湘江永衡三级航道潇湘枢纽船闸改造工程通航水流条件研究

◎ 吕睿 永州市交通信息中心

1.工程概况

本研究依托工程为湘江永州至衡阳三级航道改扩建工程中潇湘枢纽船闸改造工程。范围为湘水干流永州市冷水滩区潇湘枢纽船闸各工程点上游2.5km，下游2.5km的河段。工程对潇湘枢纽船闸进行改造，改造后等级为Ⅲ级，闸室有效尺度为200m×23m×5.0m。设计代表船型为1000吨级机动货船，改建一线船闸2035年单向通过能力为698万吨，2050年单向通过能力为868万吨，分别满足2035年和2050年预测的单向过闸货运量499万吨（上水）、575万吨（上水）的要求。

潇湘枢纽于1993年开工建设，约2004年初通航。潇湘枢纽工程有拦河坝、水电站厂房、变电站、西河土坝及航运单级船闸、坝顶及厂房上游设有20m宽公路大桥。拦河坝布置在东河（右汊），紧接东河左岸为电站主厂房、端部副厂房，西河（左汊）左岸岸边布置船闸。枢纽平面布置示意见图1所示。潇湘枢纽为低水头闸坝工程，坝高28m，溢流坝左岸、宋家洲右侧布置河床式厂房，安装4台13MW灯泡式水轮发电机组。

图1 潇湘枢纽布置示意图

原潇湘船闸为10 0 t 级，水工结构为衬砌结构，闸室结构尺寸为：80.0m×8.0m×2.0m，设计年通过能力为70万吨，船闸上、下游直线导航墙长35m，目前该船闸基本为停航状态。

2.枢纽上游通航水流条件

本文基于工程河段二维水流数学模型[1-5]，开展工程方案实施后通航水流条件模拟研究。如图2给出了工程方案实施后船闸上游近坝段航道沿程断面最大纵向流速、航道沿程断面最大横向流速、航中线纵向流速、航中线横向流速，图3给出了部分流量下的航道范围内纵向流速、横向流速分布。其中纵向流速为负值表示回流，横向流速向左为正，向右为负。

图2 船闸上游航道沿程流速变化

图3 Q=11508m3/s时船闸上游航道纵向、横向流速分布

（1）在该方案条件下，在进一步将分流口附近的突嘴切除、航道向左岸侧平移35m后，因在分流口附近航道更靠近左岸边，与设计方案相比，航道流速总体上呈明显减小态势；与现状情况相比，除局部较小范围内的流场具有一定变化外，对河道总体水流格局影响不大。

（2）航道纵向流速变化主要从沿程断面最大纵向流速变化和航中线纵向流速变化两个方面分析。从航道沿程断面最大纵向流速来看，在距船闸1430m位置的下游区域，各级流量下一般小于1m/s；在距船闸1430～1630m区域，当Q≥6000m3/s时，沿程断面最大纵向流速呈快速增加态势，在距船闸1630m位置，Q=6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s时，分别为1.66m/s、1.95m/s、2.09m/s、2.15m/s，比设计方案一分别减小0.13m/s、0.22m/s、0.28m/s、0.31m/s；在距船闸1630～1830m区域，各级流量下航道流速增幅有所变缓。

（3）航道横向流速变化主要从沿程断面最大横向流速变化和航中线横向流速变化两个方面分析。修改方案一条件下，在距船闸1230～1630m区域，Q=7398m3/s、11508m3/s时，航道沿程断面最大横向流速最大分别为0.36m/s、0.46m/s，与设计方案一相比，分别减小0.18m/s、0.24m/s，航中线横向流速最大分别为0.19m/s、0.25m/s，与设计方案一相比，分别减小0.23m/s、0.25m/s。

Q=11508m3/s，航道横向流速最大为0.46m/s，横向流速超过0.3m/s的长度为150m，最大宽度约占航道的40%，该流量级下，航中线横向流速均小于0.3m/s。

船闸上游引航道位于宋家洲左汊，引航道及口门区基本为静水，水流条件较好；但船闸上游1230～1630区域，因位于西河分流口附近，航道流速梯度大，且受左岸突嘴影响，航道较为弯曲，是影响船舶安全进出闸的关键区域。工程实施后将左岸突嘴完全切除，将航道向左岸侧平移35m后，航道内纵向流速及横向流速明显减小，大型船舶操纵模拟结果表明，在该方案条件下，船闸上游最大通航流量可由设计阶段的2年一遇提高到10年一遇。

