黃智敏,付 波,陸漢柱,鐘勇明,陳卓英

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635;2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

1 工程概況

通航船閘是攔河水閘樞紐工程的重要組成部分，其作用可在攔河閘壩形成水位落差的條件下，確保船只的正常通航。通常，由于受閘址區(qū)域河道復雜河勢和地形的影響、樞紐各建筑物(如泄水閘、水電站等)布置和運行制約等，船閘上、下游引航道口門區(qū)的運行流態(tài)和流速分布較復雜。因此，大型攔河水閘樞紐的通航船閘等布置，往往需經(jīng)過水工模型試驗的論證和優(yōu)化[1-6]。

高陂水利樞紐工程主要建筑物由泄水閘、電站廠房、通航船閘及擋水壩等組成，位于廣東省大埔縣境內(nèi)的韓江中游，是以防洪和供水為主，兼顧發(fā)電、航運、灌溉、改善下游河道生態(tài)等綜合效益的Ⅱ等大(2)型工程。樞紐工程正常蓄水位為38.00 m(珠基，下同)，設計洪水頻率為100年一遇(P=1%)，校核洪水頻率為1 000年一遇(P=0.1%)。

根據(jù)工程設計資料[7]，高陂水利樞紐通航船閘規(guī)模為Ⅳ級，布置在壩址河道的左岸。船閘設計年通過貨運能力為900萬t/a，單向通過能力為720萬t/a，客運為5萬人/a。船閘閘室有效尺度為200 m×18 m×3.05 m(長×寬×門檻上最小水深)，船閘上、下游引航道均采用不對稱式平面布置，引航道總長度均為290 m、底寬為40 m；上游引航道底高程為24.15 m，下游引航道底高程為21.15 m(見圖1～圖2)。

圖1 高陂水利樞紐工程平面布置示意

圖2 設計方案船閘平面布置示意

通航船閘設計的最大通航洪水標準為10年一遇洪水(P=10%)，相應洪水流量Q=11 130 m3/s。船閘設計的通航水位：上游最高通航水位為38.90 m，最低通航水位為28.00 m；下游最高通航水位為38.69 m，最低通航水位為25.00 m。最大通航流量條件下的泄水閘運行水力參數(shù)見表1。

表1 泄水閘運行水力參數(shù)

樞紐工程閘址區(qū)域河道彎曲和狹窄，閘址處河道寬為300～400 m，河床面高程為24.00～26.00 m；閘址右岸電站的右岸坡往下游河道逐漸收縮，至樁號0+900～1+000處河寬縮窄至約280～300 m。閘址下游河床表層為含礫和含卵石的粗沙層(厚度約10～28 m，中值粒徑1.0 mm)，底部為中粗粒黑云母花崗巖。

由于高陂水利樞紐泄水閘泄洪流量大、水頭較高、閘址區(qū)域河道彎曲和狹窄等，因此，船閘通航的水流條件較復雜。為了優(yōu)化高陂水利樞紐通航船閘的布置，在該樞紐工程整體水工模型(1:85的正態(tài)模型)進行了船閘布置優(yōu)化的試驗研究，整體水工模型河道截取的范圍：① 閘址上游河道長為3 km；② 閘址下游河道長為2.5 km[8-10]。

2 船閘上游引航道口門區(qū)通航試驗

2.1 船閘引航道口門區(qū)范圍分析

根據(jù)文獻[11-12]，船閘引航道口門區(qū)長度應按設計的最大船舶、船隊確定，頂推船隊采用2.0～2.5倍船隊長，拖帶船隊采用1.0～1.5倍船隊長，2種船隊并有時，取大值。Ⅰ～Ⅳ級船閘引航道口門區(qū)水面最大流速限值：平行于航線的縱向流速為v1<2.0 m/s，垂直于航線的橫向流速為v2<0.3 m/s，回流流速為v3<0.4 m/s。

高陂水利樞紐船閘通航的最大船舶為500 t，船只尺寸為47 m×8.8 m×1.9 m(長×寬×設計吃水)[7]。參考文獻[11-12]，選用2.5倍單船船長為其口門區(qū)的長度，因此，高陂水利樞紐船閘上、下游引航道口門區(qū)的長度約為為117.5 m。

