覃曉鳳 張倩 趙紅芳

摘要：企石樞紐是平陸運(yùn)河規(guī)劃三個(gè)梯級(jí)中的第二個(gè)梯級(jí)，是以航運(yùn)為主兼顧防洪等綜合利用工程。文章采用物理模型試驗(yàn)的方法，對(duì)樞紐泄洪消能和通航水流條件開(kāi)展研究，驗(yàn)證樞紐整體布置方案的合理性。同時(shí)，研究得到了泄水閘、中間渠道、溢流堰泄洪消能主要水力參數(shù)，明確了大塘河支流和高湖河支流影響下的樞紐通航水流條件，可供類似工程參考應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：平陸運(yùn)河；企石樞紐；泄洪消能；通航水流條件

中圖分類號(hào)：U612.23 A 13 036 5

0 引言

平陸運(yùn)河是西部陸海新通道的重要組成，也是珠西流域連接北部灣港的億噸級(jí)水運(yùn)交通大動(dòng)脈。平陸運(yùn)河航道通航技術(shù)等級(jí)規(guī)劃為內(nèi)河Ⅰ級(jí)，工程任務(wù)以發(fā)展航運(yùn)為主，結(jié)合供水、灌溉、防洪、改善水生態(tài)環(huán)境等。

企石樞紐是平陸運(yùn)河規(guī)劃三個(gè)梯級(jí)中的第二個(gè)梯級(jí)，以航運(yùn)為主，兼顧防洪等綜合利用工程。通航樞紐工程重點(diǎn)關(guān)注泄洪消能和通航水流條件兩大問(wèn)題，特別是對(duì)于支流匯入等不利條件下的水流條件評(píng)估是有必要的。

研究表明，支流匯入角和匯入比對(duì)于水流條件起到控制作用，可采用導(dǎo)流筑堤和疏浚引流的整治措施改善水流條件［1］。企石樞紐上游作為典型的寬淺型河道，業(yè)界對(duì)于泄流能力優(yōu)化已有較為深刻的認(rèn)識(shí)，當(dāng)泄水建筑物的總寬度相對(duì)于河道寬度較小時(shí)，可以考慮在泄水建筑物的兩側(cè)修建圓弧型導(dǎo)墻，以更好地銜接水流［2］，且寬淺型水庫(kù)水位差異可對(duì)泄流能力產(chǎn)生明顯的影響［3］。低水頭閘壩工程與上游河床高差和淹沒(méi)度影響顯示，降低上下游床面高程、調(diào)整壩軸線使其與河勢(shì)走向垂直、航電分岸運(yùn)行等是增加低閘樞紐泄流能力的有效措施［4］。廣西那吉航運(yùn)樞紐船閘不同位置泄流能力試驗(yàn)表明，綜合流量系數(shù)與樞紐整體布置、流量系數(shù)與閘孔全開(kāi)數(shù)量有關(guān)，且隨開(kāi)孔的減小而增大［5］。萬(wàn)小明等［6］基于峽江水利樞紐過(guò)流能力問(wèn)題，認(rèn)為閘墩墩頭形狀及泄水閘與廠房間導(dǎo)墻嚴(yán)重影響泄水建筑物過(guò)流能力，應(yīng)盡量減少導(dǎo)墻的高度與長(zhǎng)度，墩頭應(yīng)設(shè)計(jì)成流線型。

本文采用物理模型試驗(yàn)的方法，就企石樞紐設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了泄洪消能和通航水流條件試驗(yàn)，針對(duì)支流匯入影響下的通航水流條件進(jìn)行了重點(diǎn)分析，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

1.1 樞紐總體布置

企石樞紐位于陸屋鎮(zhèn)上游5.5 km處，采用集中布置方案，樞紐效果圖見(jiàn)圖1。樞紐由雙線船閘、泄洪閘、放水底孔、連接土壩和副壩組成；雙線船閘上閘首為樞紐擋水線的組成部分，樞紐壩軸線長(zhǎng)約930.9 m，樞紐壩頂高程為39.5 m。左岸連接壩長(zhǎng)210 m；5×8 m孔泄洪閘，長(zhǎng)57 m；雙線船閘及兩側(cè)省水池長(zhǎng)314.7 m；船閘右岸連接壩長(zhǎng)179 m；副壩長(zhǎng)170 m。企石樞紐為一等工程，主要建筑物按2級(jí)設(shè)計(jì)，其他次要建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)。樞紐校核洪水重現(xiàn)期采用2000年一遇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期采用100年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

