平陆运河企石枢纽总体布置水力学研究

覃晓凤 张倩 赵红芳

摘要：企石枢纽是平陸运河规划三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。文章采用物理模型试验的方法，对枢纽泄洪消能和通航水流条件开展研究，验证枢纽整体布置方案的合理性。同时，研究得到了泄水闸、中间渠道、溢流堰泄洪消能主要水力参数，明确了大塘河支流和高湖河支流影响下的枢纽通航水流条件，可供类似工程参考应用。

关键词：平陆运河；企石枢纽；泄洪消能；通航水流条件

中图分类号：U612.23 A 13 036 5

0 引言

平陆运河是西部陆海新通道的重要组成，也是珠西流域连接北部湾港的亿吨级水运交通大动脉。平陆运河航道通航技术等级规划为内河Ⅰ级，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。

企石枢纽是平陆运河规划三个梯级中的第二个梯级，以航运为主，兼顾防洪等综合利用工程。通航枢纽工程重点关注泄洪消能和通航水流条件两大问题，特别是对于支流汇入等不利条件下的水流条件评估是有必要的。

研究表明，支流汇入角和汇入比对于水流条件起到控制作用，可采用导流筑堤和疏浚引流的整治措施改善水流条件［1］。企石枢纽上游作为典型的宽浅型河道，业界对于泄流能力优化已有较为深刻的认识，当泄水建筑物的总宽度相对于河道宽度较小时，可以考虑在泄水建筑物的两侧修建圆弧型导墙，以更好地衔接水流［2］，且宽浅型水库水位差异可对泄流能力产生明显的影响［3］。低水头闸坝工程与上游河床高差和淹没度影响显示，降低上下游床面高程、调整坝轴线使其与河势走向垂直、航电分岸运行等是增加低闸枢纽泄流能力的有效措施［4］。广西那吉航运枢纽船闸不同位置泄流能力试验表明，综合流量系数与枢纽整体布置、流量系数与闸孔全开数量有关，且随开孔的减小而增大［5］。万小明等［6］基于峡江水利枢纽过流能力问题，认为闸墩墩头形状及泄水闸与厂房间导墙严重影响泄水建筑物过流能力，应尽量减少导墙的高度与长度，墩头应设计成流线型。

本文采用物理模型试验的方法，就企石枢纽设计方案进行了泄洪消能和通航水流条件试验，针对支流汇入影响下的通航水流条件进行了重点分析，为相关工程提供参考。

1 工程概况

1.1 枢纽总体布置

企石枢纽位于陆屋镇上游5.5 km处，采用集中布置方案，枢纽效果图见图1。枢纽由双线船闸、泄洪闸、放水底孔、连接土坝和副坝组成；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。左岸连接坝长210 m；5×8 m孔泄洪闸，长57 m；双线船闸及两侧省水池长314.7 m；船闸右岸连接坝长179 m；副坝长170 m。企石枢纽为一等工程，主要建筑物按2级设计，其他次要建筑物按3级设计。枢纽校核洪水重现期采用2000年一遇标准，设计洪水重现期采用100年一遇标准。

企石枢纽双线船闸布置在旧州江裁弯取直段，上游引航道位于河道右岸，主体结构及下游引航道位于河道左岸，上闸首为枢纽挡水建筑物组成部分。双线船闸由上、下闸首及闸室，上、下游引航道，上、下游待闸锚地组成，船闸有效尺度为300 m×34 m×8 m（长度×宽度×门槛水深），船舶进、出闸采用曲线进闸、直线出闸的过闸方式。上、下游主导航墙均采用具备导航和调顺功能的曲线导航墙，导航墙的型式为半径300 m、圆心角9.46°的圆弧接y=x/6的直线，调顺段长度为202 m。船闸停泊段长325 m，船闸直线段总长为1 454 m。上、下游船闸引航道与泄洪闸引水渠间分别设置125 m及160 m隔流堤作为制动段，减少泄洪闸运行对船舶航行的影响。双线船闸采用共用引航道布置，上、下游引航道宽度均为167 m，均通过一段转弯半径为1 000 m的圆弧与主航道衔接，转弯角度分别为27°和3°。枢纽整体布置见图2。

