連續(xù)急彎航道灘險(xiǎn)礙航特性分析及航線選擇*

鄒開明，乾東岳，彭 哲

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

我國(guó)地域遼闊，河流眾多，具有發(fā)展內(nèi)河水運(yùn)的良好條件。但是，內(nèi)河通航河流很多航段為山區(qū)彎曲河道，其平面形態(tài)彎曲、河床斷面狹窄、通航條件復(fù)雜，航道或者通航建筑物的建設(shè)需要充分研究河道的礙航特性并對(duì)航線進(jìn)行選擇。目前，對(duì)于連續(xù)彎道水流的研究已有一些成果：吳華莉等[1]對(duì)正弦派生曲線生成的連續(xù)彎曲型水流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；曾慶華[2]研究了彎道縱向時(shí)均流速的垂線分布特點(diǎn)；芮德繁[3]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究彎道環(huán)流運(yùn)動(dòng)，并分析彎道泥沙輸移的作用；普曉剛等[4]結(jié)合湘江土谷塘航電樞紐工程實(shí)例，探討?yīng)M窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置的原則；李君濤等[5]總結(jié)導(dǎo)流墩平面布置形式，并分析狹窄連續(xù)彎道口門區(qū)水流條件的改善規(guī)律。已有研究通常是以單一彎道或者概化連續(xù)彎道為研究對(duì)象，得到的水流特性研究成果有一定的局限性，不能反映彎曲河段的真實(shí)水流運(yùn)動(dòng)特性。本文依托浯溪二線船閘工程建設(shè)，充分考慮樞紐運(yùn)行調(diào)度影響，采用數(shù)學(xué)模型分析上游馬頭嶺連續(xù)急彎航道的礙航特性，總結(jié)航線選擇規(guī)律，為解決急彎段礙航問(wèn)題提出優(yōu)化方向。

1 工程概況

根據(jù)湖南省內(nèi)河水運(yùn)規(guī)劃，湘江永州萍島—衡陽(yáng)蒸水河口283 km航道通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)。目前，湘江衡陽(yáng)—永州已建成近尾洲、湘祁、浯溪和瀟湘4座樞紐梯級(jí)，基本為庫(kù)區(qū)航段，除樞紐通航建筑物等級(jí)和部分庫(kù)尾航道需要疏浚外，大部分航道水深情況比較理想。

浯溪水電站位于湘江干流中游，是湘江干流梯級(jí)開發(fā)的第三級(jí)，樞紐建筑物由右岸船閘、溢流壩、電站廠房及左岸連接土壩組成。浯溪樞紐一線船閘位于樞紐右岸，通航等級(jí)為Ⅳ級(jí)，閘室布置于壩軸線下游，船閘軸線與壩軸線正交。為減少水流對(duì)下游浯溪碑林的影響并使下游引航道與下游航道平順連接，二線船閘軸線與一線船閘成8°的夾角[6]。

馬頭嶺彎道險(xiǎn)灘位于浯溪樞紐上游約2 km，為反“S”形急彎，且河面寬度相對(duì)狹窄，最窄處河寬不足250 m，河心自然彎曲半徑約200 m，受浯溪樞紐水庫(kù)壅水影響，總體上水流條件較好，但隨著流量的增大，其壩前水位不斷降低，彎道段的水流條件逐漸恢復(fù)至天然情況，導(dǎo)致通航條件逐漸惡化。由于馬頭嶺急彎下彎道處航槽較上彎道轉(zhuǎn)角和曲率更大、彎曲半徑更小、航槽更為狹窄，使得水流集中于凸岸附近下泄，形成掃彎水，過(guò)往船舶航行彎曲半徑不能滿足Ⅲ級(jí)航道彎曲半徑要求。隨著河道流量的增大，為保障湘江兩岸防洪安全，樞紐壩前水位需繼續(xù)根據(jù)調(diào)度方案降低，通航水流條件將進(jìn)一步惡化，下彎道段凹岸則出現(xiàn)較大面積的回流區(qū)，凸岸及河心區(qū)域出現(xiàn)明顯的掃彎水，極易造成過(guò)往船舶偏轉(zhuǎn)和偏移，從而出現(xiàn)落彎與打搶等事故。

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 模型的建立

依據(jù)規(guī)范要求[7]，計(jì)算域的進(jìn)、出口須選在順直河段上。本文建模范圍為馬頭嶺急彎、浯溪樞紐一、二線船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段，因此數(shù)學(xué)模型的模擬范圍定為12 km，包括樞紐上游約8 km河段以及樞紐下游約4 km的壩下河段(圖1)。模型采用平面曲線正交網(wǎng)格計(jì)算水流運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)格尺度20 m×8 m(長(zhǎng)×寬)，工程區(qū)局部河段加密至5 m×2 m，模型采用實(shí)測(cè)資料反求的方法確定床面阻力系數(shù)，采用Smagorinsky公式計(jì)算紊動(dòng)黏性系數(shù)。

