肖 欽，范紅霞，鄧 偉，王建中

(1.江西省港口集團(tuán)有限公司, 江西 南昌 330008； 2.南京水利科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210029； 3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖北 武漢 430071)

已建樞紐船閘運(yùn)行后出現(xiàn)通航水流條件差的情況屢見(jiàn)不鮮，一方面影響現(xiàn)狀船舶的通航安全和過(guò)境效率，另一方面對(duì)樞紐后期預(yù)留船閘建設(shè)帶來(lái)不利影響[1-5]。開(kāi)展復(fù)雜邊界條件下已建船閘上下游航道區(qū)通航水流條件惡劣的原因分析及改善措施研究，有助于改善已建船閘的通航安全狀況，并為下一步新建多線(xiàn)船閘總平面方案布置創(chuàng)造有利條件，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較深入的研究[6-7]。船閘引航道口門(mén)區(qū)附近及連接段往往是出現(xiàn)流態(tài)紊亂、橫流強(qiáng)的重點(diǎn)水域，多年來(lái)的工程實(shí)踐與研究聚焦口門(mén)區(qū)水流條件，圍繞調(diào)整隔流堤長(zhǎng)度及堤頭開(kāi)孔、透空率、口門(mén)設(shè)置導(dǎo)流墩等措施，開(kāi)展了廣泛研究[8-13]，研究認(rèn)為：下游較長(zhǎng)隔流堤時(shí)可減輕泄水閘下泄水流對(duì)口門(mén)區(qū)的影響，但隔流堤過(guò)長(zhǎng)會(huì)過(guò)多占用河道；在隔流堤合適的位置開(kāi)孔，使引航道水體與相對(duì)穩(wěn)定的水域相通，可有效消減開(kāi)孔附近引航道內(nèi)水體的波動(dòng)，但開(kāi)孔的位置、角度、高度、大小等要素較難確定；隔流堤下部即最低通航水位以下透空，內(nèi)外水體在隔流堤下部連通，往往造成引航道內(nèi)水流紊動(dòng)較強(qiáng)，且底沙易進(jìn)入引航道內(nèi)淤積；設(shè)置導(dǎo)流墩后口門(mén)區(qū)動(dòng)靜水之間的流速梯度被墩體削弱，橫流和回流強(qiáng)度減小，但導(dǎo)流墩數(shù)量也不宜過(guò)多，否則不利于防洪安全。

本文收集已建龍頭山航電樞紐工程決策、建設(shè)各階段資料，并采用整體定床物理模型試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)狀一線(xiàn)船閘引航道及口門(mén)區(qū)通航水流條件進(jìn)行研究，分析通航水流條件不達(dá)標(biāo)的原因，首次提出采用百葉窗式透空隔流堤改善流態(tài)，減弱橫流，消除通航安全隱患，有效提升最大通航流量，提高船舶過(guò)閘效率。以期為已建一線(xiàn)船閘方案完善、預(yù)留二線(xiàn)船閘設(shè)計(jì)及兩線(xiàn)船閘運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐，為復(fù)雜邊界條件下樞紐工程平面布置及已建船閘類(lèi)似問(wèn)題的解決提供新途徑。

1 樞紐概況

已建龍頭山樞紐壩址位于江西省豐城市贛江龍頭山渡口上游1.5 km、劍邑大橋下游2.9 km 處，是贛江流域規(guī)劃梯級(jí)樞紐的最后一級(jí)，上距新干樞紐約60 km、下距南昌市外洲水文站約55 km。龍頭山樞紐是一座以發(fā)電、航運(yùn)、城市交通為主，兼有防洪灌溉、供水、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用功能的大型航電樞紐工程。樞紐正常蓄水位24.20 m，總庫(kù)容3.93 億m3，電站裝機(jī)240 MW。樞紐主要建筑物從左岸至右岸依次為：魚(yú)道、河床式廠(chǎng)房、左岸連接壩、24 孔溢流壩、右岸連接壩、1 000 t 級(jí)船閘、右岸連接土壩，壩軸線(xiàn)全長(zhǎng)1 291.2 m，壩頂高程31.00 m，頂面設(shè)置23.0 m 寬公路。樞紐于2019 年6 月蓄水，2019 年10 月開(kāi)始發(fā)電。具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 龍頭山樞紐平面布置示意Fig.1 The layout of Longtoushan Junction

