蘇 瑩，付 菁，張春澤，周 勤

(1.重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶 400010；2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400074；4.長江水利水電開發(fā)集團(湖北)有限公司，湖北 武漢 430072)

隨著水運業(yè)迅猛發(fā)展，船舶流量顯著增長、船型尺度大幅增加，一些早期建設的船閘的過閘能力不能滿足水運需求，導致礙航滯航現(xiàn)象頻繁發(fā)生。在原有船閘基礎上進行改擴建，是提高航電樞紐通過能力的重要手段。然而，船閘改擴建工程往往會受地形、已建樞紐建筑物、河勢等多重控制因素制約，設計及建設難度均較新建一線船閘更大。例如：飛來峽水利樞紐受場地限制，在凸岸布置新船閘后，上游口門區(qū)橫向流速過大[1]；韓江南溪新建船閘受河勢及周邊環(huán)境限制，船閘閘室軸線與河道交角較大，導致口門區(qū)橫流超標[2]。船閘通航水流條件的好壞直接關(guān)系船舶的過閘安全，改擴建船閘設計方案的合理性可預先通過研究其通航水流條件來分析論證，水流條件差時，可針對存在的水流問題采取措施優(yōu)化設計方案。例如：白垢樞紐新建二線船閘時，通過建立二維數(shù)學模型計算新船閘引航道內(nèi)水流流態(tài)及對比新舊船閘引航道流場變化后，對新船閘設計合理性及最佳通航水流條件進行了論證[3]；麻石船閘改擴建工程中，針對3個改善口門區(qū)復雜通航條件的優(yōu)化方案建立樞紐下游河道二維水流模型，分析比較各方案口門區(qū)通航水流條件后，得出了滿足通航安全指標的最優(yōu)方案[4]。

清遠樞紐是珠江流域北江下游的重要航運節(jié)點。為滿足最新形勢下北江日漸增長的水運需求、順應航道擴能升級趨勢，擬在清遠樞紐原船閘基礎上新建三線船閘，同時預留四線船閘建設空間。清遠樞紐右岸已布置一、二線船閘且投入運行，樞紐左岸下游因有電站廠房下泄水流及大燕河大角度匯入導致水流條件復雜，在嚴苛的現(xiàn)場布置環(huán)境和水流條件下，亟需探索保障三線船閘通航水流條件的布置方案與優(yōu)化措施。本文通過建立清遠樞紐局部河段二維水流數(shù)學模型，模擬新建三線船閘在各典型工況下的引航道口門區(qū)及連接段流速分布，分析通航水流條件驗證新建船閘布置的合理性，同時針對存在的水流問題提出改善措施進行優(yōu)化試驗，給出滿足通航要求的船閘布置方案。

1 工程概況

清遠水利樞紐位于北江下游廣東省清遠市境內(nèi)，由干流樞紐和大燕河水閘組成，樞紐所在河段現(xiàn)狀河勢見圖1?，F(xiàn)有通航建筑物設置于樞紐右岸，一線船閘有效尺度為220 m×34 m×4.5 m，布置于河床右岸；二線船閘有效尺度為180 m×23 m×4.5 m，布置于一線船閘右側(cè)。兩閘中心距為90 m，均為1 000噸級船閘。

圖1 樞紐河段河勢

擬在一、二線船閘基礎上新建三線船閘并預留四線船閘建設空間，其單個船閘建設規(guī)模為內(nèi)河2 000噸級船閘(兼顧通航3 000噸級單船)，閘室有效尺度擬采用280 m×34 m×5.8 m。三線船閘平面布置規(guī)劃設計時考慮了左岸和右岸兩種建設方案，其中右岸方案擬建三、四線船閘自西向東布置在北江右岸，與現(xiàn)一、二線船閘平行，東側(cè)臨近二線船閘，該方案新船閘施工期對現(xiàn)有船閘運營有較大干擾，且西側(cè)需對已建清西圍大堤退堤改線，改線工程的水利協(xié)調(diào)難度、施工開挖量、堤后移民和征堤拆遷的難度均十分突出，因此本文主要針對左岸方案通航水流條件展開研究。

