于廣年，趙家強

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，水運這種綠色、環(huán)保的交通運輸方式也越來越受到重視，許多原來不通航的河流開始逐漸恢復(fù)通航，已建樞紐增建過船設(shè)施的情況大量出現(xiàn)，但過船設(shè)施的布置往往受原有建筑物及河道地形條件等諸多因素制約，導(dǎo)致新建過船設(shè)施通航條件復(fù)雜，而船閘引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件的好壞直接關(guān)系到船舶進出船閘的安全[1-5]。

七星墩樞紐位于廣東省乳源瑤族自治縣境內(nèi)武水干流，現(xiàn)階段未設(shè)置過船設(shè)施，隨著北江航道擴能升級上延(武江長來—桂頭段)工程的開展，七星墩樞紐需增建1 000噸級船閘。由于七星墩樞紐上游400 m存在江心洲將河道分為左右兩汊，新建船閘平面布置受原有建筑物及河道條件制約[6]，上游引航道口門區(qū)及連接段布置困難，通航水流條件較難滿足規(guī)范要求，筆者通過整體水工物理模型+自航船模試驗，研究了七星墩樞紐新建船閘上游引航道口門區(qū)及連接段平面布置方案。

1 工程概況

1.1 河道概況

武江主流在廣東境內(nèi)比降較陡(平均比降為1.27‰)、流速大、洪水傳播時間快，流域地勢高峻、植被較好、河流含沙量較少，是彎曲型的山區(qū)河流。樂昌峽河段位于武江中游坪石鎮(zhèn)與樂昌之間。峽谷段自羅家渡至張灘，全長41 km，天然落差54 m，平均坡降為1.31‰。樂昌峽河段屬V形峽谷河段，河道曲折，河面狹窄，兩岸溝壑縱橫，且河道切割較深，灘多水急有“九瀧十八灘”之稱。樂昌—韶關(guān)河段較平緩、開闊，比降0.59‰。武江上游徑流受降水影響，具有明顯的夏雨型特征[7]。

1.2 樞紐概況

七星墩水電站是韶關(guān)市武水梯級規(guī)劃的6個梯級中的第5級，樞紐是以發(fā)電為主、兼顧航運的綜合利用水電工程，水庫正常蓄水位75.82 m，相應(yīng)庫容830 萬m3，校核洪水位77.04 m，總庫容1 320萬m3，電站為低水頭徑流式電站，不承擔(dān)防洪任務(wù)，未設(shè)防洪庫容，七星墩樞紐電站現(xiàn)狀擋水建筑物由左岸土壩、右岸土壩、混凝土連接段、泄水閘、發(fā)電廠房等組成，見圖1。壩頂高程為79.12 m。

圖1 七星墩樞紐布置

2 模型設(shè)計及驗證

樞紐所在位置河道微彎，上游為分汊河段，樞紐下游300 m右岸為銀溪水電站，根據(jù)河床形態(tài)、地形特點，同時為保證模型的幾何相似和水流運動相似，采用整體定床正態(tài)模型，選用1:100 的模型比尺，按重力相似準(zhǔn)則進行模型設(shè)計。模型模擬范圍上游在江心洲分汊河段以上，下游至樞紐下游約4.2 km彎道以下。

根據(jù)實測資料，模型進行了133、396、956 m3/s共3個流量級的水位及斷面流速驗證。驗證結(jié)果表明，沿程測點的模型水位與天然水位差均在0.1 m以內(nèi)(表1)，各測流斷面流速分布與原型基本一致，流量偏差在5%以內(nèi)(圖2)，驗證結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 沿程水位模型與實測偏差值

圖2 上游江心洲流速分布驗證

3 方案1

3.1 設(shè)計方案1試驗

設(shè)計方案1新建船閘布置于左岸階地，上游引航道直線段長306 m、底寬55 m、口門區(qū)寬72 m。樞紐上游江心洲將河道分為兩汊，主航道由左汊與船閘引航道相接。引航道口門段與主航道通過彎道銜接，彎曲半徑330 m、轉(zhuǎn)角14°，見圖3。

圖3 設(shè)計方案1船閘上游工程布置

試驗對上游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件進行研究，試驗工況分別選取277 m3/s(電站滿發(fā))、800 m3/s(電站、泄洪閘聯(lián)合調(diào)度)及1 200 m3/s(工程河段通航限制流量)。試驗結(jié)果表明：1)當(dāng)Q≤277 m3/s時，庫區(qū)內(nèi)基本為靜水狀態(tài)，口門區(qū)及連接段航道流速在0.35 m/s以下，橫流強度基本小于0.1 m/s，通航水流條件優(yōu)良，隨著上游來流量的增加，庫區(qū)內(nèi)流速逐漸加大。2)Q=1 200 m3/s時(圖4)，口門區(qū)段航道流速在0.9～1.2 m/s，受左汊水流向泄水閘匯入影響，口門區(qū)附近水流與航道存在約28°的交角，導(dǎo)致口門區(qū)航道右側(cè)邊緣最大橫向流速分量為0.42 m/s，其他位置基本小于0.3 m/s；連接段航道，江心洲上游分汊口附近，由于左側(cè)河岸凸出，對水流產(chǎn)生一定擠壓，加之該段航道布置較為彎曲，水流與航線夾角在33°左右，導(dǎo)致彎道段約170 m范圍內(nèi)橫向流速較大，局部橫向流速分量達到0.7 m/s，水流條件較差，船模試驗表明，該流量級上、下行船舶均無法安全通過該區(qū)域。