龍頭山樞紐一線(xiàn)船閘等級(jí)為Ⅲ級(jí)，可通航1 000 t 級(jí)船舶，已于2009 年4 月試運(yùn)行。樞紐已建一線(xiàn)船閘平面布置示意見(jiàn)圖2，船閘上下游引航道均采用“直線(xiàn)進(jìn)閘、曲線(xiàn)出閘”的不對(duì)稱(chēng)方式布置，船閘有效尺度224 m×23 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），上下閘首分別長(zhǎng)36.0 和32.8 m，上下游實(shí)體隔流堤分別長(zhǎng)100 和90 m，透空式隔流堤和靠船段長(zhǎng)264.2 m，透空率達(dá)75%～80%，上下游引航道寬60 m，底高程分別為15.7 和6.0 m。上游設(shè)計(jì)最高通航水位為20 年一遇洪水位25.75 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為開(kāi)閘調(diào)度最低水位22.3 m；下游設(shè)計(jì)最高通航水位為20 年一遇洪水壩下水位25.50 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為95%保證率水位11.08 m。

圖2 龍頭山樞紐已建一線(xiàn)船閘平面布置示意（單位：m）Fig.2 The layout of the implemented first-ship lock (unit: m)

龍頭山樞紐工程位于贛江下游豐城河段下段，右岸為贛東大堤，左岸大部分修筑堤防，堤防高程30.5～31.8 m，所在河段為彎曲河道，河道形勢(shì)見(jiàn)圖3。樞紐上游為庫(kù)區(qū)河道，深槽高程10～15 m，正常蓄水位平均河寬約1 400 m；下游深槽高程10～15 m，灘地高程約23.0 m，歸槽水位15.0 m 時(shí)平均河寬約800 m，龍頭山卡口段束窄為400 m，龍頭山磯頭挑流作用顯著。距龍頭山樞紐上游約33 km 的樟樹(shù)水文站是工程河段控制站。根據(jù)多年資料統(tǒng)計(jì)，樟樹(shù)水文站多年平均流量為1 890 m3/s；水量年內(nèi)分布不均，洪季4—6 月份徑流占全年48.8%；贛江屬少沙河流，多年平均含沙量0.116 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量665 萬(wàn)t，1990 年之前和之后分別為1 021 萬(wàn)t 和376 萬(wàn)t，洪季4—6 月份輸沙量占全年54.6%～68.4%。樞紐斷面20 年、10 年和5 年一遇洪峰流量分別為19 900、17 600 和15 100 m3/s。

圖3 贛江龍頭山樞紐所在河段河道形勢(shì)示意Fig.3 The layout of Ganjiang River of Longtoushan reach

2 龍頭山樞紐船閘定床物理模型的建立與驗(yàn)證

所建定床物理模型幾何比尺1∶100，范圍上起壩軸線(xiàn)以上2.5 km、下至壩軸線(xiàn)以下3.5 km，模擬天然河道長(zhǎng)度6.0 km（見(jiàn)圖4）。水流流速比尺1∶10，糙率比尺1∶2.15，經(jīng)水動(dòng)力驗(yàn)證，拉毛的水泥面糙率能滿(mǎn)足水面線(xiàn)相似。根據(jù)2021 年5—7 月實(shí)測(cè)1∶5 000 水下地形制作模型，采用2021 年5 月24 日贛江1 號(hào)洪水漲水期間水文測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證。本次測(cè)驗(yàn)自上而下布置6 把水尺，3 個(gè)ADCP 測(cè)流斷面，對(duì)水面線(xiàn)和各測(cè)流斷面水流流速及流向進(jìn)行了驗(yàn)證，水面線(xiàn)比較見(jiàn)表1，斷面流速流向驗(yàn)證見(jiàn)圖5。驗(yàn)證結(jié)果符合規(guī)范[14]要求。

表1 水面線(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果

圖4 物理模型布置示意Fig.4 Layout of physical model

圖5 表面流速分布驗(yàn)證對(duì)比Fig.5 Comparison charts of surface velocity distribution

3 龍頭山樞紐一線(xiàn)船閘現(xiàn)狀通航水流條件試驗(yàn)研究

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和船閘管理部門(mén)反饋，自2019 年4 月一線(xiàn)船閘建成試運(yùn)行以來(lái)，受上游汛期漲水過(guò)閘流量大及枯水期電廠(chǎng)尾水影響，船閘上下游引航道、口門(mén)區(qū)及連接段的通航水流條件惡劣，表現(xiàn)為縱向流速大、流態(tài)紊亂、橫流強(qiáng)勁，過(guò)閘船舶屢有失控碰撞險(xiǎn)情發(fā)生，導(dǎo)致最大通航流量?jī)H為5 000 m3/s，影響船舶通航安全和過(guò)閘效率。通過(guò)模型試驗(yàn)查找原因，并制定相應(yīng)的解決方案。