左岸方案擬建三、四線船閘布置在北江左岸，采用閘壩并列式自西向東布置，總平面布置見圖2。三、四線船閘中心距為57 m，采用雙排停靠共用引航道方案，上下游引航道均采用“曲線進閘、直線出閘”的布置方式，引航道底寬150 m，兩側(cè)均布置有導航墻、靠船墩，導航調(diào)順段長180 m，停泊段長280 m。上游引航道占用現(xiàn)魚類增殖站場地，擬補償建設過魚通道。為保證船舶通航的水流條件，上引航道向上游直線延伸3.3 km與主航道連接。下游引航道向下游直線延伸約1.4 km，橫跨大燕河口，經(jīng)爛柴洲左汊與主航道連接，右側(cè)停泊段末端續(xù)建分水墻、導流墩與爛柴洲相連以應對泄水閘及電站下泄水流影響，同時考慮到北江大堤保護要求，航道左岸底邊線距離北江大堤腳約252 m。

圖2 左岸方案平面布置

2 二維水流數(shù)學模型建立與驗證

2.1 模型控制方程及數(shù)值解法

模型采用水深、流速沿水深垂向平均分布的平面二維淺水方程[5]，包括水流連續(xù)方程和動量方程。計算域空間離散使用有限體積法。對于時間積分，淺水方程求解有低階顯式的Eluer方法和二階的Runge-Kutta方法。

2.2 邊界條件

平面二維水流模型中，進口邊界給定流量、出口邊界給定水位；岸邊界為非滑移邊界，給定邊界法線方向流速為零，對于頂面高程高于或接近防洪設計水位的建筑物也建立岸邊界，內(nèi)部不設置網(wǎng)格，如靠船墩、導航墻、分水墻等；動邊界(干濕邊界)采用凍結(jié)法處理，通過定義臨界水深Δh來確定干、濕單元，當水深h>Δh時，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量級)。

2.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

建立的模型以清遠樞紐為界分為上、下游兩段，上游段為樞紐上游6.3 km至樞紐壩軸線，下游段為樞紐壩軸線至下游石角水文站所在斷面，長約4.8 km，兩岸模型范圍為已建大堤之內(nèi)。計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行離散，網(wǎng)格的大小疏密沿河道河勢寬窄變化不等，導流堤堤頭、靠船墩、分水墻等特征建筑物均設為固壁邊界，并對其周圍網(wǎng)格進行加密。上游段布置網(wǎng)格單元4.783 7萬個，網(wǎng)格節(jié)點2.453 4萬個，下游段布置10.816 7萬個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格節(jié)點5.489 0萬個，網(wǎng)格平均節(jié)點間距約25 m，最小局部網(wǎng)格密度為1.5 m。模型局部計算網(wǎng)格見圖3。

圖3 模型局部計算網(wǎng)格

2.4 模型驗證

經(jīng)實測資料率定，該河段主槽糙率范圍為0.029～0.032，岸灘糙率范圍為0.032～0.037，此外，由于船閘上游段模型遠壩段缺少實測資料，故遠壩段糙率參照近壩段進行取值。現(xiàn)選擇樞紐下泄流量為5 000 m3/s時的觀測沿程水面線對模型進行驗證。通過水面線驗證(圖4)可知，模型計算水面線與觀測水面線吻合較好，誤差均在(-0.10 m，0.10 m)，滿足水面線相似要求。

圖4 研究河段水面線驗證

3 計算成果分析

JTJ 305—2001《船閘總體設計規(guī)范》[6]規(guī)定：引航道口門區(qū)長度取455 m((2倍頂推船隊長度)；引航道導航段和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動段和停泊段的水面最大流速縱向不應大于0.5m/s，橫向不應大于0.15 m/s；口門區(qū)水面最大流速限值為v縱≤2.0 m/s、v橫≤0.3 m/s、v回流≤0.4 m/s；參照口門區(qū)通航水流條件基本要求判別口門區(qū)與主航道之間連接段水流條件的優(yōu)劣。此外，規(guī)范對最大流速的限值均指表面流速，模型計算流速為垂向平均流速，故本文中縱向、橫向及回流流速值均已換算為水體表面流速進行分析。

