窄深河道急弯下游枢纽上引航道布置及通航水流条件试验

2020-11-09刘亚辉王云莉张绍培张绪进

水运工程 2020年9期

刘亚辉，王云莉，张绍培，张绪进

(重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

河道特性是影响船闸口门区通航水流条件关键因素之一，枢纽通航建筑物一般布置在顺直、稳定和开阔的河段上[1]。然而，随着我国山区内河航道的发展、航道规划标准的提高，原有狭窄、多弯的山区河道严重制约航电枢纽的扩能升级，限制新增通航建筑物的通航能力。因此，如何在合理利用山区河道天然河势条件上改善特殊河段的通航水流条件，使其满足通航水流标准(Ⅰ～Ⅳ级船闸口门区水流纵向流速限值为2.0 ms，横向流速限值为0.3 ms，回流流速限值为0.4 ms)，这对提高通航能力至关重要[2-3]。

上引航道通航水流试验研究大多集中在宽浅河道，其口门水流条件改善措施常采用优化引航道长度、夹角或透空方式[4-5]。若是布置在弯道内或附近的引航道，则根据主流流向，适当对引航道侧地形局部开挖或口门区设置潜坝挑流等措施。目前，对窄深河道急弯下游通航水流研究较少。水流通过窄深河道急弯后，主流偏向河道凹岸。原船闸引航道若与主流流向同侧，则扩能升级后的过长引航墙将位于河段深泓区，占据较大过流面积，导致其口门附近流速较大，通航水流条件极差。

因此，本文针对窄深河道急弯下山秀水利枢纽的上游引航道的平面布置与通航水流条件问题，开展枢纽通航水流条件物理模型试验和船模试验，研究并优化船闸上游航道通航水流条件，提出了技术可行、经济合理的推荐引航道布置方案，为窄深河道急弯下游的通航建筑物扩能升级布置研究提供重要的技术支撑。

1 工程概况

山秀水利枢纽坝址位于广西壮族自治区扶绥县境内的左江干流下游，坝址以上控制流域面积为29 562 km2，天然落差35.70 m，河道坡降0.165‰，是左江综合利用规划中的第3个梯级，上距先锋电站130 km，下距郁江老口电站约84 km。其正常蓄水位为86.50 m，水库总库容6.06亿m3，电站装机容量78 MW。工程主要建筑物有右岸河床式厂房、泄洪闸坝和左岸船闸。枢纽位于窄深河段上，左岸为陡峭山体，右岸为小阶地。在坝址上游约1.50 km处存在一个急弯河段，弯曲角度约120°，该处槽窄、弯急、水深且多泡漩和回流。

根据国务院《关于珠江流域综合规划(2012—2030年)的批复》(国函〔2013〕37号)，左江(龙州—宋村三江口)规划为Ⅲ级航道。为充分发挥崇左港作为国家一类口岸的积极作用，有必要建设山秀电站船闸扩能工程，以适应Ⅲ级航道要求。山秀船闸扩能工程按Ⅲ级船闸标准进行设计，设计代表船型为一顶2×1 000吨级船队，尺度为160 m×10.8 m×2 m(船长×宽×吃水)。

2 模型设计与验证

根据坝址河段河势条件、枢纽布置和新建二线船闸布置特征，山秀船闸扩能工程整体物理模型模拟范围是从坝上游3.4 km—坝下游3.2 km，见图1。模型采用正态、按重力相似准则进行设计，几何比尺为1:100。

图1 山秀枢纽物理模型试验研究范围

根据《船闸总体设计规范》，山秀枢纽Ⅲ级船闸设计最高通航流量为10 a一遇洪水流量，结合枢纽的调度运行方式，物理模型试验主要流量工况Q为1 749、2 410 (坝前水位控制分界流量)、3 500(常年洪水)、5 000 (敞泄分界流量)、5 380(2 a一遇流量)、6 390 (3 a一遇流量)、7 440 (5 a一遇流量)、8 790 m3s(10 a一遇流量)，共8级流量。

