彭伟，冯小香，普晓刚

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

船闸下游引航道口门区急流碍航改善措施比选

彭伟，冯小香，普晓刚

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

已建船闸口门区大流量碍航问题广泛存在。研究以五强溪枢纽下游急流碍航问题为出发点，采用定床物理模型试验和遥控自航船模试验为技术手段，在对工程河段现状通航水流条件分析的基础上，从改善局部流速分布、减小口门区引流等角度，分别提出挖槽方案、导流墩方案、桩基透空式隔流堤方案和桩基透空式导流屏方案。通过各方案通航水流条件和船舶航行条件比选，创新性提出的桩基透空式导流屏方案可较好解决五强溪枢纽下游口门区通航条件改善难题，并已成功通过工程实践的检验。

船闸口门区；导流墩；隔流堤；导流屏；通航条件

0 引言

在天然河道上修建水利枢纽后，船闸的上下游引航道与河流（或运河）相连接的口门区和连接段，是过闸船舶（队）进出引航道的咽喉。船闸引航道口门区水流条件的好坏，直接影响到过闸船队的航行安全和船闸的通过能力，改善船闸引航道口门区的水流条件具有重要的现实意义和实践指导价值。从工程实用角度，国内外工程技术人员对改善船闸引航道口门区通航水流条件的工程措施进行了大量研究，如调整导流堤堤头形式[1]，堤身开孔[2]，浮式导流堤[3]等。上述措施对某一具体工程可能行之有效，但都有一定的局限性。

对具体枢纽船闸工程，其引航道口门区通航水流条件的改善，需要根据枢纽河段的河势、河床地形、总平面布置、枢纽调度方式等，通常采用定床物理模型和遥控自航船模试验相结合[4-5]，或三维水流数学模型和船舶操纵模拟器相结合[6-8]的技术手段，进行通航水流条件和船舶航行条件的多方案比选，最终提出改善措施的推荐方案。

受水资源开发侧重于发电和防洪等目标的限制，国内一些枢纽船闸引航道口门区通航条件在建设期没有得到充分的重视，运行后船闸通过能力及安全受到较大影响。比如沅水五强溪枢纽船闸，正式通航后受河道边界条件、枢纽运行的影响，下游口门区及近闸段中洪水时横流流速大，通航流态较差，仅流量在1 940 m3/s以下时，船闸下游口门区航道内通航水流条件基本满足通航要求，远低于原设计最大通航流量10 000 m3/s标准。在现有约束条件下，提出合理可靠的工程措施解决碍航问题、提高通航流量、保障通航安全至关重要。

1 模型设计与验证

定床物理模型研究在1∶100正态整体模型上进行，模拟原型河道长度约5 km，其中坝址上游长约1.2 km，坝址下游长约4 km，宽度为400～900 m不等，模型平面布置见图1。模型通过洪、中、枯三级典型流量下沿程水位和断面流速分布的验证。模型验证试验结果表明，模型水位与原型水位误差均在允许范围内，满足规程要求，模型达到了阻力相似要求；模型断面流速分布趋势与原型基本一致，模型达到了水流运动相似要求。

图1 模型平面布置示意图Fig.1 Layout of physical model

2 船闸下游口门区通航现状

通过对五强溪水文站1998—2012年逐日平均流量进行分析，平均每年超过7 800 m3/s流量的天数仅为15 d（通航保证率95.86%），因此根据工程建设目标和通航实际，将7 800 m3/s定为最大通航流量。

模型试验成果显示：船闸下游引航道口门区最小通航流量下航深在5 m以上，说明下游航道航深富裕，碍航主要由水流流态所导致。当Q＜1 500 m3/s时，船闸下游口门区内通航水流条件较优，能够满足规范要求；当Q=2 500 m3/s时，导航墙堤头下100～200 m航中线右侧航道内横向流速超出规范的限值要求；当Q＞3 500 m3/s时，船闸下游引航道口门区航道内横向流速较大，口门区内船模进出口门区较困难，航行过程中船模使用舵角及漂角较大，航态较差，不能满足船舶安全航行要求；Q≥5 000 m3/s时，沅水大桥桥区航段内流速较大。尤其在Q=7 800 m3/s流量时，船舶上行困难。

3 碍航特性及相应对策思路

3.1 调整局部地形

现状条件下，导流堤堤头附近为深槽段，最深处槽底高程30.0 m，而下游引航道设计底高程为45.5 m，由于深槽吸流作用，水流向下游口门区集中导致口门区内水流流速、斜流强度较大，通航水流条件较差。因此需要考虑调整局部河床地形，减小深槽吸流作用，形成以下两种思路：

1）疏挖：通过对枢纽下游河床进行局部疏挖（炸礁），调整枢纽下游河段断面流速分布，以减小口门区内水流流速，达到改善口门区通航水流条件的目的。为此，提出了左槽疏挖方案和右槽疏挖方案。

各挖槽方案研究成果表明，单纯的挖槽方案对引航道口门区水流条件改善效果并不理想，右槽方案改善效果优于左槽方案，在挖槽底标高为42 m情况下，Q≤3 500 m3/s时口门区通航水流条件满足规范要求。而在洪水流量下，挖槽对枢纽下游断面流速分布调整作用逐渐减弱，挖槽方案对口门区水流条件改善效果不佳。