圖1 浯溪樞紐數(shù)學(xué)模型模擬范圍

2.2 試驗(yàn)條件的驗(yàn)證

采用浯溪樞紐實(shí)測(cè)地形和水位資料，對(duì)數(shù)學(xué)模型分別進(jìn)行流速和水位的驗(yàn)證。本次驗(yàn)證左右岸共布置17把水尺，分別是L1～L9、R1～R8，將L9作為控制水尺，模型共布置6條測(cè)流斷面，其中浯溪樞紐上游布置CS01～CS04共4條，樞紐下游為CS05、CS06共2條。模型測(cè)流斷面及水尺布置見(jiàn)圖2。測(cè)流斷面在1 150、6 300 m3/s兩級(jí)流量下，樞紐上、下游河道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)水位與實(shí)測(cè)水位基本一致，模型計(jì)算水面與原型水位偏差均在規(guī)定范圍內(nèi)(±0.1 m)；流量基本閉合，流量偏差在±5%以內(nèi)。結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)選擇合理，該模型能較好地模擬研究河段的水流運(yùn)動(dòng)情況，模型計(jì)算精度能夠滿足要求。

圖2 模擬河段測(cè)流斷面及水尺布置

3 通航水流條件研究

3.1 航道水深與比降分析

圖3所示為各級(jí)流量下馬頭嶺急彎段航道內(nèi)水深。馬頭嶺彎段航道的統(tǒng)計(jì)范圍自設(shè)計(jì)船閘口門區(qū)上游3.2 km起，至1.2 km止，共計(jì)2 km長(zhǎng)。由圖3可知，隨著流量的增大，航道水深呈先減小后增大的規(guī)律，當(dāng)流量Q=7 550 m3/s時(shí)，航道水深最小。這一特點(diǎn)與樞紐運(yùn)行方式密切相關(guān)。從整體看，8級(jí)典型流量彎道航段水深基本在10 m以上，完全滿足設(shè)計(jì)水深要求。馬頭嶺急彎段內(nèi)3處局部比降較大，分別是馬頭嶺急彎段入口處(距口門2.5 km)、急彎段凸嘴處(距口門2.1 km)、急彎段出口放寬處(距口門1.6 km)，但3級(jí)洪水流量下，最大局部比降均不超過(guò)2‰。

圖3 馬頭嶺急彎段航道水深

3.2 航道流速分布

為研究馬頭嶺急彎段通航水流條件，基于8級(jí)典型流量計(jì)算結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)航道內(nèi)縱向及橫向流速最大值，以及急彎段航道內(nèi)橫向流速分布。

當(dāng)流量不超過(guò)6 000 m3/s時(shí)，因樞紐處于控制泄洪運(yùn)行狀態(tài)，航道內(nèi)縱向流速整體較小，最大值小于1.6 m/s；當(dāng)流量Q≥7 550 m3/s時(shí)，樞紐敞泄，航道內(nèi)縱向流速迅速增大，2處極大值分別位于距二線船閘口門約2.5和1.5 km處，即馬頭嶺急彎段入口處和急彎段出口放寬處；當(dāng)Q=7 550 m3/s時(shí)，流速分別達(dá)2.17和2.35 m/s；當(dāng)Q增大至11 730 m3/s時(shí)，流速分別為2.53和3.08 m/s。

圖4統(tǒng)計(jì)了馬頭嶺彎段航道內(nèi)橫向流速最大值沿程變化。由圖4可知：當(dāng)來(lái)流量小于2 000 m3/s時(shí)，樞紐以發(fā)電為主，庫(kù)區(qū)水位基本水平，水動(dòng)力微弱，故馬頭嶺彎段航道內(nèi)橫向流速很小，基本在0.2 m/s以內(nèi)；當(dāng)來(lái)流量在2 000～4 000 m3/s時(shí)，隨著泄水閘泄流量增大，庫(kù)區(qū)水流運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，橫向流速凸顯，橫向流速較大的位置主要集中在彎道的入彎段和出彎段。在入彎段由于航線先于水流彎曲，水流保持慣性仍向右岸頂沖，故此段橫向流速指向右岸；過(guò)彎頂后在出彎段，受曲率半徑限制，航線晚于水流彎曲，水流自彎頂折返后居中，故此段橫向流速主要指向左岸。如圖4中所示入彎段橫向流速為負(fù)值，出彎段橫向流速為正值。當(dāng)流量為4 000 m3/s時(shí)，入彎段橫向流速達(dá)0.53 m/s，出彎段橫向流速達(dá)0.47 m/s，船舶在此急彎段航道內(nèi)航行可能存在困難；當(dāng)流量Q≥7 550 m3/s時(shí)，泄水閘開始敞泄，庫(kù)區(qū)水流流動(dòng)加劇，彎道段橫向流速值有一個(gè)較為顯著的增幅，橫向流速較大的范圍在入彎段和出彎道分別向上、下游延伸，水流條件十分惡劣；當(dāng)流量為7 550 m3/s時(shí)，入彎段橫向流速達(dá)1.21 m/s，出彎段橫向流速達(dá)0.88 m/s；當(dāng)流量達(dá)到11 730 m3/s時(shí)，整個(gè)彎道段橫向流速均在0.4 m/s以上，其中入彎段極值約1.51 m/s，而出彎段極值也達(dá)到了1.32 m/s，船舶通航條件十分惡劣。

