覃业传,刘俊涛
(1.广西西江开发投资集团有限公司,南宁 530022;2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)
长洲枢纽三线四线船闸上游航线选择研究
覃业传1,刘俊涛2
(1.广西西江开发投资集团有限公司,南宁 530022;2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)
为配合长洲枢纽三线四线船闸工程设计,判断中江布置方案可行性和合理性,采用定床物理模型试验和遥控自航船模试验相结合的研究手段,对长洲枢纽三线四线船闸中江布置方案的上游航线的航路进行研究。通过对工程河段水流特性、汊道分流比变化的分析,找出上游航线布置存在的主要问题,结合模型试验研究3条设计航线的通航水流条件和船模航行条件,对比分析3条航路的优劣,在此基础上,提出优选航路以及上游铁路桥和公路桥通航孔增设位置方案。
三线四线船闸;航线;长洲枢纽
Biography:QIN Ye-chuan(1962-),male,senior engineer.
长洲水利枢纽位于西江干线,下距梧州12 km,为西江干线最后一座枢纽。长洲水利枢纽座落在西江干流浔江河段的长洲岛上,上距长洲岛岛头约860 m,上距泗化洲岛头约1 500 m。长洲水利枢纽挡水建筑物总长3 000 m,坝顶高程34.6 m。坝轴线横跨两岛三江,从左至右布置有:右岸接头重力坝及土石坝、内江电站(6台机组)、内江泄水闸(12孔)、长洲岛土坝、中江泄水闸(15孔)、泗化洲岛土坝、鱼道、外江电站(9台机组)、外江泄水闸(16孔)、一线船闸(2 000 t级)、两孔冲沙闸、二线船闸(1 000 t级)。一线船闸、二线船闸[1]闸室有效尺度分别为200 m×34 m×4.5 m(长度×宽度×坎上水深,下同)和185 m×23 m×3.5 m。两线船闸设计单向年通过能力为4 012×104t。拟建三线、四线船闸均按3 000 t级船闸等级设计,闸室有效尺度为330 m×34 m×5.8 m,每级船闸单线设计通过能力为3 100×104t,位于中江左岸长洲岛右缘[2]。
长洲水利枢纽所处河段共有3座岛,3座岛呈品字形分布,上游为思恩洲岛,下游长洲岛和泗化洲岛分列左右两侧[3]。思恩洲岛位于枢纽上游2 000 m处,位于河道左侧,将河道分为左右两汊,右汊为主河道,宽约1 000 m,左汊宽约300 m,左右汊宽度比约为1:3。长洲岛位于河道左侧,将河道分为两汊,左汊为支汊,称为内江,内江河宽平均在400 m左右;右汊为主汊,为通航主汊道,河宽800 m左右。泗化洲岛位于长洲岛右侧,将长洲岛右汊分为两汊,左汊为中江,右汊为外江,外江稍宽大。长洲水利枢纽电厂控制设施均建在该岛。
枢纽上游河段由上至下呈扇形分布,凸嘴处最窄,河宽仅为950 m;枢纽段最宽,达到2 540 m,其中河宽1 370 m。枢纽上游河床横断面呈左高右低。上游河床高程多在2.0~6.0 m之间,上游凸嘴处(铁路桥桥轴位置)河床最低,最低点高程为-14.2 m。
长洲水利枢纽上游建有2座桥梁,上游为浔江铁路桥,距离长洲水利枢纽坝轴线约4 000 m,大桥右端位于右岸凸嘴处,铁路桥轴线位置河宽约950 m。受凸嘴挑流影响,在凸嘴处形成一长约1 000 m的深槽,深槽走向与凸嘴下游右岸走向平行。最深处高程为-14.2 m,较槽边床面低约16 m。该铁路桥设置了2个相邻的通航孔(18#~19#、19#~20#,通航孔桥墩编号自左而右编号,下同),孔宽约为95 m,临近右岸。
浔江铁路桥下游1 000 m建有浔江公路桥,浔江公路桥距离1 000 m处,桥梁横跨思恩洲,轴线位置河宽约为1 350 m,较浔江铁路桥宽约400 m。公路桥下距枢纽约3 000 m,距1#、2#船闸上游引航道堤头约为2 400 m,距泗化洲岛头约1 300 m,距长洲岛头约2 100 m。浔江公路桥设置了2个相邻的通航孔(33#~34#、34#~35#),孔宽约为135 m,临近右岸。浔江公路桥与铁路桥呈5°夹角,公路桥与铁路桥通航孔连线与铁路桥轴线法线方向呈14°夹角,与公路桥轴线法线呈9°夹角。