根據(jù)相關(guān)船閘規(guī)范[15]，Ⅲ級(jí)船閘引航道與口門(mén)區(qū)水域通航標(biāo)準(zhǔn)為：（1）口門(mén)區(qū)縱向表面流速不應(yīng)大于2.0 m/s，橫向表面流速不應(yīng)大于0.3 m/s，回流流速不應(yīng)大于0.4 m/s；（2）引航道導(dǎo)航和調(diào)順段宜為靜水，制動(dòng)段和停泊段水域最大縱向流速不應(yīng)大于0.5 m/s，橫向流速不應(yīng)大于0.15 m/s。

3.1 試驗(yàn)條件

龍頭山樞紐廠(chǎng)壩聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式為：當(dāng)入庫(kù)流量小于電廠(chǎng)滿(mǎn)發(fā)流量3 640 m3/s 時(shí)，電廠(chǎng)發(fā)電，泄水閘關(guān)閉，壩前正常蓄水位24.20 m；當(dāng)入庫(kù)流量大于電廠(chǎng)滿(mǎn)發(fā)流量后，開(kāi)啟中間泄水閘泄洪，達(dá)到6 530 m3/s 時(shí)電廠(chǎng)停機(jī)，全部流量經(jīng)右側(cè)泄水閘下泄，庫(kù)區(qū)水位下降至汛前水位22.8～22.3 m；入庫(kù)流量達(dá)13 408 m3/s，泄水閘全開(kāi)泄洪，基本恢復(fù)天然河道狀態(tài)。采用2019 年10 月—2022 年6 月近2.5 年水位流量關(guān)系并結(jié)合壩址處設(shè)計(jì)洪水控制壩下水位。具體物理模型試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

表2 物理模型試驗(yàn)條件Tab.2 Physical model test conditions

3.2 現(xiàn)狀試驗(yàn)結(jié)果

由于現(xiàn)狀一線(xiàn)船閘上下游實(shí)體隔流堤較短，分別長(zhǎng)100 和90 m，對(duì)引航道的掩護(hù)作用有限，但與實(shí)體隔流堤相接的上下游透空式隔流堤和靠船段長(zhǎng)264.2 m，透空率達(dá)75%～80%，隔流效果非常差。受樞紐溢流壩泄水影響，當(dāng)流量超過(guò)5 000 m3/s 時(shí)，上游引航道內(nèi)橫向流速和下游引航道口門(mén)區(qū)、連接段縱橫向流速?lài)?yán)重超標(biāo)，超標(biāo)范圍和量值見(jiàn)表3。

表3 各運(yùn)行工況下一線(xiàn)船閘現(xiàn)狀表面流速特征Tab.3 The maximum surface velocity prior to implementation of improvement measures

由表3可見(jiàn)，當(dāng)來(lái)流量等于5 000 m3/s 時(shí)，上游引航道停泊段已出現(xiàn)局部水域橫向流速大于規(guī)范要求的現(xiàn)象；當(dāng)流量達(dá)停機(jī)流量6 530 m3/s 并繼續(xù)增大至9 000、15 100 m3/s 時(shí)，由于透空式隔流堤擋水作用較弱，部分來(lái)流能較順暢地進(jìn)入上游引航道內(nèi)，水流動(dòng)力逐漸增大，導(dǎo)致船閘上游引航道內(nèi)靠泊段大部分水域的縱橫向表面流速迅速超標(biāo)（見(jiàn)圖6）。上述3 級(jí)流量條件下靠泊段水域最大縱橫向流速分別達(dá)0.84～1.43 m/s 和0.93～1.85 m/s，已嚴(yán)重超標(biāo)。這說(shuō)明現(xiàn)狀條件下一線(xiàn)船閘上游引航道內(nèi)過(guò)流量較大，通航水流條件惡劣，離原設(shè)計(jì)盡可能達(dá)到15 100 m3/s 的最大通航流量的要求相差甚遠(yuǎn)。

圖6 現(xiàn)狀條件下上游通航水域沿程流速分布（停機(jī)流量Q=6 000 m3/s）Fig.6 Surface velocity distribution in the upstream channel(Q=6 000 m3/s)

