平陆运河青年船闸通航水流条件优化方案研究

李恒昌 段君邦 冯仲林 凡明杰 徐俊锋

摘要：文章采用正态1∶100物理模型试验的研究手段，分析平陆运河青年船闸工程设置隔离墩、隔流墙对通航水流条件的改善作用，从而优化青年枢纽船闸布置方案。研究表明：受地形条件及船闸平面布置制约，船闸平面布置方案一在船闸上、下游最大通航流量为1 000 m3/s时，日径流保证率为99.64%；基于平面布置方案一优化后的方案二，上游最大通航流量也为1 000 m3/s，其下游最大通航流量则提高到1 200 m3/s，日径流保证率升高至99.76%。

关键词：平陆运河；青年船闸；水流条件；试验研究

中图分类号：U641.2 A 10 025 3

0 引言

平陆运河连通西江水系和北部湾国际门户港，是联系西江经济带和北部湾经济区的新纽带，运河的建设对完善国家高等级航道网、促进综合交通运输体系发展、加快交通强国建设，落实形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局具有重大意义。青年船闸工程为平陆运河最后一座梯级，该河段河道狭窄弯曲，主河道宽度仅百余米，且两岸低山、沟壑密布，地形复杂，水闸下游约20 km为出海口，受潮流影响大。由于枢纽平面布置影响因素众多，需充分论证通航水流条件的合理性［1-3］。根据《渠化工程枢紐总体设计规范》（JTS 182-1-2009）第5.1.9条规定：“Ⅰ～Ⅳ级航道上的渠化枢纽应进行枢纽总体布置水工模型试验，必要时应进行泥沙模型试验和船舶模拟试验。”《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）第5.3.11条规定：“Ⅰ～Ⅳ级船闸和水流泥沙条件复杂的Ⅴ～Ⅶ级船闸的布置，宜通过泥沙、水流物理模型或数值模拟研究确定。”《内河通航标准》（GB50139-2014）第4.2.3条规定：“对重要的船闸和布置在水流泥沙条件复杂河段的船闸，应通过模拟试验研究确定船闸工程的布置。”［4-5］平陆运河属于渠化枢纽工程，航道和通航建筑物等级均为Ⅰ级，按规范和标准要求需开展物理模型试验，分析设置隔离墩、隔流墙对通航水流条件的改善作用，为工程建设提供技术支撑［6］。

1 概况

青年枢纽由双线船闸、泄洪闸、电站、连接坝和鱼道组成。双线船闸布置在左侧低山丘陵区域，由上、下闸首，闸室，上、下游引航道和上下游锚地等组成，船闸有效尺度为300 m×34 m×8 m（长度×宽度×门槛水深）。双线船闸采用共用引航道布置，船闸船舶进、出闸采用曲线进闸、直线出闸的过闸方式，上、下游引航道等宽。连接段航道沿左岸山体布置，下游引航道末端建有沿海铁路桥。为改善上游引航道与泄洪闸分流口和下游引航道与泄洪闸下游汇流口通航水流条件，分别在上、下游右侧制动段外侧设置隔流墩和隔流墙。

2 模型设计

根据试验目的、模型范围及试验场地条件，确定模型平面比尺1∶100，因船模试验需要，模型必须为正态［7］。

3 物理模型试验

3.1 布置方案一

为改善上游引航道与泄洪闸分流口和下游引航道与泄洪闸闸下汇流口通航水流条件，分别在右侧堤头以上约120 m范围内布置3个导流墩，导流墩长度为20 m、间距为20 m、顶高程为9.5 m。在下游布置隔流墙，长117 m，采用透空形式。见图1。

3.1.1 方案一上游口门区及连接段通航水流条件

在船闸上游口门区右侧堤头以上120 m范围内布设导流墩后，导流墩掩护范围内水流流速较小，横向流速不大。由图2（a）可知，Q=1 000 m3/s时最大横向流速出现位置在上提至堤头以上120～160 m的航道右侧边缘，宽度约为12 m，最大横向流速值为0.43 m/s，其他位置均＜0.3 m/s，通航水流条件基本满足规范要求。随着上游来流量增加，船闸上游流速逐渐加大，如图2（b）所示，Q=1 740 m3/s时，上游口门区附近最大横向流速＞0.6 m/s，超过规范要求，通航水流条件变差。

3.1.2 方案一下游口门区及连接段通航水流条件

船闸下游透空隔流墙挑流作用明显，主流位于右岸侧非通航区，加之透空隔流墙过流后，隔流墙内外水位基本一致，口门区范围内存在三个小范围回流区，回流强度＜0.4 m/s，下泄水流向口门区内扩散现象明显减弱，口门区内横向流速明显减小。如图3（a）所示，Q=1 000 m3/s时，下游口门区内流速基本＜0.25 m/s，透空隔流墙附近局部区域最大横向流速＜0.35 m/s，且超标范围很小，其他区域基本＜0.3 m/s，通航水流条件基本满足规范要求。随着来流量增加，如图3（b）所示，Q=1 740 m3/s时，通过透空隔流墙进入口门区的水流明显增加，隔流墙附近流速增加较大，最大横向流速＞0.4 m/s，且范围较大，通航水流条件变差。

试验表明，受地形条件及船闸平面布置制约，船闸平面布置方案一船闸上、下游最大安全通航流量为1 000 m3/s。

3.1.3 存在的问题

（1）上游船闸口门区附近河道较窄，口门区航道与河道等宽，上游来流全部从口门区通过，在弯顶处汇出。方案一布置导流墩位置靠上游分流点太近，口门区水流与航道交角接近30°，导致流量较大时，口门区水流流速＞0.6 m/s，横向流速分量大于0.3 m/s的限值。