2） 填槽：通过回填深槽，减小深槽吸流作用，改善口门区通航水流条件。由于中洪水导航墙外侧水流流速较大，因此实际施工过程中应采用大体积混凝土块体或直接浇筑水下混凝土的回填方式，防止回填区的冲刷破坏。物理模型共进行了回填标高至35 m、40 m、45 m的方案试验。试验结果表明，单一填槽方案实施后，由于过水面积的减小，口门区纵向流速较天然情况下普遍增大，使得口门区的水流条件不但没有改善，反而有所恶化。

由此可见，单纯进行局部地形的调整对改善口门区急流碍航特性效果不理想，可考虑作为辅助措施使用。

3.2 新建导流建筑物结构

现状条件下，船闸下游导流堤堤头，仅275 m。而泄洪坝出流距下导流堤堤头仅约700 m，造成船闸下游导流堤无法阻隔主流斜穿口门区，同时受下游河宽逐渐收缩的河势和河道左侧为深槽、右侧为边滩的河床形态综合影响，口门区航道与主流流向交角较大，造成口门区横流及回流流速过大。因此，延长导堤可能是较好的改善措施。

由于下游导流堤堤头下游约1 000 m就是沅水揽子湾大桥，若采用实堤方案口门区会相应下移，造成口门区距离大桥太近，口门区及连接段与桥区航道衔接更加困难，船舶航行难度增加，且因为深槽的存在，实堤方案的工程量也会比较大。另外，虽有学者提出浮式导流堤方案，但限于浮式建筑物维护成本高难度大，设计采纳并实施的可能性较小。由此提出菱形导流墩群、桩基透空式隔流堤、桩基透空式导流屏三种导流结构形式，各导流建筑物结构形式见图2。

图2 导流建筑物结构形式Fig.2 The structural style of the diversion buildings

4 工程方案及效果比选

4.1 方案1挖槽方案

通过不同范围、不同底标高等方案试验，结合导流墩辅助措施，形成疏挖填槽为主，导流墩为辅的方案1（图3），简称“挖槽方案”。即：疏挖区位于电站至揽子湾大桥处，挖槽总长1 490 m，底宽75 m，底标高45 m，边坡1∶1；对原导航墙外侧冲沟及堤头附近深槽回填，回填标高45 m；口门区新建4个长20 m、间距20 m的菱形导流墩。

通航水流条件试验结果表明：当Q≤6 500 m3/s时，口门区通航水流满足规范要求，当Q=7 800 m3/s时，口门区仅个别测点横向流速超出规范要求，最大横向流速0.33 m/s。

自航船模试验结果表明：各流量条件下，船模经过口门区最大漂角为-8.6°，船模最大舵角为-18.8°，航行条件能够满足船模安全航行要求。当流量Q≥6 500 m3/s时，沅水大桥桥区航段纵向流速较大，船模以4.5 m/s静水航速上行时，对岸航速不能满足船舶自航上滩要求。但通过提高船模静水航速，船模能够安全通过研究河段。

图3 方案1平面布置图Fig.3 Layout of plan 1

4.2 方案2导流墩方案

通过不同导流墩数量、不同间距、不同布置方向的系列试验研究，形成导流墩为主、回填为辅的方案2，简称“导流墩方案”。即堤头下游共布置9个长20 m、厚3 m的菱形导流墩，1号—6号墩间距10 m，6号—9号墩间距20 m，同时将堤头附近深槽回填至45.0 m高程。方案2平面布置见图4。

图4 方案2平面布置图Fig.4 Layout of plan 2

通航水流条件试验结果表明：当Q≤3 500 m3/s时，口门区通航水流条件满足规范要求；Q＞3 500 m3/s时，口门区内最大横向流速超出规范限值，通航水流条件不能满足规范要求。

4.3 方案3桩基透空式隔流堤方案

方案3：通过不同插板底高程、插板高度的系列试验改善效果，形成桩基透空式隔流堤、填槽和潜坝的组合方案3，简称“桩基透空式隔流堤方案”。桩基透空式隔流堤总长307 m，分为15段。最上游的桩基连系墩1号墩与原有导航墙紧密衔接，依次向下游每20 m中心距布置一桩基连系墩，分别为2号—16号墩。各连系墩上设有插槽，插槽在标高48.50～58.50 m通长布置，在插槽范围内布置插板，1号—8号墩间插板底标高为48.5 m，9号—16号墩间插板底标高为51.5 m。同时，对原导航墙堤头以下130 m范围深槽进行回填，回填标高至45 m，在原导航墙外侧新建2条潜坝，距离堤头分别为150 m、75 m，潜坝轴线与导航墙夹角为45°，坝长78 m，坝顶高程为53 m。方案3平面布置见图5。