思恩洲岛呈半月形,思恩洲左缘与左岸平行,右缘上半部与右岸平行,右缘下半部与泗化洲岛左缘平行,该河段水流运动方向与思恩洲岛的形状关系密切,实测流量资料显示,Q内江:Q中江:Q外江≈3:3:4。统计资料显示[4],在各级流量条件下思恩洲左汊流量均小于内江的流量,所以在长洲岛岛头和思恩洲岛尾之间势必会有一斜向内江的斜流,斜流流量随上游流量的增大而增大,流速也会随之增大。
(1)右岸凸嘴处。主流顶冲凸嘴,该处流速较大,实测地形中深槽的走向是佐证之一。
(2)思恩洲岛头。该处存在分流,由于岛的两侧边界与左右岸基本平行,因此水流流向变化不大。
(3)思恩洲岛尾。受思恩洲岛的掩护,在岛尾段会形成一缓流区。由于思恩洲岛呈“月牙”状,边缘比较平滑,与两岸及泗化洲岛的边界基本平行,思恩洲岛尾两股水流交汇形成流向不稳定的流速区。
(4)泗化洲岛头。中江和外江水流在泗化洲岛头附近分流,由于泗化洲岛呈矮胖形,所以岛头附近水流会有较为明显的转向。
(5)长洲岛岛头较泗化洲岛头靠后,与思恩洲岛尾相对,斜向内江的水流在岛头附近形成横向水流;受上游思恩洲岛的影响,斜向内江水流有效过水断面宽度远小于思恩洲岛与长洲岛之间的距离,因此长洲岛头会存在明显的横流。
枢纽上游有思恩洲岛、泗化洲岛和长洲岛,3座岛将河道分为6个汊道,由左至右由上至下分别为思恩洲左汊、思恩洲右汊、长洲岛岛头支汊、内江、中江和外江。随着上游流量的变化以及枢纽调度方式的不同,各个汊道流量也随之变化。
图1所示,当流量小于10 000 m3/s时,中江分流为0,此时外江和内江过流比例均较高。当流量大于10 000 m3/s时,中江开始过流,三江过流比例与建坝前基本相仿,各个汊道流量均呈线性增长,其中思恩洲右汊增长速度最快,思恩洲左汊增长速度最慢。三江斜率基本相同,可见,随着流量的变化三江分流比基本稳定。思恩洲左汊与长洲岛头支汊的分流流量基本相同,这2个汊道流量之和即为内江流量。试验结果显示,随着流量的增大,当流量大于10 000 m3/s时,各个汊道分流量也增大,但分流比变化不大。
图1 汊道流量与总流量相关关系图Fig.1 Relationship between river branch discharge and total discharge
主流通过铁路桥后,被思恩洲分为左右两汊,左汊较窄,为支汊,分流比约为17%;右汊较宽,为通航主汊道,分流约为83%,主流贴近右岸,通航孔附近流速最大。主流在经过公路桥因泗化洲岛又分为两汊,一汊进入外江,一汊流向中江;外江水流在枢纽敞泄时主流贴近泗化洲岛右岸,外江分流比约为39%;中江水流在思恩洲尾又分为两汊,一汊进入中江,中江分流比约为29%;一汊由思恩洲和长洲岛之间缺口经过,与思恩洲左汊水流汇合后注入内江,并在长洲岛头形成与岛缘基本平行的斜向内江的斜流,该汊道断面分流比约为15%,内江的分流比约为32%。各个汊道分流比见表1所示。
试验研究结果显示,当流量Q≤7 000 m3/s时,枢纽运行在正常蓄水位,内、外江分流比受电站调度运行方式的影响非常明显,此时中江不过流,受此影响,思恩洲左汊和长洲岛头汊道流量均有所增大。当流量7 000 m3/s<Q≤17 000 m3/s时,中江开始过流,中江分流比随流量增大逐渐增大,内江和外江分流比均减小,当Q>17 000 m3/s时,枢纽敞泄,长洲岛头汊道分流比有所增大,内江分流比也随之增大,中江分流比略有减小,其他汊道分流比变化不大。
枢纽上游流速左右分布不均,铁路桥轴线位置主流靠右,流速较大,左侧流速较小,思恩洲左汊流速与右汊流速比约为1:2。枢纽上游流速沿程分布不均,石良塘口附近流速最大,长洲岛和泗化州岛头附近流速较小。枢纽上游流速随着流量的增大而增大,长洲岛头的斜流强度随着流量的增大而增大。
当枢纽在20.6 m水位运行时,上游属于库区航道,水深条件很好,流速很小,桥区流速不超过0.65 m/s,长洲岛头附近流速不超过0.2 m/s。当枢纽运行在18.6 m水位时,水深条件也较好,流速稍有增大,桥区附近流速不超过1.44 m/s,长洲岛头附近流速不超过0.9 m/s。当枢纽敞泄时,上游流速大幅增大,最大流速发生在40 700 m3/s时,此时桥区流速最大达到2.66 m/s,长洲岛岛头流速达到1.48 m/s。
