張艷艷 張康 王建平 胡曉張 張金明

摘要：對于有通航要求的感潮河段，閘泵聯用將使內江排澇時間延長，排澇流量增大，導致排入外江的水流橫向流速增大，影響通航。以中順大圍白花頭水利樞紐為例，采用物理模型試驗的手段模擬閘泵聯調的情況下內江排澇對外江通航的影響，并提出了適用于漲潮、落潮及轉潮不同工況下的整治措施。根據試驗結果提出：在內外江交匯口設置兩排導流墩，靠內江的一排導流墩作用是將內江出來的水流均勻分成若干股，第2排導流墩與第1排交錯布置，并呈45°交角，作用是將分散的水流打散，利用多股水流碰撞的原理將能量消散掉，從而達到降速的目的。該整治技術具有普適性，可應用于類似工程河段，對促進珠江三角洲航運事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關 鍵 詞：內江排澇; 整流措施; 物理模型試驗; 導流墩; 外江通航：中順大圍白花頭水利樞紐

中圖法分類號： TV147 ? 文獻標志碼： A

0 引 言

珠江三角洲地處中國南部，廣東省中南部，是中國經濟較發(fā)達的幾個地區(qū)之一。隨著經濟的快速發(fā)展，城市防洪排澇問題凸現，為解決內澇問題，珠江三角洲早在20世紀50年代已經開始大規(guī)模聯圍筑閘[1]。近些年由于極端氣候頻現，城市內澇問題進一步凸顯，這將加大各大圍排澇壓力。因此，在內外江交匯處新建了許多水閘和泵站，以達到降低圍內洪澇災害風險的目的。雖然閘泵聯用能有效降低內江洪澇災害發(fā)生幾率，但是對外江影響較大[2]，尤其在有通航要求的感潮河段，對河段通航影響很大。它將使內江排澇時間延長，排澇流量增大，導致排入外江的水流橫向流速增大，影響通航。因此，有必要專門針對內江排澇對潮汐河段通航影響及整治措施開展研究，消減內江排澇對外江通航的影響。

以往在關于泵站出水對外河通航的研究中，曾有采用導流墩調整水流方向的成果[3-5]，也有采用降低交匯口門區(qū)灘面高程的方式降低橫向流速，從而達到滿足通航要求的目的[5-6]，還有將2種方法結合使用的[4]。雖然以上方案的實施都能改變水流方向，達到降低橫向流速的目的，但是對于外江是潮汐河段，水流方向在漲落潮不斷變換的情況下入匯水流方向也會發(fā)生變化，以上方案就不再適用。因此，針對潮汐河口這種特殊的水流條件，有必要開展專門研究，提出相應的整治措施。

本文擬采用物理模型試驗的手段，以中順大圍白花頭水利樞紐工程為例，模擬閘泵聯調的情況下內江排澇對外江通航的影響，并提出適用于漲潮、落潮及轉潮不同工況下排澇對通航影響的整治措施。主要原理是采用導流墩將內江口門區(qū)水流分散、打亂，利用水流之間的撞擊將能量消耗掉。

1 工程簡介

中順大圍位于珠江出?？跈M門和磨刀門之間，大圍東側自上而下緊鄰東海水道、小欖水道和橫門水道;西側瀕臨西江主流西海水道、海州水道和磨刀門水道，地處廣東省中山市的西北部和佛山市順德區(qū)的南部，跨中山、佛山兩個行政區(qū)[7-8]。全圍總集雨面積779.21 km2，是廣東省五大重要堤圍之一，主要功能是防洪、擋潮、灌溉、排澇、改善航運和水環(huán)境。近年來，由于上游洪水和下游風暴潮的襲擊，大圍地區(qū)洪、澇、暴潮等自然災害交錯頻繁出現，給大圍內工農業(yè)生產和人民生命財產安全帶來了嚴重威脅[9]。

