李 霞，左 宁，彭永勤

(1. 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016； 2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

0 引 言

船闸是联通不连续航道水域的通航建筑物，通过能力有限，往往成为内河水运交通网络的控制节点、甚至是瓶颈口，船闸的通过能力影响着整个水运交通网络的运输能力[1-2]。船闸尺寸是船闸通过能力的重要因素。据相关资料[3-7]，长江三峡双线五级连续船闸尺寸为280 m×34 m×5 m，设计水平年为2030年，设计单向通过能力为5 000万吨，而2009年三峡船闸通过货运量已达6 088万吨；葛洲坝船闸1#、2#船闸尺寸为280 m×34 m×5 m，设计单向通过能力为4 000万吨，3#船闸120 m×18 m×3.5 m，设计单向通过能力为1 000万吨，2008年其通过量已达5 635.77万吨；西江长洲水利枢纽1#船闸为200 m×34 m×4.5 m，2#船闸为185 m×23 m×3.5 m，船闸设计年过闸货运量合计为3 920万吨，2007年通过量已达3 627万t，已增建三、四线3 000 t、有效尺寸为280 m×34 m×6.3 m的大型船闸。因此，在枢纽设计阶段，需合理预测过坝货运量，结合坝址环境、引航道口门区及连接段的水流条件等，慎重选择船闸的有效尺寸及布置方案，避免因船闸通过能力不足导致塞船事件。

选取长江上游某规划枢纽设计过程中的3种船闸布置方案，通过结合水工模型试验和船模试验方法，对比分析了不同方案下引航道口门区及连接段的通航水流情况，为类似多线船闸的设计提供参考。

1 工程概况

规划枢纽(图1)位于三峡水库回水区末端，上游峡谷河段河宽不足250 m，出峡后河床骤然放宽，经4个主通航孔跨度仅为80 m的老铁路桥，被大中坝分为左、右两汊，其中左汊为主槽，内有分散浅碛，其下为中堆宽浅分汊型河道；右汊副槽入口上延伸至老桥为连片礁石。枯水期左汊航槽水流弯、浅、急，尤其大中坝尾部中堆河段扫弯水等碍航流态明显。

图1 工程河段河势Fig. 1 Map of Engineering river

规划枢纽坝址处多年平均流量8 590 m3/s，水库正常蓄水位197 m，死水位195 m，汛期防洪限制水位193 m，总库容13×108m3，电站总装机容量2 030 MW，航道等级为I级。主要建筑物为：船闸位于枯水主河床左岸，泄水闸分别位于大中坝左、右岸河槽，发电厂房分别紧邻大中坝岛两侧布置，仿自然通道位于左、右电站厂房之间。

2 枢纽船闸方案

2.1 船闸布置原则

规划枢纽坝址上游有铁路桥，左岸有铁路及火车站，右岸有火电厂，环境复杂，制约了枢纽的平面布置。为合理布置船闸，结合坝区实际情况，确定了规划船闸布置原则为：①保证枢纽必要的泄洪能力；②不迁移铁路线、火车站及珞璜电厂；③保证适度的船闸规模及扩展能力；④采用合理引航道布置模式，使停泊段尽可能靠近闸首，缩短引航道长度；⑤尽可能提高洪水期通航保证率。

2.2 船闸方案

设计过程中船闸规模及闸室尺寸多次变化，主要选取双线小船闸、双线大船闸和三线大船闸3种方案进行水流条件试验研究。各方案船闸均布置于左汊河槽，为单级船闸，船闸中心轴线与坝轴线呈90°正交，船闸结构如图2。

2.2.1 双线小船闸

该方案航道等级按Ⅲ级考虑。闸室有效尺度均为200 m×23 m×5.5 m，两线船闸共用上、下游引航道，上引航道长670 m，底板高程186 m；下引航道长585 m，底板高程166.1 m，两线船闸之间布置3孔宽14 m的冲沙闸，上、下游引航道总宽度均为150～189 m，相应的口门区长350 m、宽150 m，见图3。

图3 双线小船闸布置(200 m×23 m×5.5 m)Fig. 3 Layout of double-lane small lock

2.2.2 双线大船闸

该方案航道等级按Ⅰ(3)级考虑。闸室有效尺度为280 m×34 m×5.5 m，两线船闸之间的冲沙闸由3孔减少为2孔，上、下游引航道分别长892 m、780 m，宽度均为152.5～200 m，口门区均长450 m、宽210 m，见图4。

