陳 明，段黎明,王多銀,吳 信,麥建清,陳明棟,黃海津

(1.重慶交通大學(xué)，水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;2.廣西交通設(shè)計集團有限公司,廣西 南寧 530000)

為加快西江黃金水道發(fā)展，根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)人民政府關(guān)于印發(fā)廣西西江水運建設(shè)和管理體制改革實施方案的通知》，其總投資近2億元，開工建設(shè)西南水運出海通道中線起步工程廣西段。該工程自紅水河曹渡河口—橋鞏樞紐航道總長450 km，按Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計代表船型為500噸級貨船，全線按一類航標(biāo)配布。隨著船舶的大型化發(fā)展，麻石已建船閘無法適應(yīng)未來航運發(fā)展要求，需要建設(shè)新的通航建筑物作為過壩設(shè)施，結(jié)合現(xiàn)場實際和河勢等因素，有必要在舊船閘同一側(cè)擴建新船閘。同時研究船閘上、下游引航道口門區(qū)水流條件能否滿足通航安全非常必要。眾所周知，船閘引航道口門區(qū)水流條件是影響船舶安全進出閘的關(guān)鍵。融江麻石改擴建工程所處河段較為順直，但其規(guī)劃航線偏向河心，加之河床左高右低，下泄洪水和電站出流斜沖引航道口門區(qū)，流態(tài)較為復(fù)雜。目前改善口門區(qū)水流條件的措施主要有兩類：1)修筑建筑物，如導(dǎo)流墩[1]、隔流堤[2-5]、導(dǎo)航墻[6-7]等；2)優(yōu)化疏浚，如調(diào)整河流與主航道線夾角、清淤、浚深和優(yōu)化導(dǎo)航建筑物尺寸、拓寬航道等。由于麻石樞紐右岸連接高山，開挖疏浚困難，故需要尋求一種有效解決復(fù)雜水流的導(dǎo)航建筑物。透空式隔流堤[8-10]是常用于改善口門區(qū)斜向水流的導(dǎo)航建筑物，并具有引流和阻擋表流的特性，即引進穩(wěn)定水流抵消部分回流，削弱開孔部位表流動蕩，對改善斜流和回流較大及振蕩性水流的效果較為明顯。

因此，本文依托麻石樞紐船閘改擴建工程，采用1:100整體水工模型，著重分析透空式隔流堤改善下引航道口門區(qū)通航水流條件的效果。

1 工程概況

麻石已建船閘為單級船閘[11]，所處河段原航道等級為Ⅶ級，按通行60 t機動駁船或2個20 m×6 m(長×寬)的過壩木排尺寸設(shè)計，船閘等級為Ⅵ級，布置在電站右岸，舊船閘閘室有效尺度為40.5 m×8.0 m×1.1 m(長×寬×檻上水深，下同)。整個船閘由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首及下游引航道組成，全長212.4 m。麻石船閘設(shè)計年貨運量6.0萬t，其中上行3.7萬t。

融江麻石船閘改擴建標(biāo)準(zhǔn)為：通航500噸級船舶(兼顧1 000噸級單船)。新船閘仍布置在樞紐右岸，與壩軸線呈85°夾角，平面位置右移約50 m。推薦方案閘室有效尺度由原來的40.5 m×8.0 m×1.1 m增大為130 m×23 m×4.5 m。上、下游引航道采用不對稱布置，設(shè)計寬度為55 m。引航道長度設(shè)計為：上游導(dǎo)航調(diào)順段長150 m，停泊段長130 m，口門區(qū)長300 m；下游引航道導(dǎo)航調(diào)順段長150 m，停泊段長130 m，口門區(qū)長320 m。上游錨泊地距離上游引航道口門區(qū)約570 m，下游錨泊地距離下游引航道口門區(qū)約800 m。新建船閘投入使用后舊船閘停止使用。下游總體布置見圖1。