表1 不同流量条件下各个汊道分流比Tab.1 Flow distribution ratios under different flow rates
中枯水流量高水位运行、中洪水流量低水位运行、大洪水流量敞泄运行。当流量Q<10 000 m3/s时,水库维持较高的20.6 m水位运行;当流量10 000 m3/s≤Q<17 000 m3/s时,水库降低水位至18.6 m运行;当流量Q≥17 000 m3/s时,机组停发,水库敞泄。
模型设计为正态定床,模型比尺为1:100,模拟范围全长17 km,上游始于浔江铁路桥上游1 000 m处,下游至长洲岛尾下游约1 000 m处。
遥控自航船模几何比尺为1:100,代表船型为三线四线船闸设计代表船型,分别为1+2×2 000 t级船队和 3 000 t级货船[5-6]。
三线四线船闸因为位置的限制,上游航道主要存在3个问题,第一为口门区通航水流条件问题,第二为库区航线问题,第三为公路铁路桥通航孔设置问题,问题二由问题三引起,问题三是影响上游通航条件的关键。
由于Q思恩洲左<Q内江,所以在长洲岛头附近必然存在斜向内江的水流,斜流流速随着流量的增大而增大,流向变化不大。当流量超过17 000 m3/s时,口门区横流超过《规范》要求,并且随着流量的增大而快速增大,在40 700 m3/s流量条件下达到0.95 m/s。
上游口门区位于长洲岛岛头,在中江和内江的分流口处,由于缺少掩护,致使上游口门区内靠近长洲岛岛头附近横流较大。为了解决上游口门区横流问题,只能采取上延长洲岛岛头或者下移右侧导航墙2种措施,但2种措施均存在缺陷:上延长洲岛岛头会影响内江泄流,下移右侧导航墙缩短上游引航道的长度,同时船闸口门将更靠近中江泄水闸,船舶航行的安全隐患增大。
库区航线问题是三线四线船闸布置在中江所面临的最难解决的问题,而库区航线受制于公路桥和铁路桥通航孔的位置。
交通运输部天津水运工程科学研究所在“通航建筑物口门区及连接段水流条件水槽试验研究”中认为[7],要满足船舶安全航行的要求,同岸连接的连接段航道内水流条件应满足:纵向流速≤2.5 m/s;横向流速≤0.45 m/s。对于异岸连接的连接段来说,连接段与主流的交角应尽可能减小,并控制在20°以内。当主流流速为2.0 m/s时,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级船闸的连接段与主流的交角不宜大于20°;当主流流速为2.5 m/s时,Ⅲ、Ⅳ级船闸的连接段与主流的交角不宜大于15°,而Ⅴ级船闸的口门区与主航道应尽量布置在同一岸。李一兵等[8]根据实船试验资料和船模航行试验资料认为口门外连接段通航水流条件仍采用纵向流速、横向流速和回流流速指标来衡量。对于Ⅰ~Ⅳ船闸来说,其相应标准为:纵向流速≤2.5 m/s,横向流速≤0.40 m/s;当连接段回流长度接近船舶、船队长度时,回流流速≤0.3 m/s。
由于三线四线船闸上游口门区航道与公路桥主通航孔航线呈45°夹角,并且走向相反,致使连接段航道的航线布置极为困难。
上游公路铁路桥桥区通航问题是影响三线四线船闸中江布置方案的关键问题。试验结果显示,现有通航孔不能满足三线四线船闸中江左岸布置方案,几乎唯一的解决措施是增加公路桥主通航孔以适应三线四线船闸中江布置方案。
由于公路桥的上游1 000 m建有浔江铁路桥,所以公路桥通航孔的设置又受制于铁路桥通航孔的位置,这就可能存在两个工况:工况一,铁路桥通航孔不变,增设公路桥通航孔;工况二,同时增设公路桥和铁路桥通航孔。
根据上面分析可知,设计方案直接受公路桥和铁路桥通航孔位置的限制,而确定三线四线船闸的位置必须先明确上游可航航线的位置,为此,需要开展库区航线专题试验,研究满足中江布置方案的可航航线位置。
中江设计方案位于中江泄水闸左侧,临江而建,处于半陆半水。设计单位提供了2套中江设计方案,2套方案工程布置主要不同之处为上游口门位置。模型针对2个设计方案,分别进行了通航水流条件和船舶航行条件试验研究。根据设计方案存在的问题,进行了修改方案试验研究。各方案布置及试验结果分述如下。
根据中江设计方案船闸所在位置,上游可供选择有三条航线,航线1为现有通航孔航线,位置位于33#~34#之间,航线2为现有通航孔左侧航线,位置在26#~32#之间,航线3为思恩洲左汊航线,通航孔位置在11#~14#之间(图2)。
