李恒昌 段君邦 馮仲林 凡明杰 徐俊鋒

摘要：文章采用正態(tài)1∶100物理模型試驗(yàn)的研究手段，分析平陸運(yùn)河青年船閘工程設(shè)置隔離墩、隔流墻對(duì)通航水流條件的改善作用，從而優(yōu)化青年樞紐船閘布置方案。研究表明：受地形條件及船閘平面布置制約，船閘平面布置方案一在船閘上、下游最大通航流量為1 000 m3/s時(shí)，日徑流保證率為99.64%；基于平面布置方案一優(yōu)化后的方案二，上游最大通航流量也為1 000 m3/s，其下游最大通航流量則提高到1 200 m3/s，日徑流保證率升高至99.76%。

關(guān)鍵詞：平陸運(yùn)河；青年船閘；水流條件；試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U641.2 A 10 025 3

0 引言

平陸運(yùn)河連通西江水系和北部灣國(guó)際門(mén)戶港，是聯(lián)系西江經(jīng)濟(jì)帶和北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的新紐帶，運(yùn)河的建設(shè)對(duì)完善國(guó)家高等級(jí)航道網(wǎng)、促進(jìn)綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展、加快交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)，落實(shí)形成以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局具有重大意義。青年船閘工程為平陸運(yùn)河最后一座梯級(jí)，該河段河道狹窄彎曲，主河道寬度僅百余米，且兩岸低山、溝壑密布，地形復(fù)雜，水閘下游約20 km為出?？冢艹绷饔绊懘?。由于樞紐平面布置影響因素眾多，需充分論證通航水流條件的合理性［1-3］。根據(jù)《渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 182-1-2009）第5.1.9條規(guī)定：“Ⅰ～Ⅳ級(jí)航道上的渠化樞紐應(yīng)進(jìn)行樞紐總體布置水工模型試驗(yàn)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行泥沙模型試驗(yàn)和船舶模擬試驗(yàn)?！薄洞l總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ305-2001）第5.3.11條規(guī)定：“Ⅰ～Ⅳ級(jí)船閘和水流泥沙條件復(fù)雜的Ⅴ～Ⅶ級(jí)船閘的布置，宜通過(guò)泥沙、水流物理模型或數(shù)值模擬研究確定?！薄秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）第4.2.3條規(guī)定：“對(duì)重要的船閘和布置在水流泥沙條件復(fù)雜河段的船閘，應(yīng)通過(guò)模擬試驗(yàn)研究確定船閘工程的布置?！保?-5］平陸運(yùn)河屬于渠化樞紐工程，航道和通航建筑物等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求需開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，分析設(shè)置隔離墩、隔流墻對(duì)通航水流條件的改善作用，為工程建設(shè)提供技術(shù)支撐［6］。

1 概況

青年樞紐由雙線船閘、泄洪閘、電站、連接壩和魚(yú)道組成。雙線船閘布置在左側(cè)低山丘陵區(qū)域，由上、下閘首，閘室，上、下游引航道和上下游錨地等組成，船閘有效尺度為300 m×34 m×8 m（長(zhǎng)度×寬度×門(mén)檻水深）。雙線船閘采用共用引航道布置，船閘船舶進(jìn)、出閘采用曲線進(jìn)閘、直線出閘的過(guò)閘方式，上、下游引航道等寬。連接段航道沿左岸山體布置，下游引航道末端建有沿海鐵路橋。為改善上游引航道與泄洪閘分流口和下游引航道與泄洪閘下游匯流口通航水流條件，分別在上、下游右側(cè)制動(dòng)段外側(cè)設(shè)置隔流墩和隔流墻。

2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康摹⒛Ｐ头秶霸囼?yàn)場(chǎng)地條件，確定模型平面比尺1∶100，因船模試驗(yàn)需要，模型必須為正態(tài)［7］。

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 布置方案一

為改善上游引航道與泄洪閘分流口和下游引航道與泄洪閘閘下匯流口通航水流條件，分別在右側(cè)堤頭以上約120 m范圍內(nèi)布置3個(gè)導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為20 m、間距為20 m、頂高程為9.5 m。在下游布置隔流墻，長(zhǎng)117 m，采用透空形式。見(jiàn)圖1。

