洪江枢纽扩建船闸下游通航条件试验研究

杨 峰，普晓刚，金 辉，王 鑫，闫 涛

(1.湖南省交通运输厅规划与项目办公室，长沙 410116；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)

通航枢纽是内河水运中实现河流渠化、沟通不同水系的重要形式，也是控制航道货运能力的节点，在水路交通中占有重要的地位。随着我国水运事业的发展，内河航道等级逐渐提高，现阶段有许多航运枢纽中已建船闸的等级和通过能力已不能适应要求，亟待扩能升级改造，即对枢纽已建船闸进行改建和扩建[1-4]。在已有船闸的基础上进行高等级的船闸改建和扩建，受水利工程、航运规划、征地拆迁、工程投资以及实施难易等众多因素制约，其技术难度比同期新建的枢纽船闸大得多。在改扩建船闸方案论证工作中，通常通航水流条件是关注的重点。研究人员针对长洲枢纽三线四线船闸[5]、韩江东山枢纽船闸[6]、山秀船闸扩能工程[7]、五强溪枢纽船闸[8]等不同的改扩建工程存在的问题，采用整体物理模型或数学模型开展了方案论证与优化研究，并取得了一定的成果。

本研究建立了洪江枢纽整体物理模型，采用定床水流模型与遥控自航船模试验相结合的手段，针对洪江枢纽所处的坝下微弯并逐渐收缩的河段，扩建船闸在老船闸下游接建新船闸闸室较长，在直线顺延后，闸室及其下游引航道大幅压缩河床宽度，主河道流速急，对下游引航道口门区及连接段通航条件造成威胁的问题，开展了多组方案试验研究，提出了满足通航要求的优化方案，可为类似工程设计提供参考。

1 洪江枢纽概况

洪江枢纽位于湖南省怀化市洪江区境内的沅水干流上，是沅水梯级开发的第8级电站，下距洪江区4.5 km。工程以发电为主，兼顾航运、灌溉等综合效益。水库总库容3.2亿m3，正常蓄水位190.0 m，死水位186.0 m，调节库容0.75亿m3，属周调节水库。枢纽于1998年3月正式开工，2002年12月下闸蓄水。

洪江枢纽主要建筑物从左至右布置为：电站、泄水闸及船闸。电站厂房布置在河床左侧主河槽，6台机组满发流量为1 470 m3/s；泄水闸布置在河床右侧礁滩上，为9孔开敞式溢流堰；船闸位于右岸阶地，中心线与坝轴线交角为90°。

洪江枢纽调度运行方式：当来流小于满发流量时，泄水闸关闭，电站发电。当来流大于满发流量时，泄洪闸的运行原则为先启用左泄洪闸(3孔)，次启用右泄洪闸(6孔)，最后为左、右闸联合运行。

目前船闸等级为300 t级，为一线二级船闸，闸室有效长度长64.2 m×宽12 m×门槛水深2.5 m，目前该船闸最大设计通航流量为3 800 m3/s，船闸年通过能力单向不足100万t，无法满足该段航道货运量需求和500 t级船舶过闸需求，需对其进行扩建。

2 试验成果与分析

采用1:80正态整体水工模型试验与遥控自航船模航行试验相结合的研究手段，对洪江扩建船闸平面布置方案开展了试验研究，模型模拟原型河段长约5.4 km，其中坝上1.9 km，坝下3.5 km。模型主要选取1 470 m3/s(电站满发流量)、3 820 m3/s(常年洪水、电站与泄水闸联合调度)、7 820 m3/s(2 a一遇洪水，设计最大通航流量)三级典型流量开展试验研究。按照《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)要求，口门区长度为2.0～2.5倍船长，设计代表船型为500 t级货船(船长67.5 m×型宽10.8 m×设计水深1.6 m)，船闸下引航道口门区及连接段布置为：导流堤堤头至堤头下200 m为口门区，连接段为堤头下200～400 m范围内航道，定义400 m以下为连接段下游河段。

2.1 设计方案

(1)扩建船闸布置难点。洪江扩建船闸布置主要受到以下三个方面因素的制约。①受到坝址自然条件制约，坝址河段不具备建设二线船闸的条件。洪江枢纽所处河段两岸山体雄厚，河道狭窄，枢纽建设期没有预留二线通航设施的位置，扩建船闸也不具备布置二线通航设施的陆域条件；②受到大坝坝体的安全制约。已建低等级老船闸不可拆除重建。已有船闸上闸首与大坝坝体为整体浇注混凝土，老船闸拆除重建施工势必影响大坝安全和电站正常运行，即现有船闸不能拆除重建；③受到坝下河道形态制约因素，坝下河道沿程收缩。在该类型河段扩建船闸，船闸及下游引航道实体导流堤向下游直线顺延后，导致下游引航道实体导流堤头部附近有效河道过流宽度大幅缩窄，势必造成船闸引航道口门区流速急、流态复杂。