实测工程河段模型水位与原型水位均较为接近，其差值均在±0.10 m以内，最大差值不超过0.08 m，基本达到了模型与原型相似要求，满足相关规范要求。

3 设计方案

3.1 平面布置

新建二线船闸主体段布置于左岸接头坝下游，已建一线船闸的左侧阶地上，见图2。一、二线船闸共用上游引航道，由长550 m的隔墙与主河道分隔而成。上引航道宽底80 m，底高程77.9 m，导航调顺段长250 m，停泊段长300 m，在左侧上段设15个靠船墩，两墩间距20 m；口门处展宽至85 m。挡水前沿以下设通航连接段，连接段长108 m，船闸主体段长309 m。船闸下引航道采用曲进直出布置，总长485 m，底宽62 m，底部高程69.9 m，其中导航调顺段长180 m，停泊段长240 m，设13个靠船墩。为改善通航水流条件并减小对行洪的影响，对坝上游右岸直线段，开挖高程为77.9 m，以扩大河道的过流面积。同时在上引航道口门以上左岸布置7座下挑潜坝，以调整和改善上游河道及上引航道口门区的通航水流条件，各潜坝顶高程均为75 m，潜坝长约95 m，两坝中心间距85 m。

图2 设计方案的山秀枢纽上游引航道平面布置(单位：m)

3.2 模型试验结果

各级流量情况下，在上引航道分隔墙头部均存在较强的绕流流态，主流明显右移。不同特征流量下设计方案的上游口门区通航水流条件见表1。

表1 设计方案上游引航道口门区的通航水流流速 ms

位置流速类型Q=1 749 m3∕s(坝前水位86 m)Q=3 500 m3∕sQ=5 000 m3∕sQ=7 440 m3∕sQ=8 790 m3∕s 外导墙堤头纵向流速0.02～0.380.07～1.000.07～1.130.10～1.230.34～1.37横向流速0.01～0.210.04～0.460.08～0.620.05～0.750.06～0.80回流流速0.07～0.230.12～0.380.23～0.460.17～0.620.26～0.79 堤上25 m纵向流速0.03～0.330.07～0.780.03～0.780～1.200.02～1.55横向流速0.02～0.320.07～0.760.07～1.000.06～1.380.12～1.67回流流速0.08～0.100000 堤上50 m纵向流速0.05～0.260.34～0.760.40～1.140.47～1.550.54～1.61横向流速0.03～0.320.15～0.500.16～0.730.16～1.080.22～1.72回流流速0.030000 堤上100 m纵向流速0.29～0.410.74～0.890.94～1.341.41～2.001.59～2.08横向流速0.08～0.180.02～0.190～0.150.17～0.400.09～0.97回流流速00000

在流量Q=1 749 m3s时，上引航道口门区及连接段的流速一般不超过0.7 ms，口门附近流速减小至0.3～0.5 ms。但在分隔墙头部存在明显的绕流流态，影响口门上游长60 m的水域，产生的斜流偏角较大，从而使口门区外侧边缘附近的横流流速达到0.32 ms；在流量Q=2 410 m3s时，上引航道最大横流流速为0.52 ms，超标程度有所扩大。在流量Q=3 500 m3s时，最大横流流速为0.76 ms，出现在口门附近水域，该处横流已全面超标；停泊段上部最大回流流速增加至0.58 ms，最大纵向流速达到1 ms。在流量Q≥5 000 m3s时，上引航道最大横向流速达到1 ms，远超出设计规范的要求；停泊段上段的最大回流流速和最大纵流流速也全面超出设计规范的要求。

设计方案中的右岸直线段开挖范围较小，不能有效降低坝上游河道主流流速和壅水高度。堤头潜坝群改善通航条件的效果十分有限，产生了泡水等不利流态。潜坝顶面流速增大，其阻水作用使上游水位壅高。同时，增大了电站前池回流流速和范围，对电站发电有所影响。

4 优化方案

4.1 通航水流条件较差的原因分析

上引航道通航水流条件较差的原因：1)上游急弯段水动力轴线进入弯道后向凹岸过渡至弯顶稍上部，沿左岸深泓出来，偏向引航道一侧；2)口门区河道过流面积仍然较小，导致断面流速较大，水位壅高；3)堤头附近水流发生局部收缩，水体发生分离，形成回流区，且在动静水交换处，形成斜向流；4)潜坝群顶部水流分离，潜坝群局部存在泡漩水，流态较差。

4.2 优化措施

优化方案从对坝上游右岸的开挖范围和线型布置等措施进行调整，对上游潜坝设置的必要性和引航道局部开孔引流等措施[6-7]进行多方案的对比优化试验：

1)进一步浚深和拓宽右岸(滩地)河床，适当增大上引航道分隔墙束窄段河道的过流面积，减小该段的流速及对上游的壅水影响和隔流堤堤头的绕流，利于洪水顺利下泄。同时增加上引航道口门区及上游连接段的过流面积，减小上游弯顶凸嘴对水流的顶托，使出弯水流略向右岸扩散，初始断面开挖方案见图3。

