弯曲河道上引航道口门区通航条件研究

张建宝，卿云

（1.交通运输部水运科学研究院，北京 100088；2.重庆交通大学，重庆 400016）

在国内外众多水运工程中可以发现，船舶在航行时受水流流态的影响，其中以斜流和回流最为常见。船闸的口门区，是过闸船队（船舶）进出引航道的咽喉，又是河流动水与引航道静水交界的水域。受隔流堤和局部地形的影响，在口门区存在斜流和回流，为衡量水流对船队（船舶）航行的影响程度，通常将斜流分解为平行于航线的纵向流速和垂直于航线的横向流速，当这些水流要素过大时、会使船队（船舶）发生横漂和回转，严重时会出现失控以致发生事故[1]。在《船闸总体设计规范》中对各等级船闸口门区最大流速限值有明确规定，且文献[2][3]也提出了连接段的流速限值。其标准值见表1。

表1 口门区及连接段的流速限值 m/s

湄公河是一条流经中国和东南亚其它五国的国际河流，属典型的山区河流，平面形态弯曲，局限了通航建筑物上下游直线段布置条件，其斜流和回流的水流流态也较复杂。如何依据工程河段的特点，确定通航建筑物的合理布置型式以满足船舶通航安全要求是枢纽布置时需要研究的重要问题。本文以湄公河某船闸为对象，进行船闸工程所处弯曲河段引航道布置的工程措施的研究。

1 湄公河某航电枢纽工程概况

某水电站坝址距湄公河入海口河道距离约1737km，为径流式电站，额定水头13.5m，引用流量5500m3/s，总装机容量660MW。

图1 枢纽平面布置图

工程河道属急弯河道，枯水河宽300m左右，洪水期河宽可达550m，坝址接近弯道顶点，枢纽布置从左岸到右岸依次为（见图1）：左岸混凝土副坝、船闸坝段、13孔泄洪闸坝段、河床式厂房坝段（12台机组）、右岸5孔冲沙闸坝段、右岸鱼道坝段、右岸混凝土副坝段等建筑物组成。

2 通航建筑物布置

船闸作为该枢纽的通航建筑物型式，布置在该河段的左岸，紧邻泄洪闸布置。船闸为单级单线船闸，船闸级别为Ⅳ级500t，闸室有效尺度为120m×12m×4m（闸室有效长度、宽度、门槛水深）。上下引航道宽度均为40m，在上闸首右侧边墩前布置长115m的隔流堤，以减小泄洪闸泄流对口门区流速、流态的影响。在上引航道左侧布置10个靠船墩方便船舶靠泊。由于坝上游左岸岸坡为凸岸，转弯半径较大，且与枢纽距离较近。若按常规引航道布置方式，口门区与连接段将完全处在弯道上，驾驶船舶进闸将会十分困难，威胁船舶安全。因此参照赣江石虎塘航电枢纽工程引航道布置[4]，将停泊段布置在堤头外，无制动段，相对减少了引航道长度。

3 模型设计

模型范围从距坝轴线上游2.5km开始至坝轴线下游1.7km共4.2km。模型几何比尺为1:100的正态定床模型，按重力相似准则设计，采取枢纽整体水工模型、小尺度船模试验相结合的方法。根据河段径流特征和枢纽设计运行方式，选择9000m3/s至17800m3/s的多级特征流量进行试验研究(表2)。

表2 试验1工况 m3/s

4 通航水流条件试验成果与分析

该试验共分为3个子试验：试验1研究在不同导流墙长度条件下上引航道口门区的流速、流态变化情况；试验2研究改变口门宽度条件下上引航道口门区的流速、流态变化情况；试验3是对试验2的成果进行优化，最终提出最优的上引航道布置方式及口门区水流改善的措施。

试验1隔流墙的长度分别为115m和215m，隔流墙到河岸距离为40m，口门220m范围内的纵向、横向及回流流速见图2。试验结果分析表明：

（1）当 L=115m时 ,15500m3/s≤ Q≤ 17800m3/s时， 枢纽控泄运行，主航道及连接段内主流流速在1.5～2.0m/s，口门区左岸岸边有回流，最大回流流速0.57m/s，大于0.4m/s，最大横向流速0.88m/s，大于0.3m/s，不能满足规范要求。当Q=17800m3/s，电站停机，闸门敞泄时，上引航道口门区内纵向流速明显大于2m/s、横向流速明显大于0.3m/s，流速指标全面超过规范要求。