3.1 計算工況

根據(jù)清遠水利樞紐一、二線船閘設計方案，樞紐上下游設計最高通航水位為10 a一遇洪水位，此時泄洪閘敞泄，電站停止發(fā)電，下游大燕河水閘敞泄；上游設計最低通航水位取來流量2 930 m3/s時的壩前水位，此時電站即將由滿發(fā)轉(zhuǎn)為停機，多余來水由泄洪閘下泄，大燕河泄生態(tài)流量。另外，當干流泄洪量大于5 000 m3/s時，大燕河水閘敞泄。現(xiàn)利用最低到最高通航水位之間的4種水位流量組合(表1)作為控制工況對擬建三線船閘方案進行驗證、優(yōu)化。

表1 模型計算工況

3.2 通航水流條件分析

由于在左岸布置三線船閘對右岸一、二線船閘通航水流條件影響不大，各工況下一、二線船閘通航水流條件均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)主要對三線船閘設計方案進行水流條件分析及方案優(yōu)化。

3.2.1三線船閘上游段

表2為各計算工況下口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值，圖5為船閘上游引航道口門區(qū)及部分連接段在流量Q為5 000、9 259、13 224 m3/s時的流速分布。據(jù)表2和圖5知，船閘口門區(qū)及連接段整體流速隨上游來流量增大而增大，連接段水流流速及流態(tài)良好，但口門區(qū)水流順航道中心線向右側(cè)偏移，在與放坡尾部相連接區(qū)域橫流逐漸顯著。當流量Q≥5 000 m3/s時，口門區(qū)右側(cè)橫流均超出安全限值0.3 m/s，通航條件差。

表2 三線船閘口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值

圖5 不同流量下三線船閘上游引航道口門區(qū)及部分連接段流速分布(單位：m/s)

3.2.2三線船閘下游段

表3為在各計算工況下口門區(qū)及大燕河口處連接段流速情況，圖6為大燕河匯口處航道連接段的流速分布。據(jù)表3知，在各工況下口門區(qū)縱向、橫向及回流流速最大值均滿足規(guī)范的安全限值，通航條件良好。結(jié)合表3及圖6知，工況2大燕河以小流量11 m3/s匯入時，匯口流速非常小，連接段水流條件良好；工況3大燕河流量增加到1 510 m3/s時，匯口水流流速顯著增大，大燕河口水流直沖航道連接段，產(chǎn)生的橫流流速最大值達0.61 m/s，通航條件差；工況4大燕河為2 480 m3/s時，大燕河水位上升，河面變寬，匯口流速較工況3減小，水流匯入航道連接段后，連接段內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，流速值均滿足規(guī)范要求。

表3 三線船閘下游口門區(qū)及大燕河匯口處航道連接段流速值

圖6 各計算工況下大燕河匯口處航道連接段流速分布(單位：m/s)

4 船閘方案優(yōu)化試驗

4.1 三線船閘上游段引航道口門區(qū)

受導航分水建筑物、樞紐泄水閘及放坡區(qū)域的影響，于左岸方案三線船閘上口門區(qū)而言，河道斷面變窄導致河道水流收縮產(chǎn)生斜向水流，根據(jù)上述分析結(jié)果，上游口門區(qū)右側(cè)與放坡區(qū)尾部的連接段水流橫向流速在流量Q≥5 000 m3/s時大于0.3 m/s，需采取措施進行改善。

目前國內(nèi)外工程經(jīng)大量試驗研究后已提出多種改善口門區(qū)橫流的工程措施[7-12]，如調(diào)整導航堤長度、優(yōu)化導流堤堤頭形式、堤身開孔引流、口門區(qū)設置導流墩等，其中設置導流墩實用方便、改善效果好，近年來已成功應用于國內(nèi)多個樞紐工程實踐[13-14]，本文擬采用在上游右側(cè)導流堤頭前布置導流墩來改善口門區(qū)橫流。

導流墩通過對水流的均化和阻流作用減小斜流強度，對橫流的改善效果主要取決于導流墩的布置形式和尺寸。上游布置的單個導流墩長度設置為10 m，導流墩平行于航道中心線布置，為確定適宜的導流墩形狀、間距和數(shù)量，采用控制變量法擬定了4種優(yōu)化方案(圖7)在最不利工況即上游來流量為Q=13 224 m3/s時進行試驗研究，具體試驗的各優(yōu)化方案在口門區(qū)的斜流夾角范圍及最大縱向、橫向流速值見表4，船閘原始方案與各優(yōu)化方案在圖7中口門區(qū)設置的16個斷面對應的最大縱向、橫向流速值對比情況見圖8。

