楊 峰，普曉剛，金 輝，王 鑫，閆 濤

(1.湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室，長(zhǎng)沙 410116；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

通航樞紐是內(nèi)河水運(yùn)中實(shí)現(xiàn)河流渠化、溝通不同水系的重要形式，也是控制航道貨運(yùn)能力的節(jié)點(diǎn)，在水路交通中占有重要的地位。隨著我國(guó)水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河航道等級(jí)逐漸提高，現(xiàn)階段有許多航運(yùn)樞紐中已建船閘的等級(jí)和通過能力已不能適應(yīng)要求，亟待擴(kuò)能升級(jí)改造，即對(duì)樞紐已建船閘進(jìn)行改建和擴(kuò)建[1-4]。在已有船閘的基礎(chǔ)上進(jìn)行高等級(jí)的船閘改建和擴(kuò)建，受水利工程、航運(yùn)規(guī)劃、征地拆遷、工程投資以及實(shí)施難易等眾多因素制約，其技術(shù)難度比同期新建的樞紐船閘大得多。在改擴(kuò)建船閘方案論證工作中，通常通航水流條件是關(guān)注的重點(diǎn)。研究人員針對(duì)長(zhǎng)洲樞紐三線四線船閘[5]、韓江東山樞紐船閘[6]、山秀船閘擴(kuò)能工程[7]、五強(qiáng)溪樞紐船閘[8]等不同的改擴(kuò)建工程存在的問題，采用整體物理模型或數(shù)學(xué)模型開展了方案論證與優(yōu)化研究，并取得了一定的成果。

本研究建立了洪江樞紐整體物理模型，采用定床水流模型與遙控自航船模試驗(yàn)相結(jié)合的手段，針對(duì)洪江樞紐所處的壩下微彎并逐漸收縮的河段，擴(kuò)建船閘在老船閘下游接建新船閘閘室較長(zhǎng)，在直線順延后，閘室及其下游引航道大幅壓縮河床寬度，主河道流速急，對(duì)下游引航道口門區(qū)及連接段通航條件造成威脅的問題，開展了多組方案試驗(yàn)研究，提出了滿足通航要求的優(yōu)化方案，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 洪江樞紐概況

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級(jí)開發(fā)的第8級(jí)電站，下距洪江區(qū)4.5 km。工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉等綜合效益。水庫(kù)總庫(kù)容3.2億m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.75億m3，屬周調(diào)節(jié)水庫(kù)。樞紐于1998年3月正式開工，2002年12月下閘蓄水。

洪江樞紐主要建筑物從左至右布置為：電站、泄水閘及船閘。電站廠房布置在河床左側(cè)主河槽，6臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量為1 470 m3/s；泄水閘布置在河床右側(cè)礁灘上，為9孔開敞式溢流堰；船閘位于右岸階地，中心線與壩軸線交角為90°。

洪江樞紐調(diào)度運(yùn)行方式：當(dāng)來流小于滿發(fā)流量時(shí)，泄水閘關(guān)閉，電站發(fā)電。當(dāng)來流大于滿發(fā)流量時(shí)，泄洪閘的運(yùn)行原則為先啟用左泄洪閘(3孔)，次啟用右泄洪閘(6孔)，最后為左、右閘聯(lián)合運(yùn)行。

目前船閘等級(jí)為300 t級(jí)，為一線二級(jí)船閘，閘室有效長(zhǎng)度長(zhǎng)64.2 m×寬12 m×門檻水深2.5 m，目前該船閘最大設(shè)計(jì)通航流量為3 800 m3/s，船閘年通過能力單向不足100萬t，無法滿足該段航道貨運(yùn)量需求和500 t級(jí)船舶過閘需求，需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)建。

2 試驗(yàn)成果與分析

采用1:80正態(tài)整體水工模型試驗(yàn)與遙控自航船模航行試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，對(duì)洪江擴(kuò)建船閘平面布置方案開展了試驗(yàn)研究，模型模擬原型河段長(zhǎng)約5.4 km，其中壩上1.9 km，壩下3.5 km。模型主要選取1 470 m3/s(電站滿發(fā)流量)、3 820 m3/s(常年洪水、電站與泄水閘聯(lián)合調(diào)度)、7 820 m3/s(2 a一遇洪水，設(shè)計(jì)最大通航流量)三級(jí)典型流量開展試驗(yàn)研究。按照《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ305-2001)要求，口門區(qū)長(zhǎng)度為2.0～2.5倍船長(zhǎng)，設(shè)計(jì)代表船型為500 t級(jí)貨船(船長(zhǎng)67.5 m×型寬10.8 m×設(shè)計(jì)水深1.6 m)，船閘下引航道口門區(qū)及連接段布置為：導(dǎo)流堤堤頭至堤頭下200 m為口門區(qū)，連接段為堤頭下200～400 m范圍內(nèi)航道，定義400 m以下為連接段下游河段。