擬建白花頭水利樞紐位于白花頭涌與小欖水道交匯處（見圖1），小欖水道洪季受徑流控制，枯季受潮汐影響比較明顯，洪季的平均流量為1 785 m3/s，多年平均流量約為555 m3/s。小欖水道最高潮位發(fā)生于6～9月，歷年最高潮位為4.66 m，最低潮位發(fā)生于枯水期1～3月，為-0.90 m。洪水期水面比降大，徑流作用強，枯水期水面比降小，潮流作用強，落潮潮差大于漲潮潮差，歷年最大落潮潮差自上游往下游遞增，落潮歷時比漲潮歷時長，一般漲潮平均歷時約為5 h，而落潮平均歷時為7 h。

小欖水道現狀維護等級為Ⅲ級，通航1 000 t級船舶，維護尺度為：航道水深4 m，航寬80 m，最小彎曲半徑480 m。規(guī)劃的航道等級為內河Ⅰ級，維護尺度為4 m×80 m×480 m（水深×航寬×彎曲半徑）。

該河段典型船舶主要技術指標包括：長約56 m，寬約10 m，型深3.5 m，設計吃水深2.85 m，航速13.2 km/h，靜水率定航速4 m/s，最小對岸航速5 m/s。

2 模型試驗介紹

2.1 模型范圍

本次研究采用物理模型試驗的方法進行，擬建白花頭水利樞紐位于中順大圍東干堤白花頭涌出口，樞紐建成后將與小欖水道相接。模型范圍：小欖水道取至上游約1.2 km、下游約1.4 km，白花頭涌取至上游約0.7 km處，如圖2所示。

2.2 試驗條件

（1） 模型比尺。為提高模型試驗觀測精度，選擇較小的模型幾何比尺，根據模型場地及供水條件，確定該試驗采用正態(tài)模型，比尺為1∶70。

（2） 試驗工況。小欖水道目前為Ⅲ級航道，可通行500～1 000 t級船舶，根據《大飛洋游艇碼頭通航論證報告》（廣東正方圓工程咨詢有限公司），小欖水道工程段最高通航水位為3.29 m（20 a一遇），最低通航水位為-0.85 m（98%保證率）。

樞紐排澇對小欖水道通航影響隨小欖水道漲落潮流態(tài)變化而變化，且水位越低影響可能會越大。為此，試驗選取了小欖水道一個完整的枯季代表潮型（“012”），配合水閘設計自排流量（Q=319.9 m3/s），分別進行了24組試水試驗，最終確定以下5種典型工況作為本次試驗研究工況（見表1）。

3 初設方案試驗結果

3.1 流態(tài)變化

小欖水道為感潮河段，其流向隨漲落潮變化而變化。工程實施前各試驗工況下，小欖水道不受排澇影響，工程段流態(tài)平順，主流位于深槽位置，小欖水道走向基本平行于主流，航道內無明顯不利流態(tài)。圖3為白花頭水利樞紐建成后，不同工況下排澇對小欖水道影響下的流態(tài)圖。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

由圖3可見：工程實施后白花頭水利樞紐口門區(qū)出水主流集中，且主流位置隨外江漲落潮變化而變化。具體來看，當小欖水道以洪為主時，口門區(qū)出水主流主要集中在小欖水道下游5，6號導流孔（自小欖水道上游至下游導流孔依次編號為1，2，…，6），如圖3（a）所示;當小欖水道以潮為主且處于落憩、轉流以及漲潮時，口門區(qū)出水主流集中在3，4號導流孔，如圖3（b）～3（d）所示;當小欖水道以潮為主且處于漲急時，口門區(qū)出水主流集中在口門上游1，2號導流孔。

進一步結合小欖水道控制線位置可以看出，樞紐的排澇對小欖水道流態(tài)的影響也隨外江漲落潮變化而不同。具體來看，當小欖水道轉流時（由落轉漲），口門區(qū)出水對小欖水道形成頂沖之勢，橫向流速明顯，航道內有大范圍回流，該工況下流態(tài)對小欖水道通航最為不利，如圖3（c）所示;當小欖水道處于漲潮中期時，樞紐排澇使得小欖水道工程段主流向左岸偏移，樞紐口門出水主流與小欖水道夾角約為60°左右，大飛洋游艇會口門區(qū)回流明顯，可能會影響游艇會的正常運營，如圖3（d）所示;當小欖水道落憩時，樞紐排澇使得小欖水道工程段主流略向左岸偏移，樞紐口門區(qū)出水主流與小欖水道夾角約為30°左右，也可能影響小欖水道的正常通航，如圖3（b）所示;當小欖水道漲急時，樞紐排澇對小欖水道流態(tài)無明顯不利影響。