企石樞紐雙線船閘布置在舊州江裁彎取直段，上游引航道位于河道右岸，主體結(jié)構(gòu)及下游引航道位于河道左岸，上閘首為樞紐擋水建筑物組成部分。雙線船閘由上、下閘首及閘室，上、下游引航道，上、下游待閘錨地組成，船閘有效尺度為300 m×34 m×8 m（長(zhǎng)度×寬度×門檻水深），船舶進(jìn)、出閘采用曲線進(jìn)閘、直線出閘的過(guò)閘方式。上、下游主導(dǎo)航墻均采用具備導(dǎo)航和調(diào)順功能的曲線導(dǎo)航墻，導(dǎo)航墻的型式為半徑300 m、圓心角9.46°的圓弧接y=x/6的直線，調(diào)順段長(zhǎng)度為202 m。船閘停泊段長(zhǎng)325 m，船閘直線段總長(zhǎng)為1 454 m。上、下游船閘引航道與泄洪閘引水渠間分別設(shè)置125 m及160 m隔流堤作為制動(dòng)段，減少泄洪閘運(yùn)行對(duì)船舶航行的影響。雙線船閘采用共用引航道布置，上、下游引航道寬度均為167 m，均通過(guò)一段轉(zhuǎn)彎半徑為1 000 m的圓弧與主航道銜接，轉(zhuǎn)彎角度分別為27°和3°。樞紐整體布置見(jiàn)圖2。

泄洪建筑物位于船閘左側(cè)中位省水池的左側(cè)，其中心線距中位省水池左邊線32.5 m。泄洪建筑物由進(jìn)水渠、泄水閘、明渠、溢流堰、出水渠組成，引水渠底高程由26.50 m降至25.50 m。泄水閘位于壩軸線上，采用開(kāi)敞式平底閘，閘室沿壩軸線長(zhǎng)57 m，順流向長(zhǎng)度35 m，堰頂高程25.5 m。閘頂高程39.5 m，設(shè)5孔，單孔凈寬8 m，泄水閘剖面圖見(jiàn)圖3。其后接明渠，明渠總長(zhǎng)775 m，渠底寬54 m，明渠前部為長(zhǎng)44.5 m、深2.5 m的消力池，長(zhǎng)30 m的混凝土護(hù)坦以及長(zhǎng)105 m的柔性海漫，柔性海漫上游高程24.0 m，漸變至下游高程為19.0 m。明渠末端設(shè)溢流堰，堰頂高程25.5 m，以涌高明渠水深，減小流速，防止中間渠道沖刷。溢流堰長(zhǎng)40 m、凈寬54 m，后接長(zhǎng)41.0 m、深0.5 m的下挖式消力池，其后接長(zhǎng)50 m的混凝土護(hù)坦，在出水渠底高程為0.50 m，與船閘下游引航道銜接。

平陸運(yùn)河設(shè)計(jì)代表船型為5 000噸級(jí)船舶，代表性船舶尺度：90 m×15.8 m×5 m（長(zhǎng)×寬×吃水深）。

1.2 樞紐特點(diǎn)

企石樞紐上游錨地距離泄水閘約2.5 km，錨地右側(cè)受大塘河支流的匯流影響，樞紐5年一遇工況對(duì)應(yīng)大塘河支流20年一遇工況，支流流量約占總流量的1/3，錨地通航水流條件較為復(fù)雜。樞紐下游高湖河支流與運(yùn)河河道匯口位于下游口門區(qū)，直接影響到口門區(qū)通航水流條件；樞紐5年一遇工況疊加高湖河支流20年一遇工況，支流流量約占總流量的1/5，因此，高湖河來(lái)流的消能布置是影響口門區(qū)水流條件的關(guān)鍵。正常蓄水位樞紐上游水深9 m，水深相對(duì)較淺，上游口門區(qū)及連接段位于彎道由窄變寬區(qū)域，水流條件較為復(fù)雜。

2 模型布置與試驗(yàn)工況

2.1 模型布置

模擬范圍為上游至壩址以上約2.8 km，下游至壩址以下3.0 km。由于上游大塘河支流流量較大會(huì)影響錨地，下游高湖河支流匯入口門區(qū)消能問(wèn)題突出，需在整體模型中進(jìn)行精細(xì)化模擬（見(jiàn)下頁(yè)圖4），因此整體模型包括樞紐上下游河道、樞紐建筑物、上下游引航道及連接段，以及大塘河支流和高湖河支流（見(jiàn)下頁(yè)圖5）。模型基于弗勞德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，比尺為1∶80，包括水泵、進(jìn)水系統(tǒng)、模型試驗(yàn)段和回流系統(tǒng)等。樞紐及船閘模型采用塑料板制作，上游水庫(kù)和下游河道模擬采用水泥砂漿抹面。