3.枢纽下游通航水流条件

根据各级流量的流场情况，选择Q=1000m3/s、6000m3/s、7398m3/s、9900m3/s、11508m3/s作为典型流量对修改方案一条件下航道的流场及流速进行分析。图4给出了工程方案实施后船闸下游近坝段航道沿程断面最大纵向流速、航道沿程断面最大横向流速、航中线纵向流速、航中线横向流速，图5给出了部分流量下的航道范围内纵向流速、横向流速分布。其中纵向流速为负值表示回流，横向流速向左为正，向右为负。

图4 船闸下游航道沿程流速变化

图5 Q=11508m3/s时船闸下游航道纵向、横向流速分布

（1）在该方案条件下，将透空导堤的透空段变为非透空型式后，距船闸1200m的上游区域因导堤的掩护作用，航道内基本为静水；与设计方案一相比，距船闸1200～1600m区域，航道右侧边缘处航道流速略有增大。

（2）航道纵向流速变化主要从沿程断面最大纵向流速变化和航中线纵向流速变化两个方面分析。从沿程断面最大纵向流速来看，距船闸1200m的上游区域，以Q=11508m3/s时最大，为1.19m/s；距船闸1200～1600m区域，位于导堤堤头下游约400m范围，该区域航道断面沿程最大纵向流速随流量增加而增大，Q≤7398m3/s时，小于1.88m/s，Q=9900m3/s、11508m3/s时，分别为2.09m/s、2.22m/s。

（3）航道横向流速变化主要从沿程断面最大横向流速变化和航中线横向流速变化两个方面分析。从航道沿程断面最大横向流速来看，距船闸1200m的上游区域，Q≥6000m3/s时，航道边缘仅个别测点超过0.3m/s，其余一般小于0.15m/s；距船闸1200～1600m区域，位于导堤堤头下游约400m范围，从各级流量来看，该区域航道横向流速最大，主要集中在航道右侧边缘局部区域，以Q=11508m3/s时最大，为0.62m/s，超过0.3m/s的最大宽度为23m，约占航道断面宽度的29%。

从航中线横向流速来看，距船闸1200m的上游区域，各级流量下一般小于0.1m/s；距船闸1200～1600m区域，仅个别测点大于0.3m/s，其余一般均小于0.3m/s。

（4）各级流量下，船闸下游引航道宋家洲洲尾处航道的回流流速较小。

该工程方案将透空导堤修改为非透空型式，同时，在堤头布置4个长35m的导流墩，试验结果表明，船闸下游连接段航道回流流速较小，船闸下游1200～1400m区域，航道斜流有所减弱，航道最大横流降至0.62m/s；在枢纽泄洪流量Q≤7398m3/s时，一般仅航道右侧边缘个别测点超过0.3m/s；Q=11508m3/s时，横流虽略有增大，但一般普遍小于0.4m/s，超过0.3m/s的最大宽度为23m，约占航道断面宽度的29%，航中线最大横流仅0.17m/s，该方案对航道水流条件也具有较好改善作用。

分析可知，工程建成后，坝上河段河道流速、流态不会发生大的变化。在坝下河段，由于隔水墙、导流墩的作用，减小了左侧航道的横向流速，减小了大坝泄洪对左岸（当冲岸）的岸坡及冲刷作用，相应得使得流态变化，水流中泓略向右偏，对右岸可能产生冲刷。导流墩顶高程为96.00m，在小洪水时（2年一遇及以下洪水），对河势的影响相对较明显。随着水位的升高，水位淹没导流墩的水深加大，影响会逐渐减小。导流墩距离右岸约400m，根据同类工程经验，经一定距离扩散后，右岸近岸流速变化较小，且右岸为凹岸（非当冲岸）现状也建有堤防及护坡工程，抗冲能力较强。因此，隔水墙、导流墩对河势的影响主要体现在对河床的局部冲刷上。

4.结语

基于建立的工程河段二维水流数学模型，针对湘江永州至衡阳三级航道改扩建工程中潇湘枢纽船闸改造工程建设对通航水流条件的影响开展研究。分析了工程方案实施后船闸上游近坝段航道沿程断面最大纵向流速、航道沿程断面最大横向流速、航中线纵向流速、航中线横向流速，讨论了不同流量条件下航道范围内纵向流速、横向流速分布特征。