青山枢纽船闸上游口门区通航水流条件优化试验研究

陈明慧，刘筹资，夏 波，3，程永舟，3，王 能

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南 长沙 410100；2.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；4.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200)

船闸口门区是船舶进出航道的咽喉，同时也是河流动、静水相交的位置，在此区域通常会形成斜向水流、泡漩等不利流态，影响船舶通航。为了保证船舶通航安全，通常需要对口门区的水流条件进行改善[1]。国内对口门区的通航水流条件的改善进行了大量的研究工作：彭伟等[2]、陈明等[3]针对具体的工程实例对口门区的通航水流条件进行研究，发现了桩基透空式导流屏能改善口门区的通航问题；李兴亮等[4]、李君等[5]、程璐等[6]都认为，对于弯曲河道利用不同导流结构进行组合优化能更好地解决口门区流速较大的问题；李艳富等[7]、张树青等[8]发现在优化口门区时适当改变引航道的长度和角度可以有效地改变口门区的不利流态。虽然有很多学者对改善口门区的措施进行了研究，但是受到工程地形因素的影响，每一种工程措施都需要根据当地水流条件的影响因素进行改善。

由于青山枢纽新建船闸口门区位于弯曲分汊河段，在弯道处会产生横向环流，同时在分汊河段处，水流受到两汊地形的影响，也会对水流产生不容忽视的影响。青山枢纽同时受到弯曲河流及分汊河流两种因素的影响，口门区的水流条件复杂多变，对进出口门的船舶影响较大，不能满足船闸施工标准，因此需要对青山枢纽船闸口门区的通航水流条件进行研究。

1 工程概况

澧水青山枢纽坝址位于石门县下游，始建于20世纪60年代，是一个多功能综合利用的水利枢纽。枢纽处澧水右汊河道向右弯曲，右汊主坝址处河宽约600 m，从右至左主要建筑物为水轮泵站、100吨级船闸(已废弃)、青山电站1(旁侧引水)、中加电站、副坝、20×13 m(孔数×单孔净宽)泄水闸和青山电站2。枢纽左汊坝址段河道较为顺直，河宽约430 m，从左至右主要建筑物为滚水坝、12孔泄水闸、滚水坝。因青山枢纽建于澧水右汊河道，且船闸等级为VI级，设计通过能力为120万t，加上船闸设备简陋，维护和管理已不适应运输现状，需要新建船闸以满足航运要求。

澧水青山枢纽新建船闸由右汊改建至左汊，增大了过往船只吨级，以及新建船闸位于弯曲分汊河段，对船舶安全通航造成了很大的影响，主要体现在以下3方面问题：

1)船闸口门区上游连接段1 km处为弯曲河道，水流通过弯道时产生横向环流，使船只无法顺利通过弯道，易造成重大事故。2)船闸处于分汊河道，右汊地形稍高于左汊，水流向左汊流动，严重影响了左汊口门区的安全航行。3)在船闸口门区建设过程中，过流断面的减小增大了口门区的横向流速，导致船舶在进出口门区时产生较大的横向位移，不利于船舶航行。

2 试验概况

2.1 模型试验

基于几何相似、重力相似、动力相似等准则，结合试验场地大小、模型最小水深要求等，物理模型几何相似采用1:110正态比尺，流速比尺λv=10.488，糙率比尺λn=2.189，流量比λQ=126 905.871。根据枢纽河段的综合糙率0.031～0.068，设定模型综合糙率为0.014～0.031，采用水泥砂浆粗糙抹面(糙率0.014～0.015)，并对其进行局部梅花加糙，使模型各段综合糙率与原型相似。

为了保证模型与原型水流运动相似，整体物理模型制作完成后进行验证试验。依据实测枢纽沿程水位、流量、断面流速等资料，进行水位、断面流速等验证，且对模型梅花配糙进行多次调整，最终达到模型水位、断面流速及分部、分流比等相似验证要求。枢纽模型布置见图1。水位及断面流速对其在洪水流量4 631 m3/s、中水流量822 m3/s、枯水流量136 m3/s中进行验证，结果如图2、3所示。本文仅选取洪水中左汊水面线结果及部分断面流速结果进行分析。

图1 青山枢纽整体模型及水尺布置

图2 Q=4 631 m3/s洪水水位验证结果

图3 Q=4 631 m3/s断面流速分布验证结果

2.2 试验条件

根据初步拟用的枢纽调度运行方式，选取4级典型流量对通航条件进行试验研究，工况见表1。

表1 通航条件试验工况

3 原设计方案

3.1 原设计方案布置

青山枢纽原设计方案船闸位于左岸侧，为单线船闸，突出在下游，船闸的中心轴线与坝轴线垂直。设计近、远期最大通航流量为8 910、14 200 m3/s，船闸引航道为不对称形式布置，船舶曲进直出。引航道底宽、长分别为60、560 m；上、下游引航道底高程分别为41.0、37.0 m。在导流堤向上游方向平行于航线交错布置3个导流墩，导流墩的长度、相对间距均为20 m。

