弯曲河段支流汇入影响的航道与锚地通航水流条件优化研究

王荣华 刘济乐 钟广达 朱晨松

摘要：弯曲河段布设锚地时，在支流汇入的影响下，锚地通航水流条件复杂。文章采用物理模型试验的方法，对受弯曲河段支流汇入影响的航道与锚地的通航水流条件开展研究，提出了通航水流条件优化措施。研究表明，弯曲河段处锚地布置在凸岸时，若支流在凹岸汇入易出现航道水流条件不满足规范要求的情况；可通过在凸岸锚地上游拓宽以及平顺岸坡的调整方式降低锚地处航线的横向流速，研究成果可供相关工程参考应用。

关键词：锚地；支流汇入；弯曲河段；通航水流条件

中图分类号：U617.2 A 09 022 3

0 引言

弯曲河段是河流常见的平面形态，在狭窄弯曲河段上布设枢纽，其通航安全問题较为严峻，枢纽布置的主要难点在于航道、通航水流条件复杂，特别是在大面积滩地的河势下。因此河道整治是保证安全通航的重要手段［1］。

航运枢纽一般布置在弯曲河段两个弯道中间的直线过渡段或弯道上，枢纽布置受地形限制，上下游引航道口门区处于河流的凸岸或者凹岸。锚地作为供船舶在水上抛锚以安全停泊、避风防台等作业的水域，其位置选择通常考虑枢纽总体布置、水深、船舶尺度等因素，其中水流条件是业界关注的重要问题。

研究表明，对于上游为急弯、下游为反向弯道的狭窄连续弯道河段，枢纽处于下游弯道段时宜采取将船闸布置于凸岸侧的分散布置方式［2］。对于有支流汇入的连接段航道，其水流条件的优劣除与枢纽河段密切相关外，支流汇入角和汇入比往往起到控制作用［3］。

当前，对于锚地水流条件的研究相对较少。受所在河段平面形态、枢纽平面布置的影响，在支流汇入的条件下，叠加弯曲河段布设锚地时，对锚地水流条件的评估是重要的。企石枢纽上游锚地距离泄水闸约2.5 km，锚地右侧存在大塘河支流的汇流影响，枢纽5年一遇工况对应大塘河支流20年一遇工况，支流流量约占总流量1/3，锚地通航水流条件较为复杂。

本文采用物理模型试验的方法，就西部陆海新通道平陆运河企石枢纽上游锚地进行了通航水流条件试验，针对锚地布置在弯曲河段叠加支流汇入影响下的通航水流条件进行了优化分析，为设计和相关工程提供参考依据。

1 工程概况

平陆运河工程任务以发展航运为主，结合供水、灌溉、防洪、改善水生态环境等。运河航道通航技术等级规划为内河Ⅰ级，按通航5 000吨级船舶标准建设。航道起于沙井钦江大桥，止于钦州港东航道起点，从沙井入海穿越茅尾海，经潮汐通道进入钦州港，末端与钦州港东航道起点相接。

企石枢纽是平陆运河规划3个梯级中的第二个梯级，是以航运为主兼顾防洪等综合利用工程，位于陆屋镇上游5.5 km处。企石枢纽由双线船闸、泄洪闸、连接土坝、副坝组成，双线船闸上闸首为枢纽挡水线的组成部分，枢纽坝轴线长约930.9 m，枢纽坝顶高程为39.5 m。从左至右分别为：左岸连接坝长210 m；5 m×8 m孔泄洪闸长57 m；双线船闸及两侧省水池长314.7 m；船闸右岸连接土坝长179 m；副坝长170 m。枢纽总体布置见图1。

平陆运河设计代表船型为5 000吨级船舶，代表性船舶尺度（长×宽×吃水深）：90 m×15.8 m×5 m。

本文研究的上游锚地距离泄水闸2.5 km，地处弯曲河段，该处设计航线转弯半径600 m；大塘河支流最大流量工况大塘河支流流量约占总流量1/3，且上游处地形较高，汇口处的地形需由32 m降至锚地处的27.7 m，为此设计了多级消能坎，汇口处的消能布置如图2所示。

2 模型设计

2.1 模型布置

试验在南京水利科学研究院当涂科学试验及科技开发基地进行，模拟范围为上游至坝址以上约2.8 km，下游至坝址以下3.0 km。模型基于弗劳德相似准则设计，比尺为1∶80。模型包括水泵、进水系统、模型试验段和回流系统等。整体模型包括枢纽上下游河道、枢纽建筑物、上下游引航道及连接段，以及支流。枢纽及船闸模型采用塑料板制作，上游水库和下游河道模拟采用水泥砂浆抹面。