泄洪建筑物位于船闸左侧中位省水池的左侧，其中心线距中位省水池左边线32.5 m。泄洪建筑物由进水渠、泄水闸、明渠、溢流堰、出水渠组成，引水渠底高程由26.50 m降至25.50 m。泄水闸位于坝轴线上，采用开敞式平底闸，闸室沿坝轴线长57 m，顺流向长度35 m，堰顶高程25.5 m。闸顶高程39.5 m，设5孔，单孔净宽8 m，泄水闸剖面图见图3。其后接明渠，明渠总长775 m，渠底宽54 m，明渠前部为长44.5 m、深2.5 m的消力池，长30 m的混凝土护坦以及长105 m的柔性海漫，柔性海漫上游高程24.0 m，渐变至下游高程为19.0 m。明渠末端设溢流堰，堰顶高程25.5 m，以涌高明渠水深，减小流速，防止中间渠道冲刷。溢流堰长40 m、净宽54 m，后接长41.0 m、深0.5 m的下挖式消力池，其后接长50 m的混凝土护坦，在出水渠底高程为0.50 m，与船闸下游引航道衔接。

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

1.2 枢纽特点

企石枢纽上游锚地距离泄水闸约2.5 km，锚地右侧受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的1/3，锚地通航水流条件较为复杂。枢纽下游高湖河支流与运河河道汇口位于下游口门区，直接影响到口门区通航水流条件；枢纽5年一遇工况叠加高湖河支流20年一遇工况，支流流量约占总流量的1/5，因此，高湖河来流的消能布置是影响口门区水流条件的关键。正常蓄水位枢纽上游水深9 m，水深相对较浅，上游口门区及连接段位于弯道由窄变宽区域，水流条件较为复杂。

2 模型布置与试验工况

2.1 模型布置

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。由于上游大塘河支流流量较大会影响锚地，下游高湖河支流汇入口门区消能问题突出，需在整体模型中进行精细化模拟（见下页图4），因此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，以及大塘河支流和高湖河支流（见下页图5）。模型基于弗劳德相似准则设计，比尺为1∶80，包括水泵、进水系统、模型试验段和回流系统等。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。

试验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。船模测试系统由激光发射、接收装置、信号转换器和计算机组成，可实时测量船模航行的航迹线、漂角、航速和操舵过程等，同时进行数据处理，获取所需的船模航行参数。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。

2.2 试验工况

企石枢纽整体物理模型泄水闸试验工况为P=1%（设计洪水位）、P=0.05%（校核洪水），船闸通航水流条件及自航船模试验工况为P=5%、P=10%、P=20%，如表1所示。大塘河支流口20年一遇流量为141.2 m3/s，对应下游航道水位（5年一遇）为35.06 m；高湖河支流口20年一遇流量为158 m3/s，对应下游航道水位（5年一遇）为15.86 m。

3 枢纽水力学试验成果

模型实测泄流能力试验成果列于表2。闸门开度采用的是5孔均开方案，由试验结果可知，2000年一遇（洪时频率为0.05%）、泄洪流量为2 370 m3/s的试验工况，模型实测上游水位为36.52 m；各试验工况下，溢流堰流量系数介于0.45～0.48，满足设计要求。

3.2 枢纽河道流态与流速分布

2000年一遇工况下，上下游河道流态整体平顺，上下游锚地处的水流流态如图6所示；由于洪水期锚地主要用于安全系泊船只，因此对于洪水期锚地水流流速的评估是重要的。观测显示，上游锚地处最大流速为1.96 m/s，靠船墩处存在局部回流，最大回流流速＜0.20 m/s；泄水闸上游渠道进口处的平均流速约为1.3 m/s。下游锚地为回流区，锚地处最大流速为0.85 m/s，最大回流流速为0.28 m/s；泄水闸下游渠道出口处的平均流速约为1.7 m/s。因此，2000年一遇工况下，上下游锚地流速分布满足船舶停泊要求。

2000年一遇试验、闸门全开泄洪工况下，上游渠道内流速分布较为均匀，上游渠道实测最大流速为3.64 m/s，水闸进口受边界收缩影响，流速增大，最大流速5.56 m/s，水流出闸最大流速为10.88 m/s，消力池尾坎最大流速为6.68 m/s；下游中间渠道存在明显的偏流，主流偏向挡水墙侧。从纵向流速分布可见，水流在下游护坦中部起沿水深一直呈底部小、表层大的分布态势，表明消力池消能效果较好。中间渠道底部最大流速为3.99 m/s，中间渠道设计防冲流速为2.3 m/s，偏小。