圖4 馬頭嶺急彎段航道內(nèi)最大橫向流速沿程變化

4 方案優(yōu)化

設(shè)計(jì)方案中提出的馬頭嶺急彎段航線布置，各級(jí)流量下航道水深、航道內(nèi)局部比降和縱向流速均可滿足通航要求，馬頭嶺急彎段的主要問(wèn)題在于流量超過(guò)4 000 m3/s后，彎道橫向流速過(guò)大。

基于利用彎頂緩流區(qū)過(guò)彎的整治思路，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了填潭與擴(kuò)挖方案的探索性試驗(yàn)。對(duì)于7 000 m3/s以上的流量，對(duì)比方案實(shí)施前、后的水位流速變化發(fā)現(xiàn)，水位變幅不超過(guò)0.03 m，流速大小與流向的改變也十分有限。因此主要從改變航線布置，以及改變上、下行船舶過(guò)彎方式著手，對(duì)馬頭嶺急彎段通航條件進(jìn)行優(yōu)化(圖5)。

圖5 馬頭嶺優(yōu)化航線布置

與調(diào)整前相比變化較為明顯，橫向流速較大的航段原本處于入彎段位置，調(diào)整后此區(qū)域下移至馬頭嶺彎頂附近，下移的同時(shí)橫向流速值也大幅減小。原航線入彎段最大橫向流速在4 000 m3/s時(shí)已超過(guò)0.4 m/s，6 000 m3/s時(shí)超過(guò)0.8 m/s，當(dāng)流量為7 550 m3/s時(shí)達(dá)1.2m/s。航線調(diào)整后，當(dāng)流量不超過(guò)6 000 m3/s時(shí)，彎頂處橫向流速均在0.4 m/s以內(nèi)；當(dāng)流量在7 550 m3/s及以上時(shí)，最大橫向流速值達(dá)到0.8 m/s左右。

在馬頭嶺出彎段，調(diào)整前橫向流速也較大，7 550 m3/s時(shí)最大橫向流速可達(dá)0.8 m/s。調(diào)整后的航線，因采取利用彎頂緩流區(qū)過(guò)彎的思路，出彎段航道與水流流速基本順直，橫向流速較小，各級(jí)流量下最大橫向流速均在0.4 m/s以內(nèi)。

航道內(nèi)最大縱向流速、最大橫向流速沿程分布的分析結(jié)果(圖6)表明，馬頭嶺急彎段調(diào)整后的航線通航水流條件大幅改善，可將其作為解決急彎段礙航問(wèn)題的優(yōu)化方案。結(jié)合船舶模擬試驗(yàn)，船舶行駛經(jīng)過(guò)馬頭嶺彎道，無(wú)論采取何種航線布置，均會(huì)受到橫向流速的影響，特別是7 550 m3/s以上的洪水流量，橫向流速影響更為顯著，使船舶舵角與漂角均較大，航行軌跡連續(xù)性較差。通過(guò)充分利用馬頭嶺彎道彎頂處的緩流區(qū)，可以達(dá)到調(diào)整船舶航向的目的。在保證航道水深滿足要求的前提下，上行船舶入彎后先駛?cè)刖徚鲄^(qū)，在此調(diào)整航向后再出彎。同樣，下行船舶入彎后，進(jìn)入緩流區(qū)調(diào)整航向，而后出彎進(jìn)入下游。

圖6 馬頭嶺急彎段優(yōu)化航道內(nèi)最大橫向流速沿程變化

5 結(jié)語(yǔ)

1)沿程水位和斷面流速分布實(shí)測(cè)資料計(jì)算模型驗(yàn)證結(jié)果表明，水位及斷面流速分布偏差滿足規(guī)范要求，能較好地模擬研究河段的水流運(yùn)動(dòng)情況。

2)樞紐上游水位變動(dòng)區(qū)的通航設(shè)計(jì)水位受樞紐運(yùn)行調(diào)度方案影響較大，應(yīng)結(jié)合樞紐運(yùn)行調(diào)度方案及河段水文特征，充分考慮河段沖淤等影響因素綜合研究確定。

3)在疏浚、填潭等其他整治方案受限時(shí)，改變航線布置，以及改變上、下行船舶過(guò)彎方式是急彎段通航條件優(yōu)化的有效手段。

4)通常渠化樞紐庫(kù)區(qū)航段連續(xù)彎道在枯水流量時(shí)，上游為深水庫(kù)區(qū)，庫(kù)區(qū)河道內(nèi)水流平緩，斷面流速分布相對(duì)均勻，船舶基本可以按照既定的航線航行，航行風(fēng)險(xiǎn)較低。中洪水流量時(shí)，船舶在彎道水域航行時(shí)產(chǎn)生的漂距和橫移速度均較大，且須長(zhǎng)時(shí)間壓大舵角，存在一定的航行風(fēng)險(xiǎn)。