張威 孫曙光 安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司

引江濟(jì)淮工程集供水、航運(yùn)、生態(tài)等巨大效益為一體，是當(dāng)今標(biāo)志性的重大調(diào)水工程和當(dāng)代綜合性的水資源配置工程?2014年被列入國務(wù)院要求加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程，是交通運(yùn)輸部“十三五”重點(diǎn)水運(yùn)項(xiàng)目之一，工程估算總投資900多億元?工程引江流量300m3/s，輸水干線長(zhǎng)723km，自南向北劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落，共設(shè)八大節(jié)制樞紐?工程形成航道354.9km，新建7 座船閘，改建、重建跨河建筑物?廬江樞紐（見圖1、圖2）是八大節(jié)制樞紐之一，位于引江濟(jì)巢段菜子湖線路上，所在地位于合肥市廬江縣，主要有船閘和節(jié)制閘組成，等級(jí)為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)船舶噸級(jí)為1000噸級(jí)，兼顧2000噸級(jí)船舶，其閘室有效尺度為240×23×5.2m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），配備閘上、閘下待閘錨地?

圖1 廬江樞紐在引江濟(jì)淮工程中的位置

圖2 廬江樞紐效果圖

1.高邊坡錨地常規(guī)設(shè)計(jì)后存在視線問題

1.1 錨地概況

廬江閘下錨地工程處于巢湖支流白石天河和長(zhǎng)江支流菜子湖之間的分水嶺處，現(xiàn)狀沒有河道，錨地和航道均為旱地開挖，利用開挖港池建設(shè)停泊區(qū)，順岸式布置?錨地共布置10個(gè)錨位，錨泊位順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)400 m，靠船結(jié)構(gòu)采用高樁靠船墩型式，靠船墩共16座，順前沿線間隔布置，墩中心距25m，墩間設(shè)置16.5×2.5m人行鋼引橋，靠船墩通過2座28.5×2.5m鋼引橋連接到后方堤頂?shù)缆?

1.2 存在視線問題及解決辦法

參考《河港總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 166-2020）》4.2.2條，順岸式碼頭端部泊位的水域底邊線與碼頭前沿線的夾角宜為30°～45°?

原設(shè)計(jì)方案中，錨地北側(cè)水域底邊線與航道夾角取36°，滿足30°～45°要求?錨地上下游河道基本順直，河道堤距約240米，堤頂高程20.54米，航道底標(biāo)高3.41米，高差約17米?施工過程中，經(jīng)過實(shí)地踏勘，由于高程堤頂和航道底部高程差特別大，開挖后特別是錨地北側(cè)錨位對(duì)船閘側(cè)主航道視野較差，錨地出港船舶與對(duì)象船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較大，見圖3?雖然錨地北側(cè)水域底邊線與航道交角36°滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是由于高邊坡的存在，錨地出港船舶航行視線較差?

圖3 原設(shè)計(jì)方案施工過程中錨地出港船舶視野實(shí)景

1.3 解決思路

考慮對(duì)錨地北側(cè)岸坡拐角處進(jìn)行切角優(yōu)化，減小交角至29°，同時(shí)將直線折角優(yōu)化成圓弧狀?詳見圖4，錨地北側(cè)紅色線條為原設(shè)計(jì)方案過渡線，藍(lán)色線條為優(yōu)化方案過渡線?然后進(jìn)行船舶操縱模擬實(shí)驗(yàn)[1]，比較優(yōu)化方案前后效果?

圖4 方案優(yōu)化前后錨地水域底邊線與航道交角比較示意圖

2.船舶操縱模擬試驗(yàn)

本次船舶操縱模擬實(shí)驗(yàn)采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱模擬器相結(jié)合的方法[2]，研究不同工況下廬江船閘待閘錨地的通航水流條件及船舶航行條件情況?

2.1 二維水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究目的和要求，以設(shè)計(jì)單位提供的研究河段平面布置圖和橫斷面圖為基礎(chǔ)，搭建了研究河段的二維水流數(shù)學(xué)模型?模型全長(zhǎng)2.76km，采用貼體正交曲線網(wǎng)格進(jìn)行剖分，最小空間步長(zhǎng)0.5m，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)11827個(gè)，三角單元34846個(gè)?

陸地采用干濕法作動(dòng)邊界處理，當(dāng)水深減小至小于0.05m時(shí)定義為干邊界，作陸域處理，當(dāng)水深增大至0.1m時(shí)定義為水域?根據(jù)引江濟(jì)淮工程類似數(shù)學(xué)模型計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，和渠道類型及以往類似模型的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算模型綜合糙率系數(shù)取0.025?

工程河段屬于引江濟(jì)巢河段，調(diào)水方向由長(zhǎng)江至巢湖，泄洪方向由巢湖至長(zhǎng)江?世紀(jì)大橋南側(cè)77.1km處有樅陽樞紐，北側(cè)2.7km處有廬江樞紐，來流情況將受上下游樞紐調(diào)度影響?根據(jù)設(shè)計(jì)單位的技術(shù)要求，綜合考慮調(diào)水和樞紐泄洪方案，針對(duì)世紀(jì)大道橋河段設(shè)置以下四種計(jì)算工況，見表1?