3.1.1 方案一上游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件

在船閘上游口門(mén)區(qū)右側(cè)堤頭以上120 m范圍內(nèi)布設(shè)導(dǎo)流墩后，導(dǎo)流墩掩護(hù)范圍內(nèi)水流流速較小，橫向流速不大。由圖2（a）可知，Q=1 000 m3/s時(shí)最大橫向流速出現(xiàn)位置在上提至堤頭以上120～160 m的航道右側(cè)邊緣，寬度約為12 m，最大橫向流速值為0.43 m/s，其他位置均＜0.3 m/s，通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。隨著上游來(lái)流量增加，船閘上游流速逐漸加大，如圖2（b）所示，Q=1 740 m3/s時(shí)，上游口門(mén)區(qū)附近最大橫向流速＞0.6 m/s，超過(guò)規(guī)范要求，通航水流條件變差。

3.1.2 方案一下游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件

船閘下游透空隔流墻挑流作用明顯，主流位于右岸側(cè)非通航區(qū)，加之透空隔流墻過(guò)流后，隔流墻內(nèi)外水位基本一致，口門(mén)區(qū)范圍內(nèi)存在三個(gè)小范圍回流區(qū)，回流強(qiáng)度＜0.4 m/s，下泄水流向口門(mén)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象明顯減弱，口門(mén)區(qū)內(nèi)橫向流速明顯減小。如圖3（a）所示，Q=1 000 m3/s時(shí)，下游口門(mén)區(qū)內(nèi)流速基本＜0.25 m/s，透空隔流墻附近局部區(qū)域最大橫向流速＜0.35 m/s，且超標(biāo)范圍很小，其他區(qū)域基本＜0.3 m/s，通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。隨著來(lái)流量增加，如圖3（b）所示，Q=1 740 m3/s時(shí)，通過(guò)透空隔流墻進(jìn)入口門(mén)區(qū)的水流明顯增加，隔流墻附近流速增加較大，最大橫向流速＞0.4 m/s，且范圍較大，通航水流條件變差。

試驗(yàn)表明，受地形條件及船閘平面布置制約，船閘平面布置方案一船閘上、下游最大安全通航流量為1 000 m3/s。

3.1.3 存在的問(wèn)題

（1）上游船閘口門(mén)區(qū)附近河道較窄，口門(mén)區(qū)航道與河道等寬，上游來(lái)流全部從口門(mén)區(qū)通過(guò)，在彎頂處匯出。方案一布置導(dǎo)流墩位置靠上游分流點(diǎn)太近，口門(mén)區(qū)水流與航道交角接近30°，導(dǎo)致流量較大時(shí)，口門(mén)區(qū)水流流速＞0.6 m/s，橫向流速分量大于0.3 m/s的限值。

（2）下游船閘口門(mén)區(qū)附近水面寬200 m左右，主流沿右岸側(cè)河道下泄。在1 000 m3/s以下流量時(shí)，水流向口門(mén)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯；在1 000 m3/s以上流量時(shí)，水流向口門(mén)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象明顯加劇。方案一布置隔流墻偏短，不足以掩護(hù)整個(gè)下游口門(mén)區(qū)連接段通航水域。

3.2 布置方案二

3.2.1 優(yōu)化措施

針對(duì)方案一存在的問(wèn)題，船閘平面布置方案二在方案一基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化：

（1）將船閘軸線以樞紐下游欽江雙線特大橋處彎曲段航道為支點(diǎn)，將雙線船閘軸線離河側(cè)擺動(dòng)1°（受兩岸地形限制擺動(dòng)幅度最大不允許超過(guò)1°），使更多的水流從原河道下泄。

（2）右汊天然河道在方案一基礎(chǔ)上開(kāi)挖，開(kāi)挖后河道底高程為0 m（增加原河道過(guò)流能力）。

（3）上游右側(cè)制動(dòng)段外側(cè)設(shè)置隔流墩，共布設(shè)隔流墩2個(gè)（減少導(dǎo)流墩個(gè)數(shù)，將匯流點(diǎn)向下游移動(dòng)），每個(gè)導(dǎo)流墩尺寸長(zhǎng)為24 m×高程9.5 m×寬2 m，間距為20 m，隔流墩伸出堤頭長(zhǎng)度為40 m，將下游隔流墻透空框孔降低（降低透水率，掩護(hù)口門(mén)區(qū)），頂高程為-2.7 m，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，總長(zhǎng)度為225 m（增加挑流長(zhǎng)度，掩護(hù)下游連接段通航水域）。

3.2.2 方案二上游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件

口門(mén)區(qū)右側(cè)堤頭減少導(dǎo)流墩后，導(dǎo)流墩掩護(hù)范圍內(nèi)水流流速明顯減小，橫向流速相應(yīng)減小。如圖4（a）所示，上游來(lái)流量Q=1 000 m3/s時(shí)，口門(mén)區(qū)連接段流速＜1.5 m/s，但船閘上游堤頭附近水流與航道交角較大，堤頭以上航道邊緣局部較小區(qū)域橫向流速＞0.3 m/s，最大橫向流速為0.35 m/s，口門(mén)區(qū)通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。