图3 右岸直线段开挖方案典型断面(单位：m)

然而，图3的2个开挖修改方案由于采取整段开挖，电站前池变为正向进水，虽降低了前池回流强度，但使前池左侧的分水隔墙头部存在较强的绕流流态，闸门孔开泄流时靠近电站的1#闸前形成较强的回流，孔前水面跌落较大，影响枢纽运行安全。枢纽敞泄运行时1#、2#和3#孔前为斜流，泄流能力降低了近三分之二，坝前水位壅高较大。

因此，右岸坝前附近河段疏浚拓宽时，需要保持电站前池上游拦漂设施及附近岸线基本不变的条件且不影响右侧1#泄洪闸的过流，同时引航道堤头附近河段应进行局部扩宽，以减小引航道口门以及堤头下游附近河道内的流速大小。

2)堤头下挑单潜坝代替潜坝群，减少口门区泡漩，调整口门区附近的流速分布，减小水流流向与航线的交角，达到改善引航道及口门区通航条件的目的。

3)引航道分隔墙透空及堤头口门宽度改变，局部调整口门流态。

4.3 优化方案1

优化方案1保持电站前池段岸线不变基础上进一步浚深和拓宽右岸直线段开挖范围，并开挖弯道凸嘴段(直线段阶梯开挖两级平台，高程分别为72和78 m，坡比1:1；凸嘴段开挖一级平台，高程78 m，坡比1:1)，潜坝群改为单潜坝(下挑潜坝向下游倾斜30°，潜坝顶高程75 m)，封堵口门处的深槽，同时优化引航道分隔墙透空高度及位置(引航道分隔墙长550 m，口门宽度调整为80 m，分隔墙下游段分散设置6个透空段透空总面积约150 m2，透空顶高程不宜超过79 m)，优化后方案布置见图4。

图4 优化方案1平面布置

优化方案1在各级流量情况下，束窄河段以上的水位较设计方案显著降低，较设计方案明显减小。在流量Q<3 500 m3s时，口门通航水流条件基本满足要求。在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s、电站发电、水库蓄水运行情况下，在距引航道口门约50 m范围的外侧边沿横流有所超标，但影响范围相对较小；当流量Q≥5 000 m3s、全闸敞泄后，各项指标均有不同程度的超标，其中纵向流速超标较小，且主要位于口门区上段，横向流速超标幅度相对较大，其影响区域主要在口门上游约100 m、航道中心线以外的范围，停泊段超标区域主要在上段1#～5#靠船墩前沿水域。

4.4 优化方案2

优化方案2中下挑潜坝向下游倾斜45°，潜坝顶高程74.5 m；上引航道分隔墙长度缩短至462 m，口门宽度仍保持为80 m，引航墙透空位置不变，右岸靠近电站前池的开挖范围增大，平面布置见图5。与优化方案1相比较，优化方案2船闸上引航道及口门区的通航水流条件变差，主要原因是引航道分隔墙减短88 m后，墙头部距束窄河段最窄处较近，受束窄河段水流流速增大的影响，堤头绕流流态加强，致使口门前沿水域横向流速有一定的增大。

图5 优化方案2平面布置

在2 410 m3s≤Q≤3 500 m3s时，最大横向流速为0.39～0.53 ms，横流超标区主要集中在堤头以上、口门区外侧边沿水域。在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s，最大横向流速超标区在堤头以上约75 m水域范围，影响航道宽度30～40 m；停泊段超标区域也主要位于分隔墙内侧岸边附近，影响长度约50 m。在枢纽下泄流量Q>5 000m3s、全闸敞泄后，上引航道口门区的最大横向流速均超过1 ms，主要集中在口门前沿约100 m的水域，影响航宽40～60 m，影响停泊段长度约100 m，航宽约40 m。

4.5 优化方案3

优化方案3中下挑潜坝向下游倾斜恢复为30°，潜坝顶高程恢复为75 m，引航道分隔墙长调整为508.5 m，分隔墙透空位置及高度不变，口门宽度调整为84 m，右岸凸嘴段开挖范围减小，直线段开挖范围不变，平面布置方案见图6。