圖1 原設(shè)計方案的總體布置

2 模型設(shè)計

樞紐整體水工物理模型比尺為1:100，為正態(tài)模型[12]。河道模型的制作以斷面板法為主，同時輔以等高線法相配合。在模型平面上用三角網(wǎng)進行控制，高程由水準(zhǔn)儀進行測定。制模過程中嚴格控制精度，確保模型平面誤差小于5 mm，高程誤差小于1 mm，且不存在系統(tǒng)誤差，從而保證了模型與原型達到幾何相似的要求(圖2)，達到了JTS/T 231-4—2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的幾何相似精度控制指標(biāo)。流速由重慶西南水運工程科學(xué)研究所研制的HD-4B電腦測速儀進行觀測。模型上游進口選取在大浪鄉(xiāng)衛(wèi)生所附近，距壩軸線長約3.05 km，下游出口選取焦花塘渡口附近，距壩軸線長約1.85 km，模擬原型河道長度約為5 km，在上、下游引航道制動段和口門區(qū)各布置了10個統(tǒng)計斷面(XSC1～10)，見圖3。由于實測資料匱乏，模型針對典型枯水流量(Q=560 m3/s)下沿程水位和沿程主流流速進行驗證，見圖4。結(jié)果表明，僅下游存在一個測點水位誤差相對較大，原因為該點距泄洪閘出口較近，出流十分紊亂，水面波動較大所致，其余各測點水尺水位與原型水位的誤差均在±0.1 m允許范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求，即模型達到了阻力相似要求；斷面流速分布趨勢與原型基本一致，差值基本控制在10%以內(nèi)，即模型達到了水流運動相似要求。模型試驗放水條件見表1。

圖2 水工模型

圖3 方案布置

表1 麻石樞紐水工模型試驗放水條件

圖4 Q=560 m3/s時水面線及流速驗證

3 試驗成果分析

3.1 原設(shè)計方案

下游引航道原設(shè)計方案布置有導(dǎo)航墻、靠船墩和導(dǎo)流墩，頂高程均為129.3 m，航道底高程107.5 m。引航道導(dǎo)航調(diào)順段長150 m，停泊段長130 m、寬50 m。其中共設(shè)置7個靠船墩和8個導(dǎo)流墩，其連線總長121 m，導(dǎo)流墩縱軸與導(dǎo)航墻中心線呈15°夾角，彎曲半徑400 m。

根據(jù)表1的工況，試驗觀測了出庫流量Q≤13 800 m3/s時，各級流量情況下的船閘下引航道流速分布，結(jié)果表明：Q=720 m3/s時口門區(qū)橫向流速0.77 m/s，已超過規(guī)范規(guī)定的0.3 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，同時口門區(qū)及制動段內(nèi)出現(xiàn)大面積回流，最大回流流速0.47 m/s，超過規(guī)范規(guī)定的0.4 m/s的標(biāo)準(zhǔn)；尤其是Q=2 500 m3/s時，受河勢影響，船閘下游引航道形成振蕩性回流，口門區(qū)縱向流速范圍為0.24 ～2.25 m/s(規(guī)范規(guī)定的限值為2.0 m/s)，制動段縱向流速范圍為0.24 ～1.10 m/s，均不滿足規(guī)范要求；當(dāng)Q≥7 540 m3/s時，口門區(qū)及制動段縱、橫向流速均超過規(guī)范要求，口門區(qū)最大縱向流速為2.86 m/s，最大橫向流速為0.77 m/s，制動段最大縱向流速為1.30 m/s，最大橫向流速為0.67 m/s，口門區(qū)及制動段靠右岸側(cè)還存在大面積回流，口門區(qū)最大回流流速為0.70 m/s，均超過規(guī)范要求。限于篇幅，本文重點給出典型流量Q=7 540 m3/s時原設(shè)計方案流場見圖5。

圖5 Q=7 540 m3/s時原設(shè)計方案流場(單位：m/s)

出現(xiàn)上述不良水流現(xiàn)象，其原因在于：1)引航道彎曲半徑較小，從而引航道中心線與主流交角較大。同時，導(dǎo)流墩擺向迎向河心，盡管彎曲半徑較小，挑流能力依然較差，且使得引入引航道的流量增大，容易造成流速超標(biāo)。2)獨立導(dǎo)流墩對表流削弱能力弱，在引航道內(nèi)易形成振蕩性水流。

3.2 優(yōu)化方案1

針對原設(shè)計方案存在橫、縱向流速過大，導(dǎo)流墩改善斜流不佳等問題。優(yōu)化方案1將下游引航道導(dǎo)流墩更換為透空式隔流堤，其布置長度為120 m，中心連線曲率半徑為940 m。過流孔寬12 m、高8 m、孔間距20 m。同時，下游引航道寬度由50 m調(diào)整為55 m，航道中心線整體偏向右岸。方案布置見圖3，剖面見圖6。

圖6 優(yōu)化方案1的1-1剖面(單位：m)

當(dāng)720 m3/s≤Q≤7 540 m3/s時，各流量下口門區(qū)縱向流速均滿足要求，其中最大縱向流速為1.45 m/s。但口門區(qū)均出現(xiàn)大面積回流，通航條件較差，最大回流流速為0.77 m/s，超過規(guī)范要求，見圖7。其中，Q=2 500 m3/s時，研究發(fā)現(xiàn)泄洪閘開孔數(shù)小于9孔時，水流條件不滿足通航要求；開孔數(shù)達到9孔后，基本滿足通航要求。當(dāng)Q=13 800 m3/s時，流速分布均勻，主流方向基本沿航道走向發(fā)展，各項水流指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖7 Q=7 540 m3/s時優(yōu)化方案1流場(單位:m/s)