當(dāng)流量達(dá)到Q=1 200 m3/s時(shí)，口門(mén)區(qū)附近流速＜1.81 m/s，船閘上游堤頭附近水流與航道交角在30°左右，導(dǎo)致口門(mén)區(qū)堤頭附近航道橫向流速較大，最大橫向流速為0.52 m/s，橫向流速＞0.3 m/s的范圍約166 m長(zhǎng)、28 m寬，改善效果有限，見(jiàn)圖4（b）。

3.2.3 方案二下游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件

船閘下游降低透空孔高度后，透空作用明顯減弱，船閘下泄水流在隔流墻作用下，主流位于右岸側(cè)非通航區(qū)，加之隔流墻透空后，墻內(nèi)外水位差并不大。如圖5（a）所示，下游來(lái)流量Q=1 000 m3/s時(shí)，口門(mén)區(qū)連接段流速＜1.6 m/s，橫向流速＜0.3 m/s，口門(mén)區(qū)通航水流條件滿足規(guī)范要求。由圖5（b）可知，Q=1 200 m3/s時(shí)，口門(mén)區(qū)附近流速＜1.0 m/s，船閘下游隔流墻末端以下350 m附近水流與航道交角在30°左右，導(dǎo)致航道橫向流速稍大，但最大橫向流速≤0.35 m/s，口門(mén)區(qū)連接段通航水流條件基本滿足規(guī)范要求。隨著來(lái)流流量增加，船閘下游流速逐漸增大。Q=1 740 m3/s時(shí)，通過(guò)透空隔流墻進(jìn)入口門(mén)區(qū)的水流明顯增加，隔流墻下游彎道處流速增加較大，最大橫向流速＞0.35 m/s，左側(cè)航線內(nèi)流速＜2.0 m/s，且橫流基本＜0.3 m/s，滿足船舶單線通航，右側(cè)航線內(nèi)橫超標(biāo)區(qū)域較大，不滿足船舶航行要求，見(jiàn)圖5（c）。

受地形條件限制，優(yōu)化后的方案二，上游最大通航流量為1 000 m3/s，下游最大通航流量1 200 m3/s，日徑流保證率升高至99.76%。

4 結(jié)語(yǔ)

采用物理模型試驗(yàn)分析平陸運(yùn)河青年船閘工程設(shè)置隔離墩、隔流墻后對(duì)通航水流條件的改善作用，盡量合理提高青年樞紐在工程可行性研究階段確定的通航流量。通過(guò)測(cè)定樞紐不同下泄流量條件下，船閘上、下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段的流速分布與流態(tài)變化情況，依據(jù)船閘上、下游引航道通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果，采取工程措施方案盡可能改善了通航水流條件。研究結(jié)果顯示，平面布置方案一在船閘上、下游最大通航流量為1 000 m3/s時(shí)，日徑流保證率為99.64%，平均每年無(wú)法通航的天數(shù)＜1.5 d。受地形條件限制，基于平面布置方案一優(yōu)化后的方案二，上游最大通航流量也為1 000 m3/s，其下游最大通航流量則提高到1 200 m3/s，日徑流保證率升高至99.76%。

參考文獻(xiàn)

［1］曾 方.長(zhǎng)江東溪口航道整治船模通航試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2017（2）：71-76.

［2］陳野鷹，李興亮，劉志敏.庫(kù)區(qū)連續(xù)急彎段的通航水流條件研究［J］．水道港口，2016，37（5）：520-523.

［3］蔡 創(chuàng)，蔡新永.基于小尺度船模技術(shù)的小半徑回頭彎曲航道試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（12）：81-85.

［4］周楊艾竹.自航船模航行軌跡測(cè)量方法研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2018.

［5］劉曉平，鄭 斌，乾東岳，等.一種通航船模試驗(yàn)航行過(guò)程重現(xiàn)方法［P］.中國(guó)：CN201210533947.X，2013-03-20.

［6］徐俊鋒，張 明，于廣年.青年船閘通航水流條件及船模航行試驗(yàn)研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2023.

［7］GHAEMI R.OH S.SUM J.Path following of a model ship using Model Predictive Control with experi mental verification［C］.Proceedings of the 2010 American Control Conference，2010.

［8］SHEN Haiqing，HASHIMOTO H.MATSUDA A，et al.Automatic collision avoidance of multiple ships based on deep Q-learning［J］.Applied Ocean Research，2019（86）：268-288.

收稿日期：2023-10-08