由表3 和圖6 可見(jiàn)，各級(jí)流量條件下，下游引航道內(nèi)水域的橫向流速基本滿(mǎn)足規(guī)范[14-15]要求，而縱向流速在流量達(dá)6 530 m3/s 后出現(xiàn)局部水域超標(biāo)。下游口門(mén)區(qū)和連接段在泄水流量達(dá)到并大于6 530 m3/s 時(shí)，部分水域縱橫向流速開(kāi)始超標(biāo)嚴(yán)重，9 000 和15 100 m3/s 流量條件下最大橫向流速達(dá)0.48 和0.87 m/s，最大縱向流速達(dá)2.21 和2.39 m/s，超出規(guī)范[14-15]要求。這說(shuō)明現(xiàn)狀條件下汛期一線(xiàn)船閘下游引航道、口門(mén)區(qū)和連接段通航水流條件極差，嚴(yán)重影響船舶通航安全。

3.3 原因分析

前述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及模型試驗(yàn)結(jié)果均表明，現(xiàn)狀一線(xiàn)船閘汛期上下游引航道、口門(mén)區(qū)及連接段的通航水流條件遠(yuǎn)超規(guī)范要求，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綜合河道條件、工程方案平面布置及隔流堤結(jié)構(gòu)型式等因素，分析其原因?yàn)樯舷掠胃袅鞯?、靠船段航評(píng)批復(fù)方案和施工建設(shè)實(shí)施方案差異較大。具體表現(xiàn)為：原工程可行性研究階段推薦方案引航道外側(cè)上下游隔流堤、靠船段均為不透空的實(shí)體墻，水體不交換，而現(xiàn)狀隔流堤、靠船段施工時(shí)變更了原設(shè)計(jì)，采用了基本透空的形式，上游隔流墩、靠船墩之間僅在水面附近設(shè)置了2 塊隔流板，單板高1.6 m，板間透水縫距0.4 m，平均透水率達(dá)80%，下游靠船、隔流墩之間在水面附近設(shè)了3 塊隔流板，單板高1.6 m，板間透水縫距0.4 m，平均透水率達(dá)75%，現(xiàn)狀條件下隔流板布置見(jiàn)圖7。

圖7 現(xiàn)狀上下游隔流堤隔板結(jié)構(gòu)型式（單位：m）Fig.7 Implemented structure of baffle wall (unit: m)

綜上，現(xiàn)狀隔流堤、靠船段透空率太大，基本起不到隔流作用，大量水體在上游順向和下游側(cè)向進(jìn)入引航道，導(dǎo)致引航道內(nèi)縱橫向流速過(guò)大，通航水流條件極差，最大通航流量較小，這是造成通航水流條件惡劣的直接原因?，F(xiàn)狀一線(xiàn)船閘雖布置在河道右側(cè)，但緊靠泄水閘，航道區(qū)水流易受汛期水閘泄水影響；再者，樞紐下游左岸龍頭山咀突入江中，卡口束水挑流作用強(qiáng)勁，使得下泄水流提前右偏進(jìn)入下游航道區(qū)，也會(huì)對(duì)通航水流條件帶來(lái)不利影響，而現(xiàn)狀條件也無(wú)法通過(guò)凸咀切除改善河道邊界和水流條件。

4 通航水流條件改善措施試驗(yàn)研究

4.1 改善思路與作用機(jī)理

針對(duì)已建一線(xiàn)船閘存在通航水流條件差、最大通航流量低的問(wèn)題，在現(xiàn)狀一線(xiàn)船閘隔流堤、靠船段基礎(chǔ)上實(shí)施完善改建，首次提出百葉窗式隔流堤的概念，通過(guò)從水面至水底布置有間隙的隔流板，減小透空率，增強(qiáng)隔流掩護(hù)效果，有效降低引航道內(nèi)及口門(mén)區(qū)水流動(dòng)力，減弱橫流，達(dá)到改善通航水流條件的目標(biāo)。

百葉窗式隔流堤作用機(jī)理在于：在保證一定透水率的同時(shí)，通過(guò)隔流板之間的間隙，水流沿水深方向直至河底分層透水，可以有效阻擋表層水流橫向直接進(jìn)入引航道，以減小引航道內(nèi)的橫向流速，尤其對(duì)水位變幅相對(duì)較小的上游引航道阻流效果更佳。同時(shí)，由于分層透水，進(jìn)入引航道內(nèi)的水流得以在空間上均勻分散，減弱紊動(dòng)，有利于流態(tài)平穩(wěn)。