100年一遇闸门局开试验工况下，上游渠道内流速分布较为均匀，上游渠道实测最大流速为2.45 m/s，进、出闸平均流速分别为3.33 m/s、11.28 m/s，出闸最大流速为11.68 m/s，消力池尾坎最大流速为5.31 m/s；下游中间渠道仍存在明显的偏流，主流偏向挡水墙侧，渠道内实测最大流速为3.34 m/s。水流在下游护坦中部起沿水深呈底部小、表层大的分布态势，表明消力池消能效果较好。实测中间渠道底部最大流速为2.02 m/s。

3.3 枢纽中间渠道水面线

水面线是评估中间渠道边墙高度的重要指标，中间渠道两侧边墙的高度拟定为34 m，进行了不同工况的水面线观测，如表3所示。各试验工况下，水流流态平稳，下游水面衔接平顺。2000年一遇试验工况下，下游中间渠道内平均水位为33.33 m，平均水深为14.33 m；100年一遇试验工况下，下游中间渠道内平均水位为31.30 m，平均水深为12.30 m；20年一遇试验工况下，下游中间渠道内平均水位为30.02 m，平均水深为11.03 m；10年一遇试验工况下，下游中间渠道内平均水位为29.37 m，平均水深为10.37 m；5年一遇试验工况下，下游中间渠道内平均水位为28.53 m，平均水深为9.53 m。

3.4 枢纽通航水流条件

企石枢纽通航水流条件主要关注上下游锚地及口门区，特别是5年一遇工况大塘河支流影响下的上游锚地和高湖河支流影响下的下游口门区。

五年一遇工况下（Q=503 m3/s，包括大塘河来流141.2 m3/s），上游锚地处流速分布见图7所示。由图可知，上游锚地处基本无回流，锚地内最大流速为0.40 m/s，最大横向流速为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，最大横向流速为0.15 m/s，平均横向流速为0.07 m/s，整体流态基本平顺。枢纽下游右侧航线口门区受高湖河来流影响，从整体流态和流速分布看，高湖河支流消能效果较好，对口门区航线几乎无影响。

表4列出了各通航流量条件船闸上游引航道通航水流条件。由表4可知，枢纽上游导航调顺段、停泊段基本为静水，制动段的流速也较小；P=5%和P=10%工况下，口门区及连接段最大横向流速分别为0.29 m/s和0.27 m/s，接近规范要求的最大值，主要原因在于企石枢纽的特点是上游水深较浅，口门区及连接段位于弯道由窄变宽区域，另有上游导流堤分隔泄水闸上游渠道和引航道，隔流堤的堤头绕流引起部分测点的横向流速偏大。

表5列出了各通航流量条件下，船闸下游引航道的通航水流条件。由表5可知，枢纽下游导航调顺段、停泊段、制动段基本为静水；口门区及连接段P=5%工况最大流速为0.50 m/s，横向流速为0.11 m/s。锚地处P=20%工况下游引航道口门区受高湖河来流影响，最大流速为0.39 m/s，最大横向流速为0.09 m/s，进一步验证了高湖河支流多级跌水消能的有效性。

4 结语

企石枢纽作为平陆运河重要的梯级枢纽工程，采用物理模型试验的方法分析了枢纽泄洪消能和通航水流条件，论证了总体布置的合理性，结果表明：

（1）泄水闸泄流能力满足设计要求，各泄洪工况泄水闸、中间渠道和溢流堰总体运行流态良好。泄水闸进闸水流平稳，消力池内水跃稳定；中间渠道和溢流堰泄流平稳，下游水流纵、横向扩散充分。上游渠道内流速分布较为均匀，消力池和溢流堰下游消能效果良好。

（2）枢纽上游锚地处的大塘河支流和下游口门区附近的高湖河支流是影响枢纽通航水流条件的关键。枢纽5年一遇工况大塘河支流占总流量近1/3的条件下锚地处水流条件满足通航要求；高湖河支流采用多级跌水，消能效果良好，下游口门区水流条件满足通航要求。

参考文献

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收稿日期：2023-10-08