图1 洪江扩建船闸设计方案布置图Fig.1 Layout plan of Hongjiang expansion lock design plan

(2)设计方案布置。设计扩建船闸方案(图1)保留原有船闸上闸首、一闸室，在其下游重新建造一座Ⅳ级标准船闸，原有船闸部分作为上游引航渠道。设计最大水头为27.0 m，采用单线单级船闸，设计单向年过坝运量为540.06万t。船闸有效尺度采用长215 m×宽(12～23) m×门槛水深4.0 m。船舶进、出闸方式采用曲线进闸、直线出闸方式。

上游引航道由直线连接段航道、220 m直线停泊段、204.25 m直线导航调顺段组成。利用原已有建筑物做为进上游引航渠道导航措施，延长158 m上游外侧导流堤。

下游引航道由127.5 m直线导航调顺段、220 m直线停泊段、直线连接段航道组成。引航道河侧利用原已有114 m做为导流堤，并将其延长80 m；导流堤下游每隔10 m布置单长10 m的8个导流墩。下游引航道底宽50～65 m。下游局部河床形态调整，对船闸河段河床开挖，开挖标高160.5 m，疏挖深度一般在0.5～2.5 m。

(3)试验成果分析。设计方案通航水流条件试验成果(图2)表明：Q≤1 470 m3/s时，电站发电，泄水闸关闭，电站出流顺主槽由左岸侧逐渐过渡至河道中部，水流逐渐扩散，水流过船闸下游导流堤堤头后，经导流墩调流作用，口门区及连接段航道内水流右偏角度不大，一般在10°以内，横向流速在0.28 m/s以内；堤头下600～850 m航道段，航线由靠右侧河道过渡至河道中部偏左，水流流向与航线夹角偏大，最大为19°，致使该区域横流稍大，最大横流为0.56 m/s。Q=3 820 m3/s、7 820 m3/s(图3)时，电站与泄水闸联合调度，靠近河道中部及右侧泄水闸逐渐开启，坝下河段主流与仅有电站发电流量时相比，主流逐渐向河道中部过渡，船闸下游导流堤的束水、挑流影响效果逐渐增强，过导流堤后水流向右扩散明显，下游航道内水流流速逐渐增加，两级流量下口门区级连接段航道内最大横向流速分别达0.60 m/s、0.79 m/s；堤头下550～900 m航道段，水流流向与航线夹角偏大，横向流速较大，两级流量下最大横流分别达0.90 m/s、1.30 m/s。

船模航行试验结果表明：当流量Q≥3 820m3/s时，受泄水闸泄流影响，船闸下游口门区航道内斜流较大，船舶航行过程中，在该段航道内漂角较大；距下游口门600 m处时，设计航线由右岸向左岸过渡，航道内横向流速较大，船舶行经此段航道时，漂角较大，船舶下行时易漂出航线。

图2 设计方案船闸下游航道内最大横向流速变化Fig.2 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the shiplock in the design scheme图3 设计方案枢纽下游流场及航道内流速分布云图(Q=7 820 m3/s)Fig.3 Design hub downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

前述试验成果可以看出，洪江枢纽扩建船闸设计方案条件下，船闸下游航道存在两处碍航段，一是口门区及连接段扩散水流碍航，二是堤头下550～900 m航道段斜流碍航。分析其形成原因，前者受扩建船闸下游新建直线段导流堤布置影响，加之下游河势向右微弯，致使堤头附近有效河道过流宽度缩窄，水流流速大，过堤头后扩散强度大，大流量时航道内横流大碍航；后者受航线布置由靠右侧河道过渡至河道中部偏左，与顺直微弯的河势不一致，致使水流流向与航线夹角偏大，造成斜流流速大碍航。因此，可考虑从调整船闸下游引航道导流建筑布置和下游航线平面布置两方面开展相应的优化试验研究。