航线1,在公路桥与三线四线船闸口门区之间由2个弯道相连,弯道一位于口门区,通过30°的逆时针弯道斜穿主河道;弯道二位于公路桥下约200 m处,通过45°的顺时针弯道与桥区主航道相连。2个弯道之间没有直线段,横向距离与纵向距离基本相当。
航线2位于现有航道左侧,通航孔位于28#~31#桥墩之间,由2个弯道相连,弯道一位于口门区,角度约25°;弯道二位于公路桥下约200 m处,通过30°的顺时针弯道与桥区主航道相连;2个弯道间有长约1 000 m的直线段。该航线位置是试图利用铁路桥现通航孔,研究通过新增设公路桥通航孔是否能满足桥闸连接段航道的适航问题。
航线3位于思恩洲左侧,通航孔位置在公路桥11#~14#桥墩之间,桥区航道与口门区航道平顺衔接,中间无弯道。
选用21 000 m3/s流量对不同航线的通航水流条件和船舶航行条件进行了试验研究。
通过对3条航线通航水流条件分析可知,3条备选航线口门区通航水流条件基本相同,桥闸连接段和桥区因为航线的布置不同,通航水流条件差别很大,主要有以下几方面问题:
图2 中江方案航线选位示意图Fig.2 Sketch of ship route choice in the middle river
(1)航线1桥闸连接段航道与水流的夹角最大,最大达到38°,最大横向流速达到0.84 m/s,横向流速超过0.5 m/s长度达到800 m;(2)航线2桥闸连接段航道与水流夹角稍小,最大达20°,最大横向流速为0.42 m/s,横向流速基本在0.40 m/s以内;(3)航线3桥闸连接段航道与水流夹角最小,基本在10°以内;航线3口门区航线与水流夹角有所增大,最大达到38°;口门区最大横向流速为0.59 m/s,发生在口门区末端;横向流速超过0.5 m/s发生在距口门300~900 m的范围内。
(1)航线1。在选用航线1为主航线时,船模需要穿越外江和中江2个主流区才能进出三线四线船闸上引航道口门区,上行需要操17°以内的舵角伴随32°的漂角,下行需操24°以内的舵角伴随40°的漂角,整个航行轨迹呈“S”形,在泗化洲岛岛头上游时船模几乎横穿主流。上行船模航态要好于下行船模。
船模在选用航线1下行时主要存在2处安全隐患,其一为泗化洲岛头,当航道内流速很大时船模存在被冲上泗化洲岛的危险;其二为口门区弯道段,由于连接段航道通航条件很差,船模下行时需横向穿越主河道,因此,在口门区上游需要预留足够的空间调整船姿,达到进入三线四线船闸引航道口门区的要求。
船模在上行时也存在同样的问题,由于上行船模对岸航速较低,舵效较好,难度相对较小些。我们主要针对下行船模存在的问题进行分析,其分析结果同样适用上行时存在的问题。
泗化洲岛问题。公路桥距离泗化洲岛仅仅1 300 m,公路桥与泗化洲岛的有效距离S公路桥—泗化洲<1 000 m,假设船模以45°斜穿主河道,避开泗化洲岛的横向距离S横-泗化洲>600 m,到达口门区弯道一的横向移动距离V横—口门区>1 200 m,为保证船模具有良好的舵效,船模的速度要大于水流流速,当主流流速V水>2.0 m/s,船模航速V船≥2.5 m/s,我们取V船=3.0 m/s。假设船模以斜向45°角横穿主流区,则经过船模到达泗化洲岛头的时间T泗化洲<S公路桥—泗化洲/(V水+V船×cos45°)=4.0 min,船模避开泗化洲岛头所需时间T横-泗化洲≈4.7 min,所以,当航道内水流流速超过2.0 m/s时,是无法避开泗化洲岛的。
口门区弯道问题。当船模能够按照既定航线顺利避开泗化洲岛进入口门区弯道时,假设船模以30°角进弯,此时船模需要横向移动距离S横—口门区弯道≈250 m,纵向移动距离S纵-口门区弯道≈800 m,该区域内水流流速V水2≈1.5 m/s,船模航速 V船2=2.0 m/s,到达口门区横向移动时间 T横-口门区弯道=4.2 min,到达口门区纵向移动时间T纵-口门区弯道=4.1 min。因此,在口门区弯道完成转向不得有丝毫偏差,否则,操舵偏大船模会进入中江,操舵偏小则会进入内江,造成海事事故。