2.2 設計方案上游引航道口門區(qū)試驗

船閘上游引航道導航墻上游端斷面樁號為0-293，其口門區(qū)長度約117.5 m，因此，上游口門區(qū)河道上游端樁號約為0-410.50。

試驗表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級洪水流量泄流運行時(見表1)，泄水閘上游河道的來流較平順，船閘上游引航道口門區(qū)河道水流也較平順和平穩(wěn)，口門區(qū)河道水面流速為v<1.5 m/s，口門區(qū)河道的流速流向與船閘中心線(航線)的夾角β≤10°，由此可計算得垂直航線的橫向流速v2<0.3 m/s(見圖3)。因此，上游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速(v1<1.5 m/s、v2<0.3 m/s、v3<0.4 m/s)可以滿足通航的要求。

圖3 船閘上游引航道口門區(qū)流態(tài)和流速分布示意

2.3 優(yōu)化方案上游引航道口門區(qū)試驗

由樞紐工程布置可見(見圖1)，高陂水利樞紐船閘上游引航道布置在彎曲河道的約彎頂處，船閘縱向軸線與河道左岸線呈25°～30°夾角，當船只進、出上游引航道進、出口時，船只需繞一定角度后，才能進、出上游引航道，給船只通航帶來不便。因此，為了便于船只進、出上游引航道，在滿足規(guī)范規(guī)定的引航道直線段總長度的條件下，將上游引航道右導航墻的上游段修改為曲線或折線型導墻，便于船只通航。

《船閘總體設計規(guī)范》[11]規(guī)定：引航道直線段的總長度(即導航段L1、調(diào)順段L2和停泊段L3之和)L≥(3.5～4)Lc(Lc為單船最大船長)。本工程船閘通航的500 t船只最大船長Lc=47 m，計算得引航道直線段的總長度L=165～188 m。因此，取上游引航道右導航墻直線段長度L=220 m，在其上游端往上游延伸的半徑R=400 m的圓弧線上布置12個直徑d=1.5 m、弧線圓心距s=6.0 m的圓柱墩(見圖4)。

圖4 上游引航道右導航墻優(yōu)化方案布置示意(單位：m)

船閘上游引航道右導航墻優(yōu)化方案試驗表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各級洪水流量泄流運行時，上游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速與設計方案引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速相近，可以滿足通航的要求，且上游引航道右導航墻優(yōu)化方案的布置更便于船只通航。

2.4 降低上游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差試驗

在各級洪水流量泄流運行時，上、下游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生一定的水位差值，在洪水位淹沒上游右導航墻頂之前，泄水閘泄洪流量越大，導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差值相應增大，不利于導航墻結(jié)構的安全。在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行條件下，進行了上游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差試驗和改進優(yōu)化。

1) 測試的上游引航道右導航墻(實體導墻)內(nèi)、外側(cè)水位差值ΔZ約為0.32 m(內(nèi)側(cè)水位高于外側(cè)水位)，引航道內(nèi)面流速為v≤0.35 m/s 。

2) 經(jīng)試驗比較，在引航道右導航墻高程為 31.00 m 水平線上開設導流孔，導流孔直徑d=1.3 m、孔中心距s=5.0 m，導流孔分布范圍為樁號0-033～0-220 (見圖5)。

圖5 上游引航道右導航墻開孔方案布置示意(單位：m)

洪水流量Q≤11 130 m3/s的泄流運行試驗表明，開孔后的上游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ<0.20 m，引航道內(nèi)面流速v<0.45 m/s。因此，開導流孔后的上游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ比設計方案相應降低值大于0.12 m，引航道內(nèi)面流速增加較小，可以滿足船只通航的要求。

3 船閘下游引航道口門區(qū)通航試驗

船閘下游引航道長度為290 m，泄水閘的下游河道逐漸縮窄，至樁號約0+900～1+000斷面區(qū)域，河道窄口段的河面寬度約280～300 m(見圖1)。船閘下游引航道出口斷面樁號為0+545.50，下游引航道口門區(qū)長度約117.5 m，則下游引航道口門區(qū)的下游河道末端斷面樁號約為0+663。