图2 纵向流速最大值与流量关系

图3 横向流速最大值与流量关系

（2）当L=215m时，隔流墙向上游延伸100m，各级流量条件下的流速流态均有明显的改善（见图3），距上引航道口门区220m范围内几乎无回流区。当Q≤17800m3/s时，最大纵向流速值为1.15m/s，最大横向流速0.3m/s，流速指标满足规范要求。

（3）隔流墙加长了100m以后，流速指标满足规范要求,但由于口门宽度仅40m，相对较窄，船模试验表明在最高通航流量时，标准船队进入口门区时操作性较差。因此增加引航道口门宽度，并进一步优化口门区流速条件的改善措施是试验2的主要目的。

试验2的特征流量和试验1相同，在闸门开启方式上较试验1略有调整，这里不再详细说明。

试验2在引航道平面布置上也做了改进：调整左岸边坡开挖的角度和方向以及将开挖边坡的坡度由1:1.5增大为1:0.5，由此将引航道口门区宽度增加到119m；在上引航道右侧修建275m的直线导墙与船闸进口相接，导墙内壁为直立式。

试验2结果（见图4）表明，在引航道导墙有效挡水的条件下，各级流量下最大纵向流速1.6m/s，最大横向流速0.29m/s，流速指标符合相关规范的要求。

图4 纵、横向流速最大值与流量关系

将引航道口门宽度从40m增加到119m，增加了进出闸船舶航线选择的余地，船模试验结果表明船舶的最大舵角、最大漂角等航行指标有所改善，在一定程度上提高了船舶航行的安全性。但由于引航道导墙过长，减小了泄洪闸的泄流能力，上引航道出口处于弯道凸岸，容易产生泥沙淤积，纵向导墙过长不利于引航道内排沙。

试验3将纵向导墙长度减少为256m，较试验2中导航墙长度缩短19m。将船闸进口段的左岸边坡修改为直立式挡墙，在纵向导墙末段下方设置4个排沙孔，孔口断面为2m×2m的正方形，其斜角为45°，孔口中心与坝轴线距离分别为208m、220m和232m（见图5）。

图5 优化方案上引航道布置

将试验2中的边坡改为直立式挡墙之后，经船模试验论证，显著增加进出船闸船舶的航行安全性，降低船舶操纵难度，提高通行效率，建议采用曲进直出的方式进出船闸。

按导航墙的不同布置方式，实测各级流量条件下距口门220m范围内的流速大小（见图6）。

图6 纵、横向流速最大值与流量关系

从图6可以看出，在导墙末段设置排沙孔条件下，当L=275m和L=256m时，口门区内的最大纵向流速分别为1.6m/s和1.49m/s，最大横向流速分别为0.29m/s和0.30m/s，均满足规范要求。L=256m时，各级流量条件下的纵向流速、横向流速变化梯度较L=275m时均较缓，说明流量的变化对L=256m时的口门区流速影响较小，各排沙孔在一定程度上减小了纵、横向流速的变化范围。

5 船模试验成果与分析

船模试验成果表明，船闸上游航道的航行难度随流量加大而加大[5]。当流量Q≤17800m3/s，坝前保持正常蓄水位220m时，船队上行最低航速为2.66m/s，明显高于船模试验最低航速限值（0.4 m/s），船队上、下行的最大舵角为15.25°～24.05°，均未超过船模试验安全舵角限值（25°），船队上、下行最大漂角为7.37°～18.69°，船闸上游航道的通航条件可满足2×500t船队的通航要求，仅在Q=17800m3/s时，船舶出闸最大舵角为24.05°，已接近船模试验安全舵角限值（25°），需谨慎驾驶，方能保证航行安全。

6 结语

通过对湄公河某船闸工程中引航道口门区通航水流条件试验和船模试验成果的分析可知，船闸引航道口门区及连接段位于弯道凸岸时，船队的航行条件较难满足。边坡修建直立式挡墙和导航墙墙头开孔透空的组合型式较好地改善了口门区水流条件并有利于解决口门区的泥沙淤积问题。因此，将该方案作为本研究船闸上引航道口门区水流条件改善措施的推荐方案。该工程所处河段是山区性河道的典型代表，将停泊段布置在堤头外，无制动段的引航道布置型式对类似工程具有借鉴意义。