試驗(yàn)觀測(cè)采用南京水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的水力學(xué)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)跟蹤式水位計(jì)、波高儀等構(gòu)成，可對(duì)水位、波高等水力要素進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤采集并解算處理。流速采用DPJ旋槳流速儀及ADV三維多普勒流速儀觀測(cè)。船模測(cè)試系統(tǒng)由激光發(fā)射、接收裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量船模航行的航跡線、漂角、航速和操舵過(guò)程等，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取所需的船模航行參數(shù)。流量采用標(biāo)準(zhǔn)量水堰測(cè)控，誤差范圍≤1%。水位采用高精度無(wú)線數(shù)傳自動(dòng)跟蹤水位計(jì)及測(cè)針進(jìn)行測(cè)量，精度為0.02 mm。

2.2 試驗(yàn)工況

企石樞紐整體物理模型泄水閘試驗(yàn)工況為P=1%（設(shè)計(jì)洪水位）、P=0.05%（校核洪水），船閘通航水流條件及自航船模試驗(yàn)工況為P=5%、P=10%、P=20%，如表1所示。大塘河支流口20年一遇流量為141.2 m3/s，對(duì)應(yīng)下游航道水位（5年一遇）為35.06 m；高湖河支流口20年一遇流量為158 m3/s，對(duì)應(yīng)下游航道水位（5年一遇）為15.86 m。

3 樞紐水力學(xué)試驗(yàn)成果

模型實(shí)測(cè)泄流能力試驗(yàn)成果列于表2。閘門開(kāi)度采用的是5孔均開(kāi)方案，由試驗(yàn)結(jié)果可知，2000年一遇（洪時(shí)頻率為0.05%）、泄洪流量為2 370 m3/s的試驗(yàn)工況，模型實(shí)測(cè)上游水位為36.52 m；各試驗(yàn)工況下，溢流堰流量系數(shù)介于0.45～0.48，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 樞紐河道流態(tài)與流速分布

2000年一遇工況下，上下游河道流態(tài)整體平順，上下游錨地處的水流流態(tài)如圖6所示；由于洪水期錨地主要用于安全系泊船只，因此對(duì)于洪水期錨地水流流速的評(píng)估是重要的。觀測(cè)顯示，上游錨地處最大流速為1.96 m/s，靠船墩處存在局部回流，最大回流流速＜0.20 m/s；泄水閘上游渠道進(jìn)口處的平均流速約為1.3 m/s。下游錨地為回流區(qū)，錨地處最大流速為0.85 m/s，最大回流流速為0.28 m/s；泄水閘下游渠道出口處的平均流速約為1.7 m/s。因此，2000年一遇工況下，上下游錨地流速分布滿足船舶停泊要求。

2000年一遇試驗(yàn)、閘門全開(kāi)泄洪工況下，上游渠道內(nèi)流速分布較為均勻，上游渠道實(shí)測(cè)最大流速為3.64 m/s，水閘進(jìn)口受邊界收縮影響，流速增大，最大流速5.56 m/s，水流出閘最大流速為10.88 m/s，消力池尾坎最大流速為6.68 m/s；下游中間渠道存在明顯的偏流，主流偏向擋水墻側(cè)。從縱向流速分布可見(jiàn)，水流在下游護(hù)坦中部起沿水深一直呈底部小、表層大的分布態(tài)勢(shì)，表明消力池消能效果較好。中間渠道底部最大流速為3.99 m/s，中間渠道設(shè)計(jì)防沖流速為2.3 m/s，偏小。

100年一遇閘門局開(kāi)試驗(yàn)工況下，上游渠道內(nèi)流速分布較為均勻，上游渠道實(shí)測(cè)最大流速為2.45 m/s，進(jìn)、出閘平均流速分別為3.33 m/s、11.28 m/s，出閘最大流速為11.68 m/s，消力池尾坎最大流速為5.31 m/s；下游中間渠道仍存在明顯的偏流，主流偏向擋水墻側(cè)，渠道內(nèi)實(shí)測(cè)最大流速為3.34 m/s。水流在下游護(hù)坦中部起沿水深呈底部小、表層大的分布態(tài)勢(shì)，表明消力池消能效果較好。實(shí)測(cè)中間渠道底部最大流速為2.02 m/s。