圖4 設(shè)計方案1橫向流速分布

從水流條件試驗及船模試驗均可看出，設(shè)計方案1存在以下問題：1)口門區(qū)航道右側(cè)橫向流速略有超標(biāo)，船舶經(jīng)過該區(qū)域時漂角較大；2)連接段末端航道水流與航道交角較大，導(dǎo)致橫向流速過大，加之航道轉(zhuǎn)彎半徑較小，船舶操縱困難，上、下行船舶無法安全通過。

3.2 修改方案1試驗

針對設(shè)計方案1存在的問題進行修改：1)修整上游江心洲，特別是江心洲洲尾左緣；2)江心洲上游左岸切灘，并根據(jù)水流方向調(diào)整航線。

樞紐上游江心洲修整，特別是江心洲洲尾左緣開挖后，各級流量下船閘上引航道口門區(qū)附近流速均有所減小，Q=1 200 m3/s時(圖5)，上游口門區(qū)流速由0.9～1.2 m/s減小至0.6～0.9 m/s，口門區(qū)最大橫向流速分量0.34 m/s，出現(xiàn)在口門區(qū)航道右側(cè)邊緣，其他位置均小于0.30 m/s；江心洲上游分汊口附近，切灘及航線調(diào)整后，最大橫向流速分量由原來的0.70 m/s減小至0.38 m/s，通航水流條件明顯改善。船模試驗表明，船舶進出船閘上游口門區(qū)及通過江心洲上游分汊口河段均比較順利，最大舵角18.4°，最大漂角-8.7°。

4 方案2

4.1 設(shè)計方案2試驗

為減少征地，方案2船閘上游引航道盡量靠近泄洪閘布置，挖除上游江心洲，船閘上游口門區(qū)及連接段布置在原江心洲位置，利用疏浚土回填左岸側(cè)邊灘，見圖6。

圖6 設(shè)計方案2船閘上游工程布置

該平面布置方案，船閘上游口門區(qū)距離泄洪閘較近，受泄洪閘泄流影響，樞紐上游左岸側(cè)水流以較大角度斜穿口門區(qū)向泄洪閘收縮，口門區(qū)水流與航線交角在30°左右，Q=1 200 m3/s時(圖7)，口門區(qū)堤頭以上20～80 m航中線右側(cè)區(qū)域最大橫向流速分量超過0.5 m/s(流速0.7～0.9 m/s)，通航水流條件較差。分析其原因，上游江心洲開挖后，樞紐上游整體河勢呈反“S”形，雖然左岸側(cè)進行了回填，但由于船閘上游口門區(qū)及連接段距離左岸側(cè)較遠，航道左側(cè)水流仍在口門區(qū)堤頭0～50 m位置集中斜穿口門區(qū)，導(dǎo)致新建船閘上游口門區(qū)局部橫向流速過大，通航水流條件較差。

圖7 設(shè)計方案2橫向流速分布

4.2 改善上游口門區(qū)通航水流條件試驗

針對設(shè)計方案2存在的問題，進行改善上游口門區(qū)通航水流條件的試驗。

1)F2-1。①引航道堤頭上游約400 m左岸側(cè)布置1條丁壩，壩長55 m；②口門區(qū)左側(cè)布置2個導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長度20 m、間距8 m。

2)F2-2。①上游左岸側(cè)邊灘不回填；②引航道堤頭上游約320 m左岸側(cè)布置1條正挑丁壩，壩長118 m，堤頭距航道44 m；③口門區(qū)左側(cè)布置2個導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長度20 m、間距8 m。

圖8為1 200 m3/s兩方案船閘上引航道口門區(qū)橫向流速分布。從圖8可以看出，左岸側(cè)增加丁壩后，左岸側(cè)水流在丁壩挑流作用下開始向航道內(nèi)擴散，加之口門區(qū)右岸側(cè)導(dǎo)流墩作用，水流不再集中斜穿口門區(qū)，口門區(qū)局部橫向流速過大問題得到解決；兩方案相比較，F(xiàn)2-2左岸側(cè)不回填，同流量級上游庫區(qū)內(nèi)流速更小，相應(yīng)橫向流速分量小于F2-1，整治效果更優(yōu)，口門區(qū)及連接段最大橫向流速分量小于0.3 m/s，船?？身樌M出口門區(qū)及連接段。

圖8 橫向流速分布

通過改善試驗可以看出，當(dāng)船閘布置離岸較遠、水流集中斜穿口門區(qū)時，利用丁壩挑流提前分散水流，對改善口門區(qū)通航水流條件效果明顯。

5 結(jié)論

1)七星墩樞紐位于分汊河段下游約400 m，擬建船閘位于左岸側(cè)凸岸邊灘，受現(xiàn)有樞紐布置及上游江心洲影響，船閘上游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件較差。

2)方案1通過擴大口門區(qū)附近過流面積(開挖江心洲洲尾左緣)、切灘及根據(jù)水流走向調(diào)整航線等措施，有效改善了通航水流條件，但上引航道征地較多。

3)方案2挖除上游江心洲、船閘上引航道靠近泄洪閘布置，征地較少，通過增加丁壩挑流及導(dǎo)流墩等工程措施有效解決了水流集中斜穿口門區(qū)導(dǎo)致橫向流速過大問題，各級通航流量下船閘上游口門區(qū)及連接段水力指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4)當(dāng)船閘布置離岸較遠、水流集中斜穿口門區(qū)時，在上游布置丁壩挑流提前分散水流，對改善船閘上游口門區(qū)通航水流條件效果顯著。