2.2 技术标准

根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001），船闸的引航道口门区水流表面流速限值为：纵向流速≤2.0 m/s，横向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.4 m/s，锚地处航线的通航水流条件限值目前尚无标准，一般可参考口门区的流速限值。

2.3 量测设备

试验主要进行通航水流条件的水位和流速测试，观测采用南京水利科学研究院自主研发的水力学数据采集和处理系统，该系统由计算机、数据采集转换器、自动跟踪式水位计、波高仪等构成，可对水位、波高等水力要素进行实时跟踪采集并解算处理。流速采用DPJ旋桨流速仪及ADV三维多普勒流速仪观测。流量采用标准量水堰测控，误差范围≤1%。水位采用高精度无线数传自动跟踪水位计及测针进行测量，精度为0.02 mm。

2.4 试验工况

根据技术要求，支流汇入工况考虑枢纽5年一遇工况，此时对应大塘河支流20年一遇工况，泄水闸来流流量503 m3/s（其中主河道来流流量362 m3/s，大塘河支流来流流量141 m3/s），大塘河支流下游航道水位（5年一遇）为35.06 m。

3 试验结果与优化研究

3.1 原布置试验成果

如图3所示为枢纽5年一遇工况（对应大塘河支流20年一遇工况）锚地处航道流速分布。由图3可知，锚地处航道受大塘河来流影响，有一定程度的横流和回流，最大横向流速0.39 m/s，最大回流流速0.13 m/s。图4绘制了大塘河支流汇口流速，数据显示，支流口最大流速达2.83 m/s，平均流速约1.0 m/s。因此，该工况下锚地处的水流条件不满足船舶航行要求，需进行优化处理。

3.2 调整方案试验成果

从原布置试验结果分析，上游锚地处不满足通航要求的原因或与锚地上游的岸线布置有关；上游锚地的上游处为弯曲河段，水流受离心力作用，主流向右岸集中，叠加大塘河支流后水流条件较为紊乱。将上游锚地左岸岸坡进行开挖优化后，上游锚地上游更为平顺，河道转弯处左岸和右岸的流速更加均化，有利于改善锚地处的水流条件。如图5所示，岸线调整范围为原布置向上游扩挖约220 m，扩挖面积约为6 000 m2。

进行了5年一遇工况下上游锚地处通航水流条件研究，流速分布见图6。由图6可知，与原布置相比，上游锚地地形调整后锚地处基本无回流，锚地内最大流速0.40 m/s，最大横向流速0.08 m/s；锚地处航道受大塘河来流影响，航道有一定程度的横流和回流，最大横向流速0.15 m/s，平均横向流速0.07 m/s，整体流态基本平顺。因此，5年一遇工况下锚地的通航水流条件满足船舶进出闸和航行要求。

综上所述，对于弯曲河段锚地叠加支流汇入的水流条件，可考虑采取凸岸锚地上游拓宽以及平顺岸坡的调整方式。本文中支流來流单宽流量约2.0 m2/s，调整后锚地上游处的宽度由80 m扩宽至120 m，单宽流量由4.3 m2/s降至2.8 m2/s，叠加后可有效地优化锚地处航道的通航水流条件。

4 结语

支流汇入对弯曲河段锚地的水流条件有重要影响，通过物理模型试验分析了支流汇入，提出了改善措施，得出主要结论如下：

（1）平陆运河企石枢纽上游锚地附近的大塘河支流流量约占总流量1/3，锚地处需解决支流入汇段特别是干、支流不利遭遇流量下航行条件问题。

（2）弯曲河段主流偏向凹岸，当锚地布置在凸岸时叠加支流在凹岸一侧汇入时易出现航道水流条件不满足规范要求的情况。可通过凸岸锚地上游拓宽以及平顺岸坡的调整方式降低锚地处的单宽流量，达到降低流速的目的。

参考文献

［1］郝媛媛，普晓刚，李君涛.长沙枢纽船闸下游口门区出口支流入汇段通航条件研究［J］.水道港口，2014，35（4）：399-403.

［2］郭红民，夏修宝，曹光春，等.改善石牌急弯段通航水流条件的河道整治研究［J］.水电能源科学，2015，33（3）：86-88，95.

［3］普晓刚，李 民，李君涛，等.狭窄连续弯道河段航电枢纽平面布置研究［J］.水道港口，2012，33（1）：39-44.

收稿日期：2023-09-16