表4 Q=13 224 m3/s時各優(yōu)化方案口門區(qū)斜流夾角范圍及流速值

圖7 各優(yōu)化方案布置及口門區(qū)斷面設置

圖8 Q=13 224 m3/s時原始方案及各優(yōu)化方案口門區(qū)各斷面流速值

試驗分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案Ⅰ和Ⅱ僅導流墩截面形狀不同，在導流墩范圍內(nèi)，方案Ⅱ?qū)υ荚O計方案中CS7～CS11的橫流改善效果顯著優(yōu)于方案Ⅰ，均降至0.3 m/s之下，由此可知采用平行四邊形截面導流墩對橫流的改善效果優(yōu)于矩形截面，至于方案Ⅱ存在于導流墩末端區(qū)域(CS4～CS6)大于0.3 m/s的橫流，可通過繼續(xù)延長導流墩范圍進行改善。

此外，對于不同導流墩間距的優(yōu)化方案Ⅱ和Ⅲ，方案Ⅲ間距較大，相鄰導流墩之間局部透水量增加，與方案Ⅱ相比反而加劇了橫流影響，致使方案Ⅲ中CS6～CS10的橫流改善效果均未達標。

隨后，在方案Ⅱ基礎上延長導流墩范圍得到方案Ⅳ，結(jié)果顯示除斷面4最大橫流略有超標外(0.31 m/s)，其他斷面均低于0.3 m/s，且CS1～CS10的縱向流速較原始方案普遍減小，可使口門區(qū)的水流條件基本滿足船舶安全通航的要求。

4.2 三線船閘下游段航道連接段

根據(jù)3.2.2節(jié)計算結(jié)果，大燕河匯流直沖航道加劇橫流強度，使三線船閘下游連接段橫流超標，故應采取措施調(diào)順匯口流向并降低流速。根據(jù)大燕河來流趨勢，擬在大燕河口設置長約400 m的L形導流順壩和導流墩以調(diào)順大燕河水流(順壩和導流墩頂部高程均設為9 m)；另外擬通過擴大河口寬度、浚深河口降低入?yún)R段流速，具體優(yōu)化措施設置見圖9。

圖9 大燕河口處設置導流順壩、導流墩及河口拓寬浚深

采取上述工程措施后，航道連接段在各工況下流速大小及分布見表5、圖10。在大燕河流量Q≥1 510 m3/s時，水流漫過導流順壩及導流墩，大燕河水流在導流順壩和導流墩作用下流向改變，工況3中水流在導流作用下不再直沖航道連接段，河口拓寬浚深后流速降低，連接段縱、橫向流速顯著減小，最大橫向流速降至0.24 m/s，工況2和4中，縱、橫流較原始情況無明顯變化，流速值均在規(guī)范要求內(nèi)，連接段整體通航水流條件良好。

表5 采取工程措施后大燕河匯口處航道連接段流速值

圖10 采取工程措施后各計算工況下大燕河匯口處航道連接段流速分布(單位：m/s)

5 結(jié)論

1)對清遠樞紐上、下游局部河段及設計方案建立二維水流數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)三線船閘上引航道口門區(qū)斜流顯著，Q為5 000、9 259、13 224 m3/s時，橫流均超出安全限值，通航條件差；三線船閘下游段口門區(qū)通航水流條件良好，連接段中大燕河匯口處在樞紐下泄流量為9 259 m3/s、大燕河流量為1 510 m3/s時，橫流顯著，通航條件差。

2)針對三線船閘上游口門區(qū)橫流較大的問題，采取在口門區(qū)右側(cè)導流堤頭增設導流墩來改善橫流，通過比選導流墩優(yōu)化方案的改善效果，布置24個截面形狀為平行四邊形、間距為5 m的導流墩，可作為適宜的導流墩布置形式。

3)通過在大燕河口布置導流順壩、導流墩及拓寬浚深河口的措施，可調(diào)順河口水流、降低流速、改善橫流，使水流入?yún)R后下游船閘連接段水流條件符合規(guī)范要求。