图5 方案3平面布置图Fig.5 Layout of plan 3

通航水流条件试验结果表明：枯水流量下，电站下泄水流水动力轴线成“S”形，导致口门区100～250 m范围内斜流强度较大，最大横向流速0.43 m/s。中洪水流量下，潜坝挑流作用减弱，主流仍集中于河道左侧，口门区内横向流速一般超过0.3 m/s。口门区内通航水流条件仍不能满足规范要求。

4.4 方案4桩基透空式导流屏方案

方案4：结合桩基隔流堤与导流墩各自优势，提出一种新型导流建筑物——桩基透空式导流屏，该结构可通过插板限制表层斜向水流，通过插板底部透空孔引入底部水流分担部分引流量，通过插板间竖向导流通道向引航道内引入部分表层水流压缩口门区内回流及泡水，以改善口门区通航水流条件。

通过不同导流屏长度的系列试验，最终提出桩基透空式导流屏和回填相结合的方案4，简称“桩基透空式导流屏方案”。桩基透空式导流屏总长220 m，分为10段。沿航道右边线平行布置。每隔20.8 m中心间距布置1个承台，承台尺度为4.5 m×11 m×3 m（长 ×宽 ×高），底标高45 m，最上游的承台与原有导航墙紧密衔接，深水区2号—5号承台底部设6根直径2.5 m、间距为3 m的灌注桩，浅水区承台底部设4根直径2.5 m、间距为3 m的灌注桩，承台上部为2根直径3 m、间距2.5 m混凝土桩，桩上设有插槽，插槽在标高48～58 m通长布置，在插槽范围内布置插板，插板分为10块等高分层排列，每块插板高1 m、宽0.8 m、长20 m。同时，对堤头附近深槽进行回填，回填标高至45 m。方案4平面布置见图6。

图6 方案4平面布置图Fig.6 Layout of plan 4

通航水流条件试验结果表明：各流量级下，引航道口门区回流范围及回流强度较工程前有所减小，最大回流流速0.37 m/s；口门区内横向流速较工程前明显减小，当Q≤6 500 m3/s时，引航道口门区最大横向流速在0.3 m/s以内，Q=7 800 m3/s时，仅口门区150～200 m范围内航中线右侧个别测点横向流速超出规范要求，最大横向流速为0.33 m/s。综上所述，导流屏方案下引航道口门区通航水流条件基本满足规范要求。

自航船模试验研究结果表明：最大通航流量以下，船模在下游引航道口门区段航行过程中的漂角及舵角满足船舶安全航行需求。

4.5 综合比选

1）以挖槽为主的方案1和以桩基透空式导流屏为主的方案4对船闸下游引航道口门区通航水流条件起到较好的改善效果，两方案最大通航流量以下引航道口门区通航水流条件均能够满足规范要求。

2）以导流墩为主的方案2和以桩基透空式隔流堤为主的方案3，改善效果不能达到规范要求。

3）方案1和方案4相比，方案1水下施工作业量较大（大范围爆破），工程投资较高；方案4随着钢围堰及钻孔桩施工工艺的不断成熟，具有施工便利，施工期不断航等优点。因此，将桩基透空式导流屏方案作为研究推荐方案。

目前该方案已被设计单位采用，并顺利实施。工程实施后，有关部门组织了实船观测，观测期间的流量为5 000～6 000 m3/s，船舶可以顺利通过船闸引航道口门区，方案成功通过了工程实践的检验。

5 结语

采用整体水工模型试验与自航遥控船模试验相结合的研究手段，对现状条件下五强溪枢纽船闸下游引航道口门区存在的碍航问题，开展了挖槽回填方案、导流墩方案、桩基透空式隔流堤方案和桩基透空式导流屏方案等改善措施的研究。其中挖槽回填方案和桩基透空式导流屏方案均能达到改善效果，而以研究提出的新结构形式——桩基透空式导流屏结构为主的平面布置方案被推荐为工程优选方案，成功地解决了五强溪枢纽船闸下游口门区通航条件改善的难题。

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Comparison and selection of improvement measures for jet flow navigation obstruction in outlet area of shiplock downstream

PENG Wei,FENG Xiao-xiang,PU Xiao-gang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The problems of navigation obstruct in the outlet area of shiplock are widespread when discharge is great.Take the jet flow navigation obstruction downstream of Wuqiangxi hydropower station as the starting point,using the technology of physical model test and remote-control ship model test,on the basis of analyzing the navigation flow condition,we presented the programs such as excavate riverbed,build diversion pier,pile foundation open-type partition dikes and pile foundation submerged vanes to improve the local velocity distribution,and reduce the discharge of the outlet area of shiplock.By analyzing the navigation flow condition and ship sailing conditions of each program,we put forward the innovative program of pile foundation submerged vanes,which can improve the outlet area of shiplock navigation condition of Wuqiangxi hydropower station downstream,and was verified by engineering practice.

outlet area of shiplock;diversion pier;partition dikes;submerged vanes;navigation condition

U641

A

2095-7874（2017）10-0047-06

10.7640/zggwjs201710010

2017-04-11

2017-06-07

彭伟（1985— ），男，安徽宿州人，硕士，助理研究员，主要从事港口海岸及近海工程研究。E-mail：amon_ud@qq.com