可见,由于公路桥与三线四线船闸口门区之间的纵向距离太短,而横向距离又太长,水流条件与桥闸连接段航道的夹角非常大,致使完成2个弯道转向所需时间均小于正常操舵反应所需时间(5 min),泗化洲岛距离公路桥又非常近,在洪水流量条件下(21 000 m3/s)无法安全避开泗化洲岛的威胁。因此,航线1不能满足三线四线船闸中江左岸设计方案的要求。
(2)航线2。在选用航线2为主航线时,避开了泗化洲岛的威胁,桥区航线与口门区航线走向基本相同,2个弯道转弯角度均小于航线1,弯道之间有长约1 000 m的直线段可供调整船姿,因此,航线2要优于航线1。
船模在通过桥闸连接段时,船模避开了外江主泄流区,在下行时基本能够避开内江泄流区,因此,船模航行姿态明显好转,舵角、漂角均有所减小,上行时舵角基本能够保持在14°以内,下行时舵角能够保持在18°以内。船模在通过思恩洲岛下游时受内江斜流的影响,要操一定的舵角以抵御斜流冲击,船模能够进出三线四线船闸上游引航道。
试验结果显示,在该流量条件下航线2基本能够满足三线四线船闸中江设计方案的要求。但是,由于航线左移,增大了铁路桥和公路桥之间航线与水流的夹角,增大了两桥之间航道内横向流速,加大了两桥之间通航安全隐患。
(3)航线3。在选用航线3为主航线时,航道与船闸上游引航道走向基本相同,在通过公路桥通航孔时航行状态明显好转,上、下行船模均能通过公路桥进出三线四线船闸上游引航道。
试验结果显示,航线3通航条件最好,能够满足三线四线船闸中江左岸设计方案的要求。该航线规避了公路桥和铁路桥之间通航安全问题。
(4)航线2位置优化试验。通过对上面试验结果分析可知,公路桥通航孔愈靠左,桥区航线与三线四线船闸口门区航线连接愈顺畅,桥闸连接段航道通航条件越好。试验选用28#左侧的25#~28#作为航线2的备选航线,并开展最大通航流量(40 700 m3/s)条件下船模航行试验。
试验结果显示,船模在上下行均不能安全通过公路桥。主要因为在铁路桥与公路桥之间存在斜向外江的水流,新航线的设置增大了铁路桥与公路桥桥区之间水流与航道的夹角。由于桥区最大流速达到2.6 m/s,夹角最大达到10°,桥区附近的横流达到0.45 m/s,在2座距离仅仅1 000 m的桥之间完成转向是非常困难的。
船模在上行时因为同样问题很难顺利通过公路桥。因此,公路桥25#~28#桥墩位置新增设通航孔不能满足要求,宜设在26#~32#之间。
通过研究发现,当三线四线船闸布置在中江时:
(1)航线1通航条件不能满足要求;
(2)航线2通过增设公路桥主通航孔,能够有效减小三线四线船闸上游桥闸连接段航道的航行难度,但在中洪水流量条件下还是存在一定的安全隐患;同时随着公路桥航线左移,铁路桥和公路桥之间的水流与航线的夹角增大,桥区通航条件恶化,因此,仅新增设公路桥通航孔不能完全满足三线四线船闸中江方案的设计要求。
(3)同时新增设铁、公两桥通航孔的航线3,通航条件最好,船模能够较为顺利通过公路桥进出三线四线船闸上引航道。
[1]孙桂凯.长洲水利枢纽整体水工模型试验研究报告[R].南宁:广西大学土木建筑工程学院,2003.
[2]刘俊涛,黎国森.长洲水利枢纽三线四线船闸工可阶段整体水工模型试验研究报告[R].天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,2010.
[3]唐存本,张思和.西江龙圩水道航道整治试验分析研究一——龙圩水道河性分析[J].水利水运科学研究,1987(2):13-25.
TANG C B,ZHANG S H.Experiment investigation of longwei waterway improvement on Xijiang river-An analysis of the characteristics of longwei waterway[J].Journal of Naming Hydraulic Research Institute,1987(2):13-25.
[4]刘俊涛,黎国森.长洲水利枢纽三线四线船闸初步设计阶段整体水工模型试验研究报告[R].天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,2009.
[5]黎国森,刘俊涛.郁江口及羊栏滩汇流段船舶对会条件改善措施研究[J].水道港口,2009(4):119-122.