2.1 設(shè)計(jì)方案

(1)擴(kuò)建船閘布置難點(diǎn)。洪江擴(kuò)建船閘布置主要受到以下三個(gè)方面因素的制約。①受到壩址自然條件制約，壩址河段不具備建設(shè)二線船閘的條件。洪江樞紐所處河段兩岸山體雄厚，河道狹窄，樞紐建設(shè)期沒有預(yù)留二線通航設(shè)施的位置，擴(kuò)建船閘也不具備布置二線通航設(shè)施的陸域條件；②受到大壩壩體的安全制約。已建低等級(jí)老船閘不可拆除重建。已有船閘上閘首與大壩壩體為整體澆注混凝土，老船閘拆除重建施工勢(shì)必影響大壩安全和電站正常運(yùn)行，即現(xiàn)有船閘不能拆除重建；③受到壩下河道形態(tài)制約因素，壩下河道沿程收縮。在該類型河段擴(kuò)建船閘，船閘及下游引航道實(shí)體導(dǎo)流堤向下游直線順延后，導(dǎo)致下游引航道實(shí)體導(dǎo)流堤頭部附近有效河道過流寬度大幅縮窄，勢(shì)必造成船閘引航道口門區(qū)流速急、流態(tài)復(fù)雜。

圖1 洪江擴(kuò)建船閘設(shè)計(jì)方案布置圖Fig.1 Layout plan of Hongjiang expansion lock design plan

(2)設(shè)計(jì)方案布置。設(shè)計(jì)擴(kuò)建船閘方案(圖1)保留原有船閘上閘首、一閘室，在其下游重新建造一座Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)船閘，原有船閘部分作為上游引航渠道。設(shè)計(jì)最大水頭為27.0 m，采用單線單級(jí)船閘，設(shè)計(jì)單向年過壩運(yùn)量為540.06萬t。船閘有效尺度采用長(zhǎng)215 m×寬(12～23) m×門檻水深4.0 m。船舶進(jìn)、出閘方式采用曲線進(jìn)閘、直線出閘方式。

上游引航道由直線連接段航道、220 m直線停泊段、204.25 m直線導(dǎo)航調(diào)順段組成。利用原已有建筑物做為進(jìn)上游引航渠道導(dǎo)航措施，延長(zhǎng)158 m上游外側(cè)導(dǎo)流堤。

下游引航道由127.5 m直線導(dǎo)航調(diào)順段、220 m直線停泊段、直線連接段航道組成。引航道河側(cè)利用原已有114 m做為導(dǎo)流堤，并將其延長(zhǎng)80 m；導(dǎo)流堤下游每隔10 m布置單長(zhǎng)10 m的8個(gè)導(dǎo)流墩。下游引航道底寬50～65 m。下游局部河床形態(tài)調(diào)整，對(duì)船閘河段河床開挖，開挖標(biāo)高160.5 m，疏挖深度一般在0.5～2.5 m。

(3)試驗(yàn)成果分析。設(shè)計(jì)方案通航水流條件試驗(yàn)成果(圖2)表明：Q≤1 470 m3/s時(shí)，電站發(fā)電，泄水閘關(guān)閉，電站出流順主槽由左岸側(cè)逐漸過渡至河道中部，水流逐漸擴(kuò)散，水流過船閘下游導(dǎo)流堤堤頭后，經(jīng)導(dǎo)流墩調(diào)流作用，口門區(qū)及連接段航道內(nèi)水流右偏角度不大，一般在10°以內(nèi)，橫向流速在0.28 m/s以內(nèi)；堤頭下600～850 m航道段，航線由靠右側(cè)河道過渡至河道中部偏左，水流流向與航線夾角偏大，最大為19°，致使該區(qū)域橫流稍大，最大橫流為0.56 m/s。Q=3 820 m3/s、7 820 m3/s(圖3)時(shí)，電站與泄水閘聯(lián)合調(diào)度，靠近河道中部及右側(cè)泄水閘逐漸開啟，壩下河段主流與僅有電站發(fā)電流量時(shí)相比，主流逐漸向河道中部過渡，船閘下游導(dǎo)流堤的束水、挑流影響效果逐漸增強(qiáng)，過導(dǎo)流堤后水流向右擴(kuò)散明顯，下游航道內(nèi)水流流速逐漸增加，兩級(jí)流量下口門區(qū)級(jí)連接段航道內(nèi)最大橫向流速分別達(dá)0.60 m/s、0.79 m/s；堤頭下550～900 m航道段，水流流向與航線夾角偏大，橫向流速較大，兩級(jí)流量下最大橫流分別達(dá)0.90 m/s、1.30 m/s。

