包纯毅,史 斌,王 斌

(1.河海大学,江苏 南京 210098;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

杭州某船闸位于钱塘江中段,主要功能为水上观光旅游的客运船闸,以目前在杭州运行的代表客船为主要设计船型,确保船闸能供2艘大型客船单向通行,同时兼顾杭州现有其他旅游船的通行要求。船闸按50 t级以下考虑,等级为VII级。

船闸中心线与钱塘江支流中心线重合,与钱塘江堤线基本正交,船闸外江侧(下闸首)出口附近堤线存在进深60 m左右的内凹隐蔽区,宽约150 m,流速较小,为引航道布置提供了相对有利的条件。因此,设计方案在船闸钱塘江侧下闸首后接26 m长的导航段,之后直接在左侧外延段每隔20m设1个靠船墩,共2个,最外侧靠船墩超过钱塘江该段上下游堤线连接线约10 m;右侧则马上通过圆弧与改建后的钱塘江新江堤相连(见图1)。

图1 船闸设计方案外江侧引航道布置图

2 问题提出

根据JTJ 305—2001《船闸总体设计规范》,引航道直线段包括导航段、调顺断及停泊段,引航道内应避免出现不利船舶航行的复杂流态,水流条件应满足规范限值要求,以防止船舶出现横漂和扭转等失控现象(见表1)[1]。因此,常规顺直河道的船闸引航道一般布置在河道左右岸两侧,轴线与河道或引河主流夹角不宜大于25°,保证进出船舶能够平顺通过[2-3],规范布置方式见图2。

而本工程由于受客观场地限制,导航段加上停泊段的总长仅66m,且缺少调顺断,与按规范计算89.3 m的总设计长度要求相距甚远,因此,为验证及优化该船舶进出外江侧引航道布置的合理性,需开展通航水流条件分析[4-5]。

表1 船舶安全停泊及进出闸最大流速限值表m/s

图2 船闸规范引航道及口门示意图

3 设计布置方案

3.1 通航水流条件

经分析,设计方案船闸引航道及口门区通航水流条件主要分为以下3个部分:

(1)钱塘江近岸流平行上下游顺直岸线,靠船墩所在的内凹区域流速相对较小,为隐蔽区。当钱塘江上游下泄流量为5 000 m3/s时,船闸外江侧口门外 (靠船墩外)大潮涨落潮最大流速分别为0.69,0.84 m/s,小潮分别为0.54,0.77 m/s;当下泄流量为500 m3/s时,口门外大潮涨落潮最大流速分别为1.18,0.35 m/s。

(2)船闸引航道流速与距岸边距离相关,离岸越近流速越小。船闸口门停泊段A水流流向和岸线基本平行,流速相对较小,当钱塘江上游下泄流量为5 000,500 m3/s时,船闸外江侧口门外除大潮涨急时刻流速达到0.59 m/s外,其余时刻均小于0.24 m/s,因此,在合理避潮调度下,基本能满足规范要求。

(3)停泊段B及引航道口门区临近钱塘江近岸流区域,且航迹线垂直于涨落潮流方向,各工况涨落急流速基本上均明显超过规范要求的横向流速,因此不满足要求[6]。

3.2 存在问题分析

从现状水动力条件及通航水流要求看,设计方案船闸引航道及口门布置主要存在2个问题:

(1)由于引航道长度不能满足设计规范要求,使得设计布置非常局促。设计方案引航道没有设调顺段,所谓的停泊段也仅有2个靠船墩,其布置是直接伸入钱塘江中,在动水区域,特别是钱塘江水流和船身垂直的情况下,停泊段位置 (主要是停泊段B)的横向流速基本上均大于船舶安全停泊所要求的0.15 m/s。

(2)靠船墩B外侧钱塘江水流流速较大,而且水流流向和引航道垂直,船舶从引航道进入钱塘江时,钱塘江水流流速即为船舶的横向流速,如钱塘江水流流速为0.6 m/s时,按横向流速不大于0.25 m/s计,船舶和水流夹角不能大于25°,因此船舶难以从引航道进入钱塘江。

4 优化布置方案

4.1 优化思路

根据设计布置存在的问题及船闸口门区现状水流条件,优化思路如下:

思路1:改善设计船闸口门附近的船舶停泊及通航水流条件,如在船闸上下游附近江道内修建丁坝。

思路2:根据现状水流条件,取消停泊段的靠船墩,并将两侧进口导航墙修改为喇叭口形式,船舶主要停靠在进口两侧的低流速区。

但从引航道口门区的泥沙淤积趋势、钱塘江行洪影响及项目投资等方面看,思路2的可操作性明显优于思路1,因此按照思路2进行方案优化。

4.2 优化方案布置及分析

优化方案布置示意图见图3,去除了船闸外江侧的2个靠船墩,船闸出口左右侧均改为1/4圆弧,利用船闸口门两侧的凹口作为停泊区,并初步拟定了航迹线走向,结果表明:

(1)船闸口门两侧的停泊区水流流速均较小,满足设计规范的要求。

(2)落潮时,引航道口门的横向流速满足设计要求。按照拟定的航迹线,当钱塘江径流量为5 000 m3/s时,大、中、小潮落急时刻引航道口门区最大横向流速分别为0.25,0.25,0.20 m/s;流量为500 m3/s时,大潮落急时引航道口门区最大横向流速均不大于0.10 m/s。

(3)涨急时,引航道口门的个别时段横向流速有超标现象,须采取合理的避潮调度措施。当钱塘江径流量5 000 m3/s时,大潮涨急时引航道口门区最大横向流速达到0.35 m/s,当流量为500 m3/s时,大潮和中潮涨急时引航道口门区最大横向流速分别为0.46,0.30 m/s,均已超过横向流速不大于0.25 m/s的设计标准。

因此,优化方案在涨急避潮等调度措施下,基本上能够满足设计的停泊及通航要求,通航条件较原设计方案有明显改善。

图3 优化布置方案外江侧引航道布置图

5 结 语

由于场地、河势及水流条件等影响,船闸布置中也存在非常规的引航道布置方式,较难满足规范设计要求,该布置一般以不影响船舶正常航行为前提,需开展布置的合理性及可行性分析。本文以杭州某旅游性客船船闸为例,通过通航水流条件分析,对船闸外江侧引航道及其口门区布置方式优化进行了探讨,可为类似工程的设计提供参考。

[1]傅家猷,王志成,田凤兰,等.JTJ 305—2001船闸总体设计规范[S].北京:人民交通出版社,2002.

[2]张亮,卢启超.船闸引航道口门区通航水流条件改善措施的综述 [J].科技信息,2009(25):779-780.

[3]涂启明.试论船闸引航道平面尺度 [J].水利学报,1984(25):61-66.

[4]叶雅思,任启江.弧线导航墙改善船闸引航道口门区水流状态试验 [J].水运工程,2011(7):144-146.

[5]徐红.乌江峡谷弯曲型河道通航建筑物引航道通航条件概化模型试验研究 [D].重庆:重庆交通大学,2008.

[6]史斌.七甲船闸口门区通航水流条件水工模型试验研究报告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.