LI G S,LIU J T.Research on improvement measures of ship encountering condition in Yujiang River estuary and confluence reach of Yanglantan[J].Journal of Waterway and Harbor,2009(4):119-122.
[6]刘俊涛,黎国森.西江航运干线桂平航运枢纽二线船闸工程整体水工模型试验报告[R].天津:交通部天津水运工程科学研究所,2006.
[7]李一兵.通航建筑物口门区及连接段水流条件水槽试验研究报告[R].天津:交通部天津水运工程科学研究所,2005.
[8]李一兵,王育林.三峡工程船闸引航道口门区水流条件标准试验研究报告[R].天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,1990.
Study on route choice in upstream of the third line and the fourth line ship lock of Changzhou hydro-junction
QIN Ye-chuan1,LIU Jun-tao2
(1.Guangxi Xijiang Development and Investment Group Co.,Ltd.,Nanning530022,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China)
In order to cooperate with the third line and the fourth line ship lock engineering design of Changzhou hydro-junction,the study on ship route of the upstream channel in the middle river of the third line and the fourth line ship lock was carried out.Combining the fixed bed physical model with the remote selfpropelled ship model test,the feasibility and rationality of the program in the middle river were validated.Through the analysis on flow characteristics and the split ratio change of the project river,the main problems existing in the upstream routes arrangement were identified.Then,the navigation flow conditions and ship model sailing conditions of three designed routes were analyzed on the basis of the model test.Based on the comparative analysis of the strengths and weaknesses of the three routes,the preferred routes and the program of additional navigable spans location were proposed.
the third line and the fourth line ship lock;route;Changzhou hydro-junction
U 641;U 617.9
A
1005-8443(2012)03-0224-07
2011-06-13;
2011-10-25
覃业传(1962-),男,广西省陆川县人,高级工程师,主要从事航运枢纽、港口码头等内河工程建设和营运管理工作。