（2）下游船闸口门区附近水面宽200 m左右，主流沿右岸侧河道下泄。在1 000 m3/s以下流量时，水流向口门区内扩散现象不明显；在1 000 m3/s以上流量时，水流向口门区内扩散现象明显加剧。方案一布置隔流墙偏短，不足以掩护整个下游口门区连接段通航水域。

3.2 布置方案二

3.2.1 优化措施

针对方案一存在的问题，船闸平面布置方案二在方案一基础上进行针对性优化：

（1）将船闸轴线以枢纽下游钦江双线特大桥处弯曲段航道为支点，将双线船闸轴线离河侧摆动1°（受两岸地形限制摆动幅度最大不允许超过1°），使更多的水流从原河道下泄。

（2）右汊天然河道在方案一基础上开挖，开挖后河道底高程为0 m（增加原河道过流能力）。

（3）上游右侧制动段外侧设置隔流墩，共布设隔流墩2个（减少导流墩个数，将汇流点向下游移动），每个导流墩尺寸长为24 m×高程9.5 m×宽2 m，间距为20 m，隔流墩伸出堤头长度为40 m，将下游隔流墙透空框孔降低（降低透水率，掩护口门区），顶高程为-2.7 m，长度加长，总长度为225 m（增加挑流长度，掩护下游连接段通航水域）。

3.2.2 方案二上游口门区及连接段通航水流条件

口门区右侧堤头减少导流墩后，导流墩掩护范围内水流流速明显减小，横向流速相应减小。如图4（a）所示，上游来流量Q=1 000 m3/s时，口门区连接段流速＜1.5 m/s，但船闸上游堤头附近水流与航道交角较大，堤头以上航道边缘局部较小区域横向流速＞0.3 m/s，最大横向流速为0.35 m/s，口门区通航水流条件基本满足规范要求。

当流量达到Q=1 200 m3/s时，口门区附近流速＜1.81 m/s，船闸上游堤头附近水流与航道交角在30°左右，导致口门区堤头附近航道横向流速较大，最大横向流速为0.52 m/s，横向流速＞0.3 m/s的范围约166 m长、28 m宽，改善效果有限，见图4（b）。

3.2.3 方案二下游口门区及连接段通航水流条件

船闸下游降低透空孔高度后，透空作用明显减弱，船闸下泄水流在隔流墙作用下，主流位于右岸侧非通航区，加之隔流墙透空后，墙内外水位差并不大。如图5（a）所示，下游来流量Q=1 000 m3/s时，口门区连接段流速＜1.6 m/s，横向流速＜0.3 m/s，口门区通航水流条件满足规范要求。由图5（b）可知，Q=1 200 m3/s时，口门区附近流速＜1.0 m/s，船闸下游隔流墻末端以下350 m附近水流与航道交角在30°左右，导致航道横向流速稍大，但最大横向流速≤0.35 m/s，口门区连接段通航水流条件基本满足规范要求。随着来流流量增加，船闸下游流速逐渐增大。Q=1 740 m3/s时，通过透空隔流墙进入口门区的水流明显增加，隔流墙下游弯道处流速增加较大，最大横向流速＞0.35 m/s，左侧航线内流速＜2.0 m/s，且横流基本＜0.3 m/s，满足船舶单线通航，右侧航线内横超标区域较大，不满足船舶航行要求，见图5（c）。

受地形条件限制，优化后的方案二，上游最大通航流量为1 000 m3/s，下游最大通航流量1 200 m3/s，日径流保证率升高至99.76%。

4 结语

采用物理模型试验分析平陆运河青年船闸工程设置隔离墩、隔流墙后对通航水流条件的改善作用，尽量合理提高青年枢纽在工程可行性研究阶段确定的通航流量。通过测定枢纽不同下泄流量条件下，船闸上、下游引航道口门区及连接段的流速分布与流态变化情况，依据船闸上、下游引航道通航水流条件试验结果，采取工程措施方案尽可能改善了通航水流条件。研究结果显示，平面布置方案一在船闸上、下游最大通航流量为1 000 m3/s时，日径流保证率为99.64%，平均每年无法通航的天数＜1.5 d。受地形条件限制，基于平面布置方案一优化后的方案二，上游最大通航流量也为1 000 m3/s，其下游最大通航流量则提高到1 200 m3/s，日径流保证率升高至99.76%。

参考文献

［1］曾 方.长江东溪口航道整治船模通航试验研究［J］.水运工程，2017（2）：71-76.

［2］陈野鹰，李兴亮，刘志敏.库区连续急弯段的通航水流条件研究［J］．水道港口，2016，37（5）：520-523.

［3］蔡 创，蔡新永.基于小尺度船模技术的小半径回头弯曲航道试验研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2019，38（12）：81-85.

［4］周杨艾竹.自航船模航行轨迹测量方法研究［D］.重庆：重庆大学，2018.

［5］刘晓平，郑 斌，乾东岳，等.一种通航船模试验航行过程重现方法［P］.中国：CN201210533947.X，2013-03-20.

［6］徐俊锋，张 明，于广年.青年船闸通航水流条件及船模航行试验研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2023.

［7］GHAEMI R.OH S.SUM J.Path following of a model ship using Model Predictive Control with experi mental verification［C］.Proceedings of the 2010 American Control Conference，2010.

［8］SHEN Haiqing，HASHIMOTO H.MATSUDA A，et al.Automatic collision avoidance of multiple ships based on deep Q-learning［J］.Applied Ocean Research，2019（86）：268-288.

收稿日期：2023-10-08