治措施，較好地解決了下引航道口門區(qū)及連接段通航、淤積等問題；黃倫超等[9]對株洲航電樞紐工程施工期通航水流條件進行了研究。

為提高船閘通過能力，將白石窯一線船閘閘室長度由140 m延長至220 m，船閘尺度與二線船閘一致，均為220 m×23 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)。一線船閘延長后，主河道被束窄，受船閘和右側(cè)三板洲灘地的約束，主流將斜向流過一、二線船閘口門區(qū)和連接段，造成橫向流速超標，口門區(qū)通航條件較差。為研究白石窯一線船閘閘室尺度變更后下引航道通航水流條件，并提出優(yōu)化改善措施，筆者基于北江(曲江烏石—三水河口)航道擴能升級工程白石窯一線船閘閘室尺度變更整體物理模型試驗研究成果[10]，提出采取開挖三板洲及增設(shè)直線隔流堤等措施改善下引航道口門區(qū)通航條件。

1 工程概況

白石窯樞紐位于廣東省英德市上游約25 km的北江干流上，是北江干流上的第3個梯級。為提高船閘通過能力，將白石窯一線船閘閘室長度由140 m延長至220 m，船閘尺度與二線船閘一致，均為220 m×23 m×4.5 m。

根據(jù)航運規(guī)劃、航道規(guī)劃、水運量預測、船型等要求，北江干流上的白石窯樞紐工程通航等級為Ⅲ等，船閘設(shè)計代表船型為1 000噸級貨船；根據(jù)樞紐實際調(diào)度運行方式，船閘最高通航流量為敞泄分界流量，即3 860 m3/s，最低通航水位保證率為95%。船閘引航道及口門區(qū)最大表面流速縱向不超過2 m/s，橫向不超過0.3 m/s，回流流速不超過0.4 m/s。制動段和停泊段的水面最大流速縱向不應大于0.5 m/s，橫向不應大于0.15 m/s，靜水區(qū)與動水區(qū)之間的流態(tài)可有過渡。

受右側(cè)三板洲及河道河勢走向(圖1)的影響，在樞紐來流流量Q>260 m3/s時下引航道口門區(qū)水流條件較差，橫向流速超過規(guī)范標準，口門區(qū)通航條件較差。筆者對改善下引航道口門區(qū)通航條件措施進行研究。

圖1 船閘下引航道平面布置

2 設(shè)計方案船閘下引航道口門區(qū)的通航條件

根據(jù)設(shè)計擬定的水庫運行方式、樞紐通航論證和規(guī)范規(guī)定，確定船閘下引航道口門區(qū)通航水流條件的試驗工況(表1)。各測流斷面縱橫向流速變化范圍見表2和圖2。

表1 船閘下游引航道口門區(qū)通航水流條件試驗工況

表2 船閘下引航道口門區(qū)設(shè)計方案流速

圖2 船閘下引航道口門區(qū)水流流態(tài)(Q=3 860 m3/s)(單位：m/s)

試驗結(jié)果表明：受整體河勢及下引航道布置方案影響，下引航道口門區(qū)及連接段位于三板洲中下部的左側(cè)主河槽和航線轉(zhuǎn)彎段。引航道軸線與上游三板洲左側(cè)主河槽走向交角達到24°，上游下泄來流基本斜向進入下引航道口門區(qū)及連接段。同時，在三板洲的束窄作用下，該處過流寬度明顯不足，造成主流集中于口門區(qū)及連接段內(nèi)，流速較大。因此，在設(shè)計方案下，制動段、口門區(qū)及連接段處不僅流速較大且流速與航線夾角也較大，在樞紐下泄流量Q>260 m3/s(1臺機組發(fā)電)時，通航水流條件均較差，不能滿足船舶通航安全的要求。

3 優(yōu)化調(diào)整方案船閘下引航道口門區(qū)的通航條件

通過對設(shè)計方案船閘下引航道口門區(qū)通航水流條件的分析，經(jīng)多種優(yōu)化調(diào)整方案對比，推薦采用開挖三板洲及增設(shè)直線隔流堤等措施，達到調(diào)順下引航道口門區(qū)通航水流條件的目的(圖3)。主要優(yōu)化調(diào)整措施如下。

1)對河道右側(cè)三板洲進行開挖疏浚。自上游至下游第4個靠船墩右側(cè)河道開始疏浚，疏浚寬度210 m，疏浚高程為21.82 m；至下引航道靠船墩末端附近，長約160 m區(qū)域內(nèi)，疏浚高程為20.82 m；其后以1:10的坡比進一步降低疏浚開挖高程，在下引航道靠船墩下游約300 m、橫向?qū)挾葹?4～165 m的區(qū)域內(nèi)，疏浚開挖高程為19.82 m；其后繼續(xù)以1:10的坡比進一步降低疏浚開挖高程，在下游約400 m、橫向?qū)挾?0～90 m的區(qū)域內(nèi)疏浚開挖高程為19.32 m。三板洲右側(cè)疏浚開挖邊坡坡比為1:4。

2)在下引航道右側(cè)靠船墩末端增設(shè)180 m長隔流堤。對于該優(yōu)化調(diào)整方案，隔流堤對下引航道口門區(qū)起到了較好的保護作用，進一步降低了口門區(qū)整體流速。同時，在隔流堤的保護作用下，下引航道靠船段下游180 m區(qū)域內(nèi)形成制動段，并配合右側(cè)三板洲疏浚開挖，拓寬了口門區(qū)及連接段的通航水域?qū)挾?，使得在樞紐下泄流量Q≤3 860 m3/s的各種運行工況下，下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均能滿足船舶通航安全的要求(表3、圖4)。因此，在不改變電站原有調(diào)度運行方式的前提下，本研究將該優(yōu)化調(diào)整方案作為推薦方案。

表3 船閘下引航道口門區(qū)優(yōu)化調(diào)整方案流速

圖4 Q=3 860 m3/s優(yōu)化調(diào)整方案船閘下引航道口門區(qū)水流流態(tài)(流速：m/s)

4 結(jié)語

1)白石窯一線船閘閘室尺度變更后，受船閘和右側(cè)三板洲灘地的約束，主流將斜向流過一、二線船閘口門區(qū)和連接段，造成橫向流速嚴重超標。通過研究采取梯級開挖三板洲灘地及增設(shè)180 m直線隔流堤等優(yōu)化調(diào)整措施來改善制動段、口門區(qū)及連接段通航水流條件。

2)隔流堤對下引航道口門區(qū)起到了較好的保護作用，進一步降低了口門區(qū)整體流速。同時，在隔流堤的保護作用下，下引航道靠船段下游180 m區(qū)域內(nèi)形成制動段，并配合右側(cè)三板洲疏浚開挖，拓寬了口門區(qū)及連接段的通航水域，將通航流量由260 m3/s提高到3 860 m3/s，極大地改善了下引航道口門區(qū)通航水流條件，為類似工程提供了參考經(jīng)驗。