图4 双线大船闸布置(280 m×34 m×5.5 m)Fig. 4 Layout of double-lane big lock

2.2.3 三线大船闸

该方案是在既满足船闸中长期过坝货运量需求、又不影响现有铁路线及小火车站运行的前提下，航道等级按Ⅰ级考虑的船闸布置方案。该方案取消了冲沙闸，一期并列建设双线船闸，在其左侧预留第三线船闸，闸室的有效尺度均为280 m×34 m×6.5 m。其中，一、二线船闸共用上、下游引航道，上引航道直线段长892 m，宽150 m，底高程186 m，下引航道直线段长780 m，宽150 m，底高程166.1 m；第三线船闸上、下游引航道独立布置，引航道宽均为70 m，其长度和底高程与两线船闸相同。一、二线船闸轴线间距57 m，二、三线船闸轴线间距120 m。在二、三线船闸引航道之间设分水隔墙，上、下游分水隔墙分别长800 m和715 m。上引航道口门区长450 m、宽260 m，下引航道口门区长450 m、宽285 m，见图5。

图5 三线大船闸布置(280 m×34 m×6.5 m)Fig. 5 Layout of three-lane big lock

3 模型试验设计

3.1 试验概况

为详细了解不同船闸方案口门区及连接段的通航水流条件，采用λL=λH=150的比尺建造正态定床物理模型，模拟坝轴线上游6.2 km至坝下游6.7 km共计 12.9 km的原型河段。模型建成后对河道水面线、断面流速分布、水流流向等进行了验证。验证结果表明：模型与原型弗劳德数相似，模型水流处于阻力平方区，属紊流状态，最小水深>3.0 cm，满足模型与原型重力相似和阻力相似的设计准则，可进行下一步试验[8-12]。

根据GB50139—2014《内河通航标准》，并结合《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》，本次船模试验代表船舶选用3 000 t级机动货船和1+2×2 000 t顶推船队，相应的船舶主尺度为92.6 m×16.2 m×3.5 m(船长×船宽×吃水，下同)和182 m×16.2 m×2.6 m，船模静水航速上行分别为0.45 m/s和0.41 m/s，下水均为0.33 m/s。试验航段为上、下游引航道口门区及连接段长为1.6 km航道。首先按1∶150比尺要求制作船模后在试验水池中进行率定，后用遥控设备操纵船模在水工模型相应航段航行。船模的航迹、航速、船位、漂角等航行要素由激光快速扫描遥测，船模的用车、用舵等操纵因素由CMJ-3无线电接口遥测，数据自动输入计算机进行处理、计算和绘图。

根据GB50139—2014《内河通航标准》，船闸引航道口门区流速的控制标准为：纵向流速≤2.0 m/s，横向流速≤0.3 m/s，回流流速≤0.4 m/s，引航道口门外连接段与主航道的水流需平稳过渡。

3.2 试验工况

根据设计单位提供的资料，规划枢纽初拟运行方式为：当上游来流量Q≤20 000 m3/s时左、右岸电站均发电，多余流量分别经左岸、右岸泄洪闸控泄；随着上游来流量的增加，电站逐渐关闭，左岸泄洪闸下泄流量逐渐增大，当Q≥25 000 m3/s时电站全部关闭，多余流量经左、右岸泄洪闸控泄。试验发现，中枯水期、枢纽按正常蓄水位运行时，坝前水位大幅抬高，上引航道口门区水流平缓，下引航道口门也因水位差小流态较好。因此，主要分析上游来流量为常年洪水流量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)时各船闸引航道口门区及连接段的水流条件[9]，试验工况见表1。

表1 试验基本工况Table 1 Basic test conditions

4 试验结果与分析

4.1 枢纽运行方式对水流条件的影响

当上游来流量为20 000 m3/s、机组发电时，进行剩余流量全部经从左泄洪闸下泄(工况①)和全部经右泄洪闸下泄(工况②)两组试验，以流速测量断面距坝轴线距离为x轴，纵向流速值为y轴，得到口门区及连接段内最大流速分布图6。

图6 口门区及连接段最大流速分布(Q=20 000 m3/s)Fig. 6 Distribution of maximum velocity at entrance and connection areas(Q=20 000 m3/s)

图6中工况②口门区及连接段流速值较工况①明显减小，上游口门区及连接段内，双线小船闸减小了约1.0 m/s，双线大船闸减幅约0.5 m/s，三线大船闸流速值减幅较小，这是由于船闸线数越多、引航道越宽，口门区及连接段越靠近主流区，流速受主流影响越大；下游引航道口门区及连接段内，工况② 3种船闸方案下最大值流速较工况①减小50%以上，其中双线小船闸减幅约1.0 m/s，双线大船闸减幅约0.8 m/s，三线大船闸减幅最大，达1.8 m/s左右，这是因为工况②时下游引航道距主流较远，口门区为缓流区，而三线船闸距主流最远，因此三线大船流速值降幅最大。综上，在来流量和船闸方案一定时，口门区及连接段最大流速受枢纽下泄方式的影响较大，尤以下游引航道为甚。