相比原設(shè)計方案，優(yōu)化方案1通航水流條件有所改善，口門區(qū)內(nèi)縱向流速明顯變小，振蕩性水流問題消失，但受地形條件的限制，當(dāng)上游來流量Q< 13 800 m3/s時，口門區(qū)均存在大面積回流，不滿足通航要求。導(dǎo)致水流條件改善不佳的主要原因在于隔流堤曲率半徑調(diào)整過大，從而未能達到較好的引流和挑流效果。

3.3 優(yōu)化方案2

針對優(yōu)化方案1存在回流過大的問題，優(yōu)化方案2將航道寬度改回50 m。下游隔流堤仍采用透空形式，隔流堤平面布置與優(yōu)化方案1不同的是，隔流堤長度為126 m，其曲率半徑縮小為500 m。其中過流孔高8 m、寬13 m、孔間距21 m。方案布置見圖3，2-2剖面見圖8。

圖8 優(yōu)化方案2的2-2剖面(單位：m)

試驗結(jié)果表明，Q≤13 800 m3/s時除極個別點流速出現(xiàn)超標(biāo)外，基本滿足船舶通行要求，回流現(xiàn)象基本消除，如圖9所示。其中，Q=2 500 m3/s時，流態(tài)與優(yōu)化方案1相似，隨著泄洪閘開孔數(shù)增加逐漸變好，開孔數(shù)達到9孔后，滿足通航要求。由此說明，曲率半徑由優(yōu)化方案1的940 m改變至500 m，孔寬和孔高分別取13和8 m后，制動段和口門區(qū)流態(tài)得到進一步改善，引流和挑流效果比較理想。

圖9 Q=7 540 m3/s時優(yōu)化方案2流場(單位：m/s)

3.4 優(yōu)化方案3

鑒于優(yōu)化方案2的過流孔高達8 m，會對船行安全造成一定影響，本文對優(yōu)化方案2進行了補充試驗，即優(yōu)化方案3。將過流孔高度由8 m降低為4 m，孔頂高程由115.5 m降低為111.5 m，其他結(jié)構(gòu)尺寸均未改變，見圖10。

圖10 優(yōu)化方案3的2-2剖面(單位：m)

優(yōu)化方案3條件下，下游引航道在Q≤13 800 m3/s和開孔數(shù)在9孔及以上時基本滿足通航要求。與優(yōu)化方案2相比，優(yōu)化方案3回流現(xiàn)象較為明顯，通航水流條件不如優(yōu)化方案2，如圖11所示。原因在于：降低過流孔高度后，進入引航道的水體量減少，從而未能充分發(fā)揮縱向水流對回流形成的削弱作用。

綜合比較各優(yōu)化方案，優(yōu)化方案3的過流孔高度減小至4 m后，造成引流能力減弱，容易在口門區(qū)形成回流區(qū)域，其水流條件不如優(yōu)化方案2。但總體而言，優(yōu)化方案2和3的水流條件均優(yōu)于優(yōu)化方案1，且基本滿足Q≤13 800 m3/s條件下的通航要求。因此，為保障船舶安全進出閘，建議至少應(yīng)按優(yōu)化方案3進行設(shè)計。

圖11 Q=7 540 m3/s時優(yōu)化方案3流場(單位：m/s)

4 結(jié)論

1)鑒于麻石船閘改擴建工程下引航道的原設(shè)計方案水流條件較差的情況，通過1:100整體水工模型試驗研究，采用系列工程措施進行優(yōu)化，推薦采用透空隔流堤形式，隔流堤長度126 m，曲率半徑500 m，過流孔高至少4 m、孔寬13 m、孔間距21 m。

2)根據(jù)本文系列優(yōu)化試驗成果，研究發(fā)現(xiàn)采用透空隔流堤形式時，同步優(yōu)化隔流堤彎曲半徑，能有效改善引航道制動段和口門區(qū)的斜流、振蕩性水流和回流等水力學(xué)問題，該優(yōu)化思路可為類似工程提供技術(shù)參考。

3)本階段尚未進行閘門不同開啟方式和不同運行水位組合的系列試驗，建議下階段進行更深入的研究，同時可開展下引航道三維水流分布研究，以進一步保障本工程建設(shè)方案的合理性和試驗成果的豐富性。