設(shè)計(jì)完善方案為：維持現(xiàn)狀一線(xiàn)船閘隔流堤、靠船墩平面位置及長(zhǎng)度不變，在上游已設(shè)2 塊隔流板、下游已設(shè)3 塊隔流板的基礎(chǔ)上，自上向下直至河底依次均勻增加隔流板，形成狀如百葉窗式的新型隔流裝置，單塊板高1.6 m，縫隙0.4 m，透空率由現(xiàn)狀的75%～80%降低至20%左右。同時(shí)，對(duì)靠船墩和隔流墩進(jìn)行加固。新型隔流堤結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖8。

圖8 已建一線(xiàn)船閘隔流堤完善方案百葉窗式結(jié)構(gòu)型式（單位：m）Fig.8 Structures of baffle wall for improvement measures（unit: m）

4.2 完善方案試驗(yàn)結(jié)果

在完善方案新型隔流裝置工況下，進(jìn)行了6 530、9 000、11 100 和15 100 m3/s 共4 級(jí)流量的通航水流條件改善試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 樞紐各運(yùn)行工況下一線(xiàn)船閘完善方案后上游區(qū)縱橫向表面流速特征Tab.5 The maximum surface velocity after implementation of improvement measures

由表5 可見(jiàn)，流量為6 530～11 100 m3/s 的條件下，上、下游引航道內(nèi)的最大縱、橫向流速分別為0.47 和0.13 m/s，上下游口門(mén)區(qū)和連接段的最大縱、橫向流速分別為2.00 和0.29 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求；降低上下游隔流堤透空率后，隔流掩護(hù)效果顯著，進(jìn)入引航道內(nèi)的水體大幅減少，水流動(dòng)力明顯減弱，橫流范圍和強(qiáng)度顯著減小，通航水流條件得到有效改善。一線(xiàn)船閘上下游側(cè)最大通航流量由現(xiàn)狀的5 000 m3/s 提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)實(shí)測(cè)資料和工程設(shè)計(jì)資料，采用1∶100 定床整體物理模型，對(duì)已建龍頭山一線(xiàn)船閘現(xiàn)狀的通航水流條件和完善措施開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)流量達(dá)停機(jī)流量6 530 m3/s 并繼續(xù)增大至9 000 m3/s、5 年一遇15 100 m3/s 時(shí)，龍頭山樞紐一線(xiàn)船閘上游靠泊段水域最大縱橫向流速分別為0.84～1.43 和0.93～1.85 m/s；下游口門(mén)區(qū)和連接段最大橫向流速達(dá)0.48 和0.87 m/s，最大縱向流速達(dá)2.21 和2.39 m/s，嚴(yán)重超出規(guī)范要求。

（2）現(xiàn)狀通航水流條件差的主要原因?yàn)椋焊袅鞯淌┕r(shí)變更了原設(shè)計(jì)，采用了基本透空的結(jié)構(gòu)，透空率達(dá)75%～80%，隔流效果很差，導(dǎo)致大量水體進(jìn)入引航道及口門(mén)區(qū)；一線(xiàn)船閘布置緊靠泄水閘，航道區(qū)水流易受汛期泄水影響；下游龍頭山咀卡口束水挑流作用強(qiáng)勁，使得下泄水流提前右偏進(jìn)入下游航道區(qū)，影響了通航水流條件。

（3）針對(duì)存在的問(wèn)題，首次提出采用自上向下直至河底設(shè)置有間隙的隔流板，形成狀如百葉窗式的新型隔流措施，透空率減小為20%左右。完善方案后不同流量下隔流掩護(hù)效果均很明顯，進(jìn)入引航道內(nèi)及口門(mén)區(qū)的水體大幅減小，橫流范圍和強(qiáng)度顯著減小，通航水流條件得到有效改善，最大通航流量由現(xiàn)狀的5 000 m3/s提高至2 年一遇的11 000 m3/s。

提出的百葉窗式隔流方案的作用機(jī)理為：基于應(yīng)對(duì)不同水位變化，漸次有效減少泄水閘泄洪時(shí)順向和側(cè)向進(jìn)入引航道及口門(mén)區(qū)的水體，水流得以在空間上均勻分散，降低紊動(dòng)強(qiáng)度，有利于流態(tài)平穩(wěn)，并減弱縱橫向水流動(dòng)力。這一改善措施可為已建龍頭山一線(xiàn)船閘完善方案、規(guī)劃二線(xiàn)船閘設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，也可為復(fù)雜邊界條件下樞紐工程平面布置及已建船閘類(lèi)似問(wèn)題的解決提供新途徑。