3.2 橫向流速對航道的影響

航道內的橫向流速是指水流流速在航道法線方向上的分量，它是衡量航道水流條件的重要指標之一。目前，針對天然航道內的橫向流速大小，中國暫無統(tǒng)一的規(guī)范要求，GB 50139-2004《內河通航標準》[12]規(guī)定Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)橫向流速一般不宜大于0.3 m/s，Ⅴ～Ⅶ級船閘口門區(qū)橫向流速一般不宜大于0.25 m/s。以上規(guī)定對于天然航道來說過于苛刻，但本次研究從保證工程安全的角度出發(fā)，仍采用以上標準作為參照依據。

為了定量分析樞紐排澇后小欖水道工程段橫向流速的大小，本次研究在擬建樞紐口門區(qū)上下游選取了8個斷面共計39個流速采樣分析點，并測量了各采樣點橫向流速大小及其變化值。其中1-2號～8-2號位于小欖水道右岸控制線上，1-3號～8-3號位于小欖航道中心線上，1-4號～8-4號位于小欖航道左岸控制線上，如圖4所示。

從橫向流速測量結果可以看出，工程實施前小欖水道工程段各采樣點橫向流速均為0。工程實施后，樞紐排澇對小欖水道橫向流速的影響主要集中在2號斷面與5號斷面之間，入小欖水道最大橫向流速均出現在小欖水道右岸控制線4-2號點處。各試驗工況下，入小欖水道最大橫向流速出現在小欖水道轉流（由落轉漲）時刻，約為0.72 m/s（4-2號點處），是規(guī)范上限值的2.4倍左右，可能會影響小欖水道的正常通航;其次小欖水道落憩時刻，入小欖水道最大橫向流速也可達0.67 m/s;小欖水道漲潮中期以及漲急時刻，入小欖水道最大橫向流速分別為0.62 m/s和0.28 m/s;當小欖水道遭遇20 a一遇設計洪水時，樞紐排澇對小欖水道通航影響最小，最大橫向流速僅為0.03 m/s。

3.3 縱向流速影響

航道內的縱向流速是指水流流速在航道平行線方向上的分量，它也是衡量航道水流條件的指標之一。目前，針對天然航道內的縱向流速大小，中國暫時也沒有統(tǒng)一的規(guī)范要求，根據相關工程經驗及參考資料，天然航道內的縱向流速一般不宜大于3.0 m/s。本次研究就采用該經驗值作為參照依據。

工程后各試驗工況下，小欖水道內最大縱向流速出現在最高通航水位條件下（7-2號處），約為2.22 m/s，小于3.00 m/s，因此不會影響小欖水道正常通航。

4 方案優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案原理

根據初設方案試驗結果，工程實施后樞紐排澇對小欖水道通航有一定影響，主要是漲潮、落潮及轉潮橫向流速都超標，其中轉潮時刻橫向流速最大。為了消除橫向流速對小欖水道通航的影響，擬在口門區(qū)設置導流墩，同時將口門區(qū)排水渠底高程由-4.0 m進一步疏浚至-6.0 m，并與小欖水道-6.0 m等深線銜接（見圖5）。

將初設方案的導流墩調整為“W”形走向，并在口門區(qū)上游增加一排放射狀分布的導流墩的優(yōu)化方案，是利用上游放射狀的導流墩進行分流，將集中水流均勻的分散，再利用“W”形走向導流墩把分散的水流打亂，利用不同方向水流之間的碰撞進行二次消能，從而達到降低橫向流速的目的（見圖6）。