3.2 原设计方案通航水流条件

当流量为2 200 m3/s时，上游引航道口门区纵向流速最大不超过0.7 m/s，横向流速均不超过0.3 m/s，满足通航水流条件要求，同时，上游连接段水流流速较小，水流流速普遍为0.4～0.8 m/s，通航水流条件较好，流场如图4所示。在进行船模试验时发现：船模以静水航速3.0 m/s上行，以静水航速2.5 m/s下行，经过口门区时航态均较好，航行参数均在规定范围内，沿左、右航线航行能够顺利通过连接段。

图4 上引航道口门区局部流场(单位：m/s)

当8 910 m3/s≤Q≤14 200 m3/s时，上游引航道口门区纵向流速最大不超过1.5 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，仅在口门上游约100 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.45 m/s，存在一定安全隐患，如图5所示。

图5 上引航道口门区局部流场(单位：m/s)

上引航道船模上行航态见图6。可以看出船模在上行时，船头飘向导流墩，通过改变舵角控制船模恢复航线，但是船尾触碰到了导流墩；下行时船模受到分汊地形的影响，向左岸的横流流速，使船模向左岸偏移，易与靠船墩碰撞，且上下行的航行参数均超过限值，口门区的通航水流条件不能满足要求，需要对设计方案下口门区的船闸布置进行优化。

图6 上引航道船模上行航态

4 优化方案

4.1 优化方案1的通航水流条件

1)在上游导航墙头部加长34 m，并向河侧外挑7°，在原设计方案导流墩的基础上增加3个导流墩，导流墩长度与原设计相同为20 m，将导流墩间距由原20 m缩小至10 m。

2)当上游来流量为8 910 m3/s时，上引航道口门区及连接段流场如图7所示。可以看出，上游引航道口门区纵向流速最大不超过1.5 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，在口门上游150～250 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.35 m/s；当上游来流量14 200 m3/s时，上游引航道口门区纵向流速最大约1.8 m/s，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，在口门上游约180 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.4 m/s。可见两级流量下，仅在引航道右边线附近局部横向流速超过0.3 m/s。

图7 上引航道口门区及连接段流场(单位：m/s)

从船模试验结果来看，船模在口门区内上行时基本是沿着航道线驶出口门区，但是航线也会受到横向水流的影响发生部分偏移；且船模在口门区下行时，受到口门区过流断面减小所形成的横向流速的影响，在进入口门区时会发生偏转。虽然自航船模基本能顺利进出口门区，但在局部水域横向流速超出规定，船模行驶受到一定程度的影响。

4.2 优化方案2的通航水流条件

1)优化方案2见图8，上游口门区仍采用3个导流墩方案，且与导流堤之间平顺衔接(无错口)，间距20 m，停泊段停靠单排船舶。为了进一步减小优化方案1口门区局部横向流速，右汊坝上游2 km范围河底高程疏浚至43 m。

图8 优化方案2的开挖区域

2)当上游来流量为8 910 m3/s时(图9)，上游引航道口门区纵向流速最大不超过1.2 m/s，大部分水域横向流速不超过0.25 m/s，在连接段上游150～250 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.35 m/s；当上游来流量为14 200 m3/s时，大部分水域横向流速不超过0.3 m/s，在连接段约180 m范围近引航道右边线，局部横向流速较大，最大约0.4 m/s。可见两级流量下，仅在引航道右边线附近局部横向流速超过0.3 m/s。

图9 优化方案2在Q=8 910 m3/s时

上引航道船模下行航态见图10。可以看出，船舶以静水航速3.0 m/s沿规划航线上行，在上行过程中船模航行航态顺利通过口门区；以静水航速2.5 m/s沿规划航线下行，在下行过程中船模顺利进入口门区，且没有偏离航线，自航船模基本能顺利进出口门区。

图10 上引航道船模下行航态

4.3 优化方案通航水流条件对比

各方案对比分析结果见表2。可以看出，优化方案2相对较优，可以作为枢纽的平面布置推荐方案。

表2 各方案对比分析结果

5 结语

1)原设计方案口门区的纵横向流速不能满足船舶安全通航的要求，需要对口门区的通航水流条件进行改善。

2)针对船闸上游引航道口门区通航水流条件存在的问题，对原设计方案进行2种优化试验。通过对比，优化方案2导流墩的布置方式以及对右汊进行疏浚的方式更能满足口门区的通航水流条件。

3)综合对比优化方案下的口门区通航水流条件，推荐优化方案2为青山枢纽的口门区布置方案。

4)由于存在对右汊地形的疏浚开挖，为了防止淤泥回填、改变地形，需要定期清淤，确保通航安全。