3.1 下游引航道口門區(qū)運行試驗

3.1.1定床模型試驗

1) 在最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行時，船閘下游引航道口門區(qū)水流較平順和平穩(wěn)，受右導航墻布置的影響，口門區(qū)為弱回流區(qū)，回流流速為v3<0.4 m/s。因此，下游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速基本可以滿足通航的要求(見圖6)。

圖6 船閘下游引航道口門區(qū)流態(tài)和流速分布示意

2) 在泄洪流量Q<11 130 m3/s泄流運行時(見表1)，隨著泄洪流量減小，下游引航道口門區(qū)的回流區(qū)范圍和回流流速相應減小，下游引航道口門區(qū)的流態(tài)和流速可以滿足通航的要求。

3) 在泄洪流量Q≤11 130 m3/s泄流運行時，測試的船閘下游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差ΔZ≤0.20 m(內(nèi)側(cè)水位低于外側(cè)水位)，引航道內(nèi)水流較平靜。因此，下游引航道右導航墻內(nèi)、外側(cè)水位差值較小，對導航墻的不利影響相應較小。

3.1.2動床模型試驗

泄水閘下游河道動床范圍為閘下消力池下游海漫段末端(樁號0+222)至樁號1+600的下游河床(見圖1)。動床模型沙選用中值粒徑為0.5 mm的塑料沙，河床覆蓋層底部基巖(高程為8.00 m以下)采用花崗巖碎石模擬(相應原型不沖流速約為4.5 m/s)[9-10]。動床模型試驗表明：

1) 在電站4臺機組單獨發(fā)電運行時，受電站發(fā)電尾水的影響，下游引航道口門區(qū)水面回流流速為v3<0.35 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為1 m。

2) 在正常蓄水位為38.00 m、閘門開度e≤4.3 m(泄流量Q≤6 700 m3/s)泄流運行時，下游引航道口門區(qū)水面回流流速v3<0.4 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為1～2 m。

3) 在泄洪流量Q=9 220(P=20%)～11 130 m3/s(P=10%)泄流運行時，下游引航道口門區(qū)水面回流流速為v3<0.4 m/s，口門區(qū)航槽區(qū)域淤積厚度約為 2～3 m。

因此，船閘下游引航道口門區(qū)為低流速的回流區(qū)，口門區(qū)易產(chǎn)生淤積，嚴重時會影響船只通航。建議運行期應對口門區(qū)河床進行定期監(jiān)測，并采取適當?shù)姆烙俸颓逵俅胧_保船閘的正常運行。

3.2 下游引航道口門區(qū)的下游河道通航分析

在泄水閘閘門全開的泄洪流量Q=6 700 m3/s至最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流運行時，測試的下游河道窄口段(樁號0+900～1+400，見圖1) 的河道水面流速為v≥2.0 m/s，不利于船只的安全通航，船閘建成運行時應給予充分的注意和重視[8-9]。

4 工程應用

本項目通航船閘上游引航道右導航墻優(yōu)化方案等試驗研究成果得到了工程建設的應用，船閘工程已建成投入運行。目前，船閘的初步運行情況良好，后續(xù)的運行情況有待于進一步觀察和分析。

5 結(jié)語

高陂水利樞紐工程泄洪流量大、水頭較高、閘址區(qū)域河道狹窄和彎曲，其船閘上、下游引航道口門區(qū)水流條件較復雜。通過水工模型試驗，測試了船閘上、下游引航道口門區(qū)運行流態(tài)和流速分布，取得的主要研究成果為：

1) 優(yōu)化了船閘上游引航道右導航墻的布置，改善了船閘通航運行條件；在船閘上游引航道右導航墻開設導流孔，降低了導航墻內(nèi)、外側(cè)的水位差，有利于導航墻的安全。

3) 對船閘下游引航道口門區(qū)運行流態(tài)、通航條件及口門區(qū)下游窄口段河道的不利影響等進行了分析。

本文成果已應用工程建設，可供類似工程設計和運行參考。