图6 优化方案3平布置

在流量Q≤1 749 m3s时，在上引航道内、引航道口门区及上游连接段的水流平缓，通航条件好。在2 410 m3s≤Q≤3 500 m3s时，上引航道口门区的最大纵向流速为0.58～1.05 ms，满足规范要求；最大横向流速为0.36～0.46 ms，横流超标区主要集中在堤头附近水域；停泊段的最大纵向流速0.34～0.48 ms，满足规范要求。在3 500 m3s5 000 m3s时，枢纽全闸敞泄，上引航道口门前沿约100 m的水域的最大横向流速均超过0.9 ms，影响航宽40～60 m；口门区纵向流速也明显增加。在枢纽下泄流量Q> 6 390 m3s时，上引航道口门区的最大纵向流速已接近或略超过2 ms，主要出现在口门区上段；停泊段的最大纵向流速0.86～1.05 ms，最大横向流速在0.37～0.52 ms，影响停泊段长度约100 m，航宽约40 m。各级流量下，调顺导航段基本均为静水。

5 上游急弯段通航试验分析

在距山秀电站坝址上游约1.5 km处为急弯河段，受河势条件及主流顶冲凹岸的影响，船舶在此不易转向和调顺航向，特别是对一些尺度较大且操纵性较差的船型(如船队)，操纵难度更大。

扩挖前水流入弯时主流靠右岸，流速较大，5 a一遇洪水时最大流速可达3 ms左右；过弯后主流中偏左，水流垂向调整作用较显著，流速逐渐减小至2.5 ms左右。受左岸(凹岸)岸线内凹影响，其沿岸均为大范围的回流，并伴有泡漩水流态，通航水流条件及通视条件差，是船舶航行控制河段。为了增大该弯道的弯曲半径和航宽，试验拟定在上弯道右侧凸岸开挖(范围见优化方案1)，开挖后的弯段的流速分布变化较大，水流入弯时明显向右侧凸岸汇聚，使得流向右偏，过弯顶后流向左偏，同时流速普遍增大，横流增强，通航水流条件有所变差。

因此在满足弯道的弯曲半径和航宽前提下，对上弯道右侧凸岸扩挖方案见图7。在适当增大弯段航道尺度的同时，尽可能避免对弯段水流条件的影响。

6 船模试验结果

根据河段通航要求，船模采用1 000吨级机动货船和1+2×1 000吨级船队，选取Q为1 442、2 410、3 000、5 000、5 853、6 390、7 440、8 790 m3s共8组流量进行试验。试验结果表明，优化方案3可将最高通航流量提高至5 a一遇洪水。

对1 000吨级机动货船，在流量Q<2 410 m3s、枢纽正常蓄水发电时，船舶可通过上引航道口门区顺利进出闸；在3 500 m3s≤Q≤5 000 m3s、枢纽正常蓄水发电时，出闸船舶可通过上引航道口门区顺利上行，进闸船舶在进入上引航道口门时须提前降档减速，并顺利在引航道停泊段上停靠，但不能在口门附近会船。在5 000 m3s

对1+2×1 000吨级船队，在流量Q≤1 749 m3s、枢纽正常蓄水发电时，船队可通过上引航道口门区顺利进出闸；在1 749 m3s

7 优化方案综合比选

为选择能有效改善二线船闸上游通航水流条件的优化方案布置措施，综合考虑上游口门区水流条件及布置对通航影响。

1)河段的流速流态：3个优化方案束窄段的流速分布基本一致。总体来看，优化方案2和3束窄段的流速均较设计方案明显减小，5 a一遇洪水时，最大流速减小约1.5 ms。

2)沿程水位变化：优化方案2和3在30 a一遇洪水及以下流量时其束窄河段以上的水位降低幅度与优化方案1基本相同，见图8(未列出优化方案3)。在10 a和50 a一遇洪水时，优化方案3最大壅水高度较设计方案分别降低约0.50和0.40 m。

图8 各方案沿程水位变化对比

3)通航水流条件：不同方案下口门区最大流速指标对比见表2，优化方案3通航水流条件介于优化方案1与优化方案2之间。但优化方案1上引航道分隔墙较长，且占据主河道，施工难度较大；而优化方案3上引航道分隔墙仅较优化方案1缩短了41.5 m，引航道通航条件略有变化，口门宽度与微弯航段的适应性较好。虽然在口门区占主导作用的最大横向流速指标在敞泄临界流量以上仍超出规范规定，但超标区域的长度在5 a一遇流量时最大不超过40 m，见图9，可满足1 000吨级机动货船靠左岸水域通航。