表1 水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算的4種工況

將原方案和優(yōu)化方案的水動(dòng)力模擬流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下：

①原方案：20年一遇洪水流量情況下橋區(qū)及錨地水域的最大流速為0.12m/s，

設(shè)計(jì)輸水情況下，航道最大流速為0.72m/s，流向基本與航道走向平行?

②優(yōu)化方案：優(yōu)化方案相比設(shè)計(jì)方案，方案優(yōu)化前后水位、流速、橫流基本無變化，僅方案調(diào)整水域局部流速略有減小，變幅不超過0.02m/s，流向更偏向于航中線，最大偏角0.4°?

經(jīng)過數(shù)值模擬可見，設(shè)計(jì)輸水工況下水流流速較大，20一遇洪水流量工況下水流流速較?。ㄒ蝈^地處于分水嶺地帶），原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案在各種工況下，水動(dòng)力條件變化很小，幾乎可忽略不計(jì)?見圖5、圖6?

圖5 20年一遇洪水位工況下水流流場(chǎng)對(duì)比圖（左圖為原方案流場(chǎng)，右圖為優(yōu)化方案流場(chǎng)）

圖6 設(shè)計(jì)輸水工況下水流流場(chǎng)對(duì)比圖（左圖為原方案流場(chǎng)，右圖為優(yōu)化方案流場(chǎng)）

2.2 船舶操縱模擬試驗(yàn)

①原設(shè)計(jì)方案：?jiǎn)尉€試驗(yàn)中（即只有船舶從錨地啟航，對(duì)向無船舶經(jīng)過），在設(shè)計(jì)最低通航水位、設(shè)計(jì)輸水流量情況下，航道及錨地可通航寬度較小，在起錨進(jìn)航道過程中存在駛?cè)胂滦泻铰返娘L(fēng)險(xiǎn)，其它工況滿足通航要求；②雙線試驗(yàn)中（即船舶從錨地啟航，對(duì)向也有船舶經(jīng)過），錨地方案基本可以滿足1000貨船+1000貨船雙向航行的要求，2000貨船+2000貨船、1000貨船+1頂2船隊(duì)、2000貨船+1頂2船隊(duì)雙向模擬試驗(yàn)中，在最低通航水位下存觸碰右側(cè)邊坡的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)輸水流量下，受航道尺度、水流、視線等多因素的影響，上行船舶操縱不當(dāng)時(shí)易與下行船舶（隊(duì)）發(fā)生碰撞?見圖7、8、9、10?

②優(yōu)化方案：?jiǎn)尉€試驗(yàn)中，各級(jí)流量情況下船舶均可安全通過，除設(shè)計(jì)輸水流量下可能占用部分下行航道外，其它工況下均滿足通航要求，相比設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案中船舶從錨地駛?cè)牒降肋^程更為平順，且通視效果得到較大改善；雙線試驗(yàn)中，現(xiàn)有方案基本可以滿足1000貨船+1000貨船、2000貨船+2000貨船雙向航行的要求，1000貨船+1頂2船隊(duì)、2000貨船+1頂2船隊(duì)雙向模擬試驗(yàn)中，除最低通航水位、設(shè)計(jì)輸水流量條件下下行船隊(duì)存在擦碰岸線的風(fēng)險(xiǎn)外，其它工況下可以滿足通航要求；優(yōu)化方案相比設(shè)計(jì)方案，起錨上行船舶操縱風(fēng)險(xiǎn)及所占水域均比設(shè)計(jì)方案低，便于與對(duì)駛船舶的協(xié)調(diào)避讓，在一定程度上降低了交匯的風(fēng)險(xiǎn)?見圖7、8、9、10?

圖7 原方案（左圖）與優(yōu)化方案（右圖）單線試驗(yàn)最低通航水位1000噸級(jí)船舶起錨視景對(duì)比圖

圖8 原方案（左圖）與優(yōu)化方案（右圖）單線試驗(yàn)設(shè)計(jì)輸水流量1000噸級(jí)船舶起錨視景對(duì)比圖

圖9 原方案（左圖）與優(yōu)化方案（右圖）雙線試驗(yàn)設(shè)計(jì)輸水流量2000噸貨船+2000噸級(jí)貨船雙向漂距變化曲線圖

圖10 雙線試驗(yàn)中設(shè)計(jì)輸水流量時(shí)2000 貨船+1頂2船隊(duì)雙向漂距變化曲線圖（原方案與優(yōu)化后方案對(duì)比）

3.結(jié)語

通過廬江閘下錨地工程案例分析可知，高邊坡錨地設(shè)計(jì)時(shí)如果僅參照《河港總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 166-2020）》4.2.2條“順岸式碼頭端部泊位的水域底邊線與碼頭前沿線的夾角宜為30°～45°”進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么由于高邊坡的存在，船舶起錨出港視線較差?當(dāng)對(duì)向同時(shí)有船舶駛來時(shí)，可能會(huì)存在船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)?此時(shí)，可以通過對(duì)遠(yuǎn)端高邊坡進(jìn)行切角優(yōu)化或直接加大端部泊位的水域底邊線與碼頭前沿線的夾角等措施改善船舶起錨視線，降低船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)?船舶操縱模擬實(shí)驗(yàn)可以較為直觀地反應(yīng)船舶起錨航行各種工況下的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)大小，從而為工程優(yōu)化措施的程度提供具體的科學(xué)依據(jù)?