4.2 優(yōu)化試驗結果

（1） 流態(tài)分布。圖7為優(yōu)化方案各試驗工況下小欖水道工程段流態(tài)分布圖。對比圖7（c）和圖3（c）可知：最不利工況下（小欖水道由落轉漲），優(yōu)化方案樞紐口門區(qū)主流分散，進入小欖水道后流速較小，且無明顯回流區(qū)，不會影響小欖水道的正常通航。小欖水道落憩、漲潮中期時，小欖水道的流態(tài)也得到進一步改善，大飛洋游艇會口門區(qū)回流消失（見圖7（a）（b）（d）），樞紐排澇不再影響游艇進出港安全。小欖水道處于漲急時刻或者遭遇20 a一遇洪水時，優(yōu)化方案流態(tài)與初設流態(tài)類似，均不會對小欖水道水流條件構成明顯不利影響。

（2） 橫向流速分布。對優(yōu)化方案下各試驗工況的橫向流速進行了測量：轉潮流工況下，入小欖水道最大橫向流速出現在3-2號位置處，約為0.27 m/s，較初設方案削減了62.5%，滿足GB 50139-2004《內河通航標準》對Ⅰ～Ⅳ級船閘口門區(qū)橫向流速的要求（不宜大于0.3 m/s）。其他試驗工況下，優(yōu)化方案最大橫向流速一般出現在3-2號、4-2號位置處，均在0.25 m/s以內，較初設方案都有不同程度的減小。因此對擬建樞紐口門區(qū)優(yōu)化后，入小欖水道最大橫向流速顯著減小，樞紐排澇基本不會影響小欖水道的正常通航。

（3） 縱向流速分布。對優(yōu)化方案下各試驗工況的縱向流速進行了測量：小欖水道最大縱向流速仍然出現在小欖水道最高通航水位下7-2號處，約為2.22 m/s，與初設方案相同，不會影響正常通航。其他試驗工況下，方案優(yōu)化后小欖水道最大縱向流速一般都在1.50 m/s以內，也不會對通航構成不利影響。E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF

對比了初設方案與優(yōu)化方案中各測點的橫向流速，選取的工況為“012”落憩對應最低通航水位。因為該工況下小欖水道水位最低，白花頭涌排出來的水流橫向流速最大，為最不利工況（見表2）。

表2列出的對比測點是有橫向流速的點，其他測點均無橫向流速。從表2可以看出：相比初設方案，優(yōu)化方案中第4排和第5排測點橫向流速明顯減小，而且都在控制流速的范圍內。第3排部分測點橫向流速有所增大，但仍在限制流速范圍內。因此，從橫向流速角度來講，優(yōu)化方案明顯優(yōu)于初設方案，可以滿足小欖水道通航要求。

5 結 論

本文采用物理模型試驗的手段，以中順大圍白花頭水利樞紐工程為例，模擬閘泵聯調的情況下內江排澇對外江通航的影響，提出適用于漲潮、落潮及轉潮不同工況下排澇對通航影響的整治措施。結論如下。

（1） 內江排澇對小欖水道流態(tài)的影響隨外江漲落潮變化而不同，但都對小欖水道通航有一定影響。轉潮時，外江流速很小，排澇形成的橫向流速明顯，航道內有大范圍回流，該工況下的流態(tài)對小欖水道通航最為不利;漲潮中期時，內江出水主流與小欖水道夾角約為60°左右;落憩時，內江出水主流與小欖水道夾角約為30°左右。

（2） 工程實施后，各試驗工況下入小欖水道最大橫向流速出現在小欖水道轉潮時刻，約為0.72 m/s，是規(guī)范上限值的2.4倍左右;落憩時刻，入小欖水道最大橫向流速也可達0.67 m/s;漲潮中期時刻，入小欖水道最大橫向流速為0.62 m/s;3種工況下橫向流速均超標，均會對通航產生影響。

（3） 為了消除橫向流速對小欖水道通航的影響，提出在口門區(qū)設置兩排導流墩，其中上游一排為放射型布置，下游一排采用“W”形走向布置;同時將口門區(qū)排水渠底高程由-4.0 m進一步疏浚至-6.0 m，并與小欖水道-6.0 m等深線銜接的優(yōu)化方案。

（4） 通過方案優(yōu)化，各工況下橫向流速均降至規(guī)范標準以內，可滿足小欖水道通航的需求。

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（編輯：胡旭東）E508C514-A097-4C6D-B7C4-C97F48A850BF