船模航行試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)流量Q≥3 820m3/s時(shí)，受泄水閘泄流影響，船閘下游口門區(qū)航道內(nèi)斜流較大，船舶航行過程中，在該段航道內(nèi)漂角較大；距下游口門600 m處時(shí)，設(shè)計(jì)航線由右岸向左岸過渡，航道內(nèi)橫向流速較大，船舶行經(jīng)此段航道時(shí)，漂角較大，船舶下行時(shí)易漂出航線。

圖2 設(shè)計(jì)方案船閘下游航道內(nèi)最大橫向流速變化Fig.2 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the shiplock in the design scheme圖3 設(shè)計(jì)方案樞紐下游流場(chǎng)及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Design hub downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

前述試驗(yàn)成果可以看出，洪江樞紐擴(kuò)建船閘設(shè)計(jì)方案條件下，船閘下游航道存在兩處礙航段，一是口門區(qū)及連接段擴(kuò)散水流礙航，二是堤頭下550～900 m航道段斜流礙航。分析其形成原因，前者受擴(kuò)建船閘下游新建直線段導(dǎo)流堤布置影響，加之下游河勢(shì)向右微彎，致使堤頭附近有效河道過流寬度縮窄，水流流速大，過堤頭后擴(kuò)散強(qiáng)度大，大流量時(shí)航道內(nèi)橫流大礙航；后者受航線布置由靠右側(cè)河道過渡至河道中部偏左，與順直微彎的河勢(shì)不一致，致使水流流向與航線夾角偏大，造成斜流流速大礙航。因此，可考慮從調(diào)整船閘下游引航道導(dǎo)流建筑布置和下游航線平面布置兩方面開展相應(yīng)的優(yōu)化試驗(yàn)研究。

圖4 洪江擴(kuò)建船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.4 Layout plan of Hongjiang expansion lock optimization plan

2.2 優(yōu)化方案

(1)優(yōu)化思路及措施。針對(duì)洪江樞紐擴(kuò)建船閘設(shè)計(jì)方案船閘下游航道通航存在的問題，基于以下思路開展了多組次優(yōu)化方案試驗(yàn)。①充分利用船閘下游彎道河段右岸河道存在大范圍的緩流區(qū)，突破《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的工程布置與結(jié)構(gòu)思路，將下游引航道長(zhǎng)直堤設(shè)置為折線型，減少導(dǎo)流堤對(duì)主河道過水?dāng)嗝娴膲嚎s，降低河道流速，改善口門區(qū)及連接段水流條件；②順應(yīng)下游河勢(shì)向右岸調(diào)整航線，減少水流與航線夾角，以達(dá)到平順?biāo)鞑⒏纳拼l下游航道通航條件目的。

最終確定的折線形導(dǎo)流堤優(yōu)化方案(圖4)：①原老船閘導(dǎo)流堤位置、長(zhǎng)度與走向不變，緊接原導(dǎo)流堤頭新建260 m實(shí)體直立導(dǎo)流堤，其走向朝岸側(cè)偏轉(zhuǎn)，與原導(dǎo)流堤夾角10°，較設(shè)計(jì)方案擴(kuò)大了主河道過水面積；②將下游引航道停泊段向右岸側(cè)移動(dòng)并與船閘中心軸線10°夾角，同時(shí)下移，在平面上超出折線型導(dǎo)堤堤頭，增大船舶進(jìn)閘水域?qū)挾群驼{(diào)順段長(zhǎng)度；③將設(shè)計(jì)方案連接段下游由河道右側(cè)向河道中部偏左過渡的航線，調(diào)整為順右岸河勢(shì)及水流方向。