3.3 樞紐中間渠道水面線

水面線是評(píng)估中間渠道邊墻高度的重要指標(biāo)，中間渠道兩側(cè)邊墻的高度擬定為34 m，進(jìn)行了不同工況的水面線觀測(cè)，如表3所示。各試驗(yàn)工況下，水流流態(tài)平穩(wěn)，下游水面銜接平順。2000年一遇試驗(yàn)工況下，下游中間渠道內(nèi)平均水位為33.33 m，平均水深為14.33 m；100年一遇試驗(yàn)工況下，下游中間渠道內(nèi)平均水位為31.30 m，平均水深為12.30 m；20年一遇試驗(yàn)工況下，下游中間渠道內(nèi)平均水位為30.02 m，平均水深為11.03 m；10年一遇試驗(yàn)工況下，下游中間渠道內(nèi)平均水位為29.37 m，平均水深為10.37 m；5年一遇試驗(yàn)工況下，下游中間渠道內(nèi)平均水位為28.53 m，平均水深為9.53 m。

3.4 樞紐通航水流條件

企石樞紐通航水流條件主要關(guān)注上下游錨地及口門區(qū)，特別是5年一遇工況大塘河支流影響下的上游錨地和高湖河支流影響下的下游口門區(qū)。

五年一遇工況下（Q=503 m3/s，包括大塘河來(lái)流141.2 m3/s），上游錨地處流速分布見(jiàn)圖7所示。由圖可知，上游錨地處基本無(wú)回流，錨地內(nèi)最大流速為0.40 m/s，最大橫向流速為0.08 m/s；錨地處航道受大塘河來(lái)流影響，航道有一定程度的橫流和回流，最大橫向流速為0.15 m/s，平均橫向流速為0.07 m/s，整體流態(tài)基本平順。樞紐下游右側(cè)航線口門區(qū)受高湖河來(lái)流影響，從整體流態(tài)和流速分布看，高湖河支流消能效果較好，對(duì)口門區(qū)航線幾乎無(wú)影響。

表4列出了各通航流量條件船閘上游引航道通航水流條件。由表4可知，樞紐上游導(dǎo)航調(diào)順段、停泊段基本為靜水，制動(dòng)段的流速也較?。籔=5%和P=10%工況下，口門區(qū)及連接段最大橫向流速分別為0.29 m/s和0.27 m/s，接近規(guī)范要求的最大值，主要原因在于企石樞紐的特點(diǎn)是上游水深較淺，口門區(qū)及連接段位于彎道由窄變寬區(qū)域，另有上游導(dǎo)流堤分隔泄水閘上游渠道和引航道，隔流堤的堤頭繞流引起部分測(cè)點(diǎn)的橫向流速偏大。

表5列出了各通航流量條件下，船閘下游引航道的通航水流條件。由表5可知，樞紐下游導(dǎo)航調(diào)順段、停泊段、制動(dòng)段基本為靜水；口門區(qū)及連接段P=5%工況最大流速為0.50 m/s，橫向流速為0.11 m/s。錨地處P=20%工況下游引航道口門區(qū)受高湖河來(lái)流影響，最大流速為0.39 m/s，最大橫向流速為0.09 m/s，進(jìn)一步驗(yàn)證了高湖河支流多級(jí)跌水消能的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

企石樞紐作為平陸運(yùn)河重要的梯級(jí)樞紐工程，采用物理模型試驗(yàn)的方法分析了樞紐泄洪消能和通航水流條件，論證了總體布置的合理性，結(jié)果表明：

（1）泄水閘泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，各泄洪工況泄水閘、中間渠道和溢流堰總體運(yùn)行流態(tài)良好。泄水閘進(jìn)閘水流平穩(wěn)，消力池內(nèi)水躍穩(wěn)定；中間渠道和溢流堰泄流平穩(wěn)，下游水流縱、橫向擴(kuò)散充分。上游渠道內(nèi)流速分布較為均勻，消力池和溢流堰下游消能效果良好。

（2）樞紐上游錨地處的大塘河支流和下游口門區(qū)附近的高湖河支流是影響樞紐通航水流條件的關(guān)鍵。樞紐5年一遇工況大塘河支流占總流量近1/3的條件下錨地處水流條件滿足通航要求；高湖河支流采用多級(jí)跌水，消能效果良好，下游口門區(qū)水流條件滿足通航要求。

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收稿日期：2023-10-08