4.2 船闸规模对水流条件的影响

船闸引航道口门的位置关系到坝区航道的边界条件和通航水流条件, 也影响到引航道的布置型式、尺度以及引航道内的航行和停泊条件[13]。规划船闸3个方案的引航道口门位置因船闸线数、闸室尺度不同而存在差异。双线小船闸的上、下游引航道分别长670 m、585 m，双线大船闸和三线大船闸方案分别为892 m、780 m，即大船闸方案上游口门较小船闸方案上移了222 m，下游口门下移了195 m，更临近河道主流，口门区流速增大、横流增强，通航条件相对变差；同时，双线大船闸引航道宽约200 m，三线大船闸引航道宽约240 m，横向上三线船闸距河道主流更近，口门区流速相对较大。

表2为各船闸方案下引航道口门区最大纵向、横向和回流流速的统计情况，可以看出相同流量及工况下，口门的水流条件为双线小船闸最优，其次是双线大船闸方案，再次为三线大船闸方案。随着上游来流量增大，各方案口门区通航条件均逐渐变差：Q=30 000 m3/s时，连接段纵向流速已达2.0 m/s以上，若通过控制左岸泄洪闸开度使下泄流量不超过15 000 m3/s，口门区的通航指标基本能满足规范要求；Q=42 600 m3/s时各方案口门区纵向、横向及回流流速均全面超标，连接段的流速达3.3 m/s，船舶通行十分困难。经分析，纵向、横向流速最大值一般出现在口门区边缘与主流的交界处，而回流最大值一般出现在引航道内靠岸一侧；各级流量下工况①左汊下泄流量均比工况②略大，因此工况②引航道内的回流范围较工况①大，但强度有所减小，尤其是三线大船闸方案，因二、三线船闸引航道之间加设隔流堤，第三线船闸的引航道基本位于回流区，船舶进入引航道时需谨慎操作。

表2 各方案船闸口门区最大流速值Table 2 Maximum velocity at entrance of each scheme

4.3 船模试验成果

分析规划坝址的水文资料可知，流量Q≥25 000 m3/s出现的多年平均天数为10.69 d，流量Q≥34 300 m3/s仅1.25 d，规划枢纽最高通航流量42 600 m3/s，因此选取20 000、30 000、42 600 m3/s三级流量和水流条件较差的三线大船闸为船模试验方案。试验表明：试验船舶为1+2×2 000 t船队，Q≤30 000 m3/s时1+2×2 000 t船队通过上游航道的最大舵角为15.14°～21.41°，上行的最低航速为2.20～2.94 m/s；通过下游航道的最大舵角为15.26°～16.10°，上行最低航速为2.89～3.09 m/s，均优于船模试验安全舵角25°、最低航速0.4 m/s限值，均满足通航要求；当流量达到最大通航流量42 600 m3/s时，船队通过上游航道最大舵角已达25.96°，超过船模试验安全舵角25°限值，不满足通航要求。当试验船舶为3 000 t机动货驳时，流量Q≤42 600 m3/s时船舶通过上游航道的最大舵角为18.02°～23.75°，上行最低航速为1.73～3.43 m/s；通过下游航道的最大舵角为14.18°～18.97°，上行最低航速为2.43～3.48 m/s，均在船模试验安全舵角、最低航速限值内，即上、下游航道通航条件均满足3 000 t机动货驳通航要求。可见，口门区及连接段的航行难度随流量加大而加大；上游航道通航条件难于下游，为通航的控制条件；调整枢纽运行方式及优化船闸设置可加宽引航道口门区和连接段的缓流区，减小相应区域的纵横向流速，可明显改善通航条件。

5 结 语

从试验结果看，船闸口门区及连接段的水流受枢纽运行方式以及船闸布置影响较大，经分析可知，该规划枢纽双线小船闸方案口门区及连接段通航水流条件较好，但船闸有效尺寸小，通过能力有限；三线大船闸方案通过能力可满足规划枢纽未来50年货运量的增长需求，虽口门区最靠近主流通航条件略差，但通过泄洪闸和电站机组的优化调度，口门区及连接段的水流条件基本能满足通航要求；双线大船闸方案的通过能力和水流条件均介于其他两方案之间。结合船模试验成果，设计单位拟采用“双线大船闸+预留第三线船闸”的建设方案，即先建设双线大船闸，待需要时再增建第三线船闸，科学的兼顾了近期和未来的货运需求。目前经济的快速发展对航道水运提出了更高的要求，长江黄金水道建设正在稳步推进，多座已建枢纽正通过改建或扩建船闸的措施进一步提高水道的通过能力，研究成果可供类似工程参考。