(2)優(yōu)化方案試驗(yàn)成果。設(shè)計(jì)方案通航水流條件試驗(yàn)成果(圖5)表明：導(dǎo)流堤向右岸側(cè)偏移后，對(duì)水流擠壓強(qiáng)度減弱，且導(dǎo)流墩改為實(shí)堤后，對(duì)引航道口門區(qū)內(nèi)掩護(hù)作用增大，水流越過堤頭受右岸緩流區(qū)頂托以及右岸下游凸咀影響，向船閘口門區(qū)及連接段擴(kuò)散強(qiáng)度較小。Q≤1 470 m3/s時(shí)，口門區(qū)及連接段最大橫向流速為0.21 m/s；連接段下游航線順河勢(shì)向右岸調(diào)整后，航道內(nèi)水流較平順，航道內(nèi)橫向流速均在0.35 m/s以內(nèi)。隨流量增加，河道內(nèi)流速逐漸增加，Q=3 820 m3/s時(shí)，口門區(qū)最大橫向流速為0.24 m/s；連接段最大橫向流速為0.28 m/s；連接段下游航線順右岸河勢(shì)調(diào)整后，航道內(nèi)橫向流速由工程前0.90 m/s降至0.50 m/s，結(jié)合船模試驗(yàn)成果，該流量級(jí)下通航條件基本滿足船舶安全航行要求。Q=7 820 m3/s時(shí)(圖6)，口門區(qū)最大橫向流速為0.30/s；連接段大多在0.3 m/s以內(nèi)，僅在堤頭下300～400 m航線左側(cè)部分測(cè)點(diǎn)稍大，最大為0.37m/s。連接段下游航線順右岸河勢(shì)調(diào)整后，航道內(nèi)橫向流速由工程前1.30 m/s降至0.68 m/s，結(jié)合船模試驗(yàn)成果，該流量級(jí)下通航條件基本滿足船舶安全航行要求。

圖5 優(yōu)化方案船閘下游航道內(nèi)最大橫向流速變化Fig.5 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the optimized plan ship lock圖6 優(yōu)化方案樞紐下游流場(chǎng)及航道內(nèi)流速分布云圖(Q=7 820 m3/s)Fig.6 Hub optimization downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

可以看出，由于導(dǎo)流堤進(jìn)一步向右岸側(cè)偏移，對(duì)水流擠壓強(qiáng)度減弱，并且由于導(dǎo)流墩改為實(shí)堤，對(duì)引航道口門區(qū)內(nèi)掩護(hù)增大，水流越過堤頭受右岸緩流區(qū)頂托以及右岸下游凸咀影響，向船閘口門區(qū)及其連接段擴(kuò)散強(qiáng)度較小。在最大通航流量(Q≤7 820 m3/s)以下的各級(jí)流量，船閘下游口門區(qū)及其連接段內(nèi)通航水流條件基本能滿足要求，船舶能夠安全進(jìn)出口門區(qū)及連接段航道。船舶模擬試驗(yàn)表明船閘下游口門區(qū)及其連接段航道內(nèi)通航水流條件較好，船舶均能夠安全通過口門區(qū)段航道，航行參數(shù)能夠滿足安全航行要求。

3 結(jié)語

(1)洪江樞紐擴(kuò)建船閘設(shè)計(jì)方案條件下，受下游向右微彎河勢(shì)、下游新建直線段導(dǎo)流堤布置影響，大流量時(shí)口門區(qū)及連接段擴(kuò)散水流礙航；受連接段下游航線布置由靠右側(cè)河道過渡至河道中部偏左，與順直微彎的河勢(shì)不一致，致使水流流向與航線夾角偏大，造成斜流流速大礙航；(2)優(yōu)化方案從調(diào)整船閘下游引航道導(dǎo)流堤布置和航線平面布置兩方面入手，充分利用船閘下游彎道河段右岸河道存在大范圍的緩流區(qū)，將下游引航道長(zhǎng)直堤設(shè)置為折線型，減少導(dǎo)流堤對(duì)主河道過水?dāng)嗝娴膲嚎s，降低河道流速，改善口門區(qū)水流條件；同時(shí)順應(yīng)下游河勢(shì)向右岸調(diào)整航線，達(dá)到了改善船閘下游航道通航條件目的；(3)項(xiàng)目研究針對(duì)擴(kuò)建船閘在老船閘下游新建船閘的閘室較長(zhǎng)、樞紐下游河型微彎并逐漸收縮的特點(diǎn)，提出的導(dǎo)流堤折線布置方案，可以較好解決擴(kuò)建船閘下游口門區(qū)及連接段航道的通航條件問題，可為同類船閘擴(kuò)建項(xiàng)目提供借鑒參考。