图4 洪江扩建船闸优化方案布置图Fig.4 Layout plan of Hongjiang expansion lock optimization plan

2.2 优化方案

(1)优化思路及措施。针对洪江枢纽扩建船闸设计方案船闸下游航道通航存在的问题，基于以下思路开展了多组次优化方案试验。①充分利用船闸下游弯道河段右岸河道存在大范围的缓流区，突破《船闸总体设计规范》要求的工程布置与结构思路，将下游引航道长直堤设置为折线型，减少导流堤对主河道过水断面的压缩，降低河道流速，改善口门区及连接段水流条件；②顺应下游河势向右岸调整航线，减少水流与航线夹角，以达到平顺水流并改善船闸下游航道通航条件目的。

最终确定的折线形导流堤优化方案(图4)：①原老船闸导流堤位置、长度与走向不变，紧接原导流堤头新建260 m实体直立导流堤，其走向朝岸侧偏转，与原导流堤夹角10°，较设计方案扩大了主河道过水面积；②将下游引航道停泊段向右岸侧移动并与船闸中心轴线10°夹角，同时下移，在平面上超出折线型导堤堤头，增大船舶进闸水域宽度和调顺段长度；③将设计方案连接段下游由河道右侧向河道中部偏左过渡的航线，调整为顺右岸河势及水流方向。

(2)优化方案试验成果。设计方案通航水流条件试验成果(图5)表明：导流堤向右岸侧偏移后，对水流挤压强度减弱，且导流墩改为实堤后，对引航道口门区内掩护作用增大，水流越过堤头受右岸缓流区顶托以及右岸下游凸咀影响，向船闸口门区及连接段扩散强度较小。Q≤1 470 m3/s时，口门区及连接段最大横向流速为0.21 m/s；连接段下游航线顺河势向右岸调整后，航道内水流较平顺，航道内横向流速均在0.35 m/s以内。随流量增加，河道内流速逐渐增加，Q=3 820 m3/s时，口门区最大横向流速为0.24 m/s；连接段最大横向流速为0.28 m/s；连接段下游航线顺右岸河势调整后，航道内横向流速由工程前0.90 m/s降至0.50 m/s，结合船模试验成果，该流量级下通航条件基本满足船舶安全航行要求。Q=7 820 m3/s时(图6)，口门区最大横向流速为0.30/s；连接段大多在0.3 m/s以内，仅在堤头下300～400 m航线左侧部分测点稍大，最大为0.37m/s。连接段下游航线顺右岸河势调整后，航道内横向流速由工程前1.30 m/s降至0.68 m/s，结合船模试验成果，该流量级下通航条件基本满足船舶安全航行要求。

图5 优化方案船闸下游航道内最大横向流速变化Fig.5 The maximum lateral velocity change in the downstream channel of the optimized plan ship lock图6 优化方案枢纽下游流场及航道内流速分布云图(Q=7 820 m3/s)Fig.6 Hub optimization downstream flow field and channel flow velocity distribution cloud(Q=7 820 m3/s)

可以看出，由于导流堤进一步向右岸侧偏移，对水流挤压强度减弱，并且由于导流墩改为实堤，对引航道口门区内掩护增大，水流越过堤头受右岸缓流区顶托以及右岸下游凸咀影响，向船闸口门区及其连接段扩散强度较小。在最大通航流量(Q≤7 820 m3/s)以下的各级流量，船闸下游口门区及其连接段内通航水流条件基本能满足要求，船舶能够安全进出口门区及连接段航道。船舶模拟试验表明船闸下游口门区及其连接段航道内通航水流条件较好，船舶均能够安全通过口门区段航道，航行参数能够满足安全航行要求。

3 结语

(1)洪江枢纽扩建船闸设计方案条件下，受下游向右微弯河势、下游新建直线段导流堤布置影响，大流量时口门区及连接段扩散水流碍航；受连接段下游航线布置由靠右侧河道过渡至河道中部偏左，与顺直微弯的河势不一致，致使水流流向与航线夹角偏大，造成斜流流速大碍航；(2)优化方案从调整船闸下游引航道导流堤布置和航线平面布置两方面入手，充分利用船闸下游弯道河段右岸河道存在大范围的缓流区，将下游引航道长直堤设置为折线型，减少导流堤对主河道过水断面的压缩，降低河道流速，改善口门区水流条件；同时顺应下游河势向右岸调整航线，达到了改善船闸下游航道通航条件目的；(3)项目研究针对扩建船闸在老船闸下游新建船闸的闸室较长、枢纽下游河型微弯并逐渐收缩的特点，提出的导流堤折线布置方案，可以较好解决扩建船闸下游口门区及连接段航道的通航条件问题，可为同类船闸扩建项目提供借鉴参考。