高陂水利枢纽通航船闸布置优化研究

黄智敏,付 波,陆汉柱,钟勇明,陈卓英

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635;2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

1 工程概况

通航船闸是拦河水闸枢纽工程的重要组成部分，其作用可在拦河闸坝形成水位落差的条件下，确保船只的正常通航。通常，由于受闸址区域河道复杂河势和地形的影响、枢纽各建筑物(如泄水闸、水电站等)布置和运行制约等，船闸上、下游引航道口门区的运行流态和流速分布较复杂。因此，大型拦河水闸枢纽的通航船闸等布置，往往需经过水工模型试验的论证和优化[1-6]。

高陂水利枢纽工程主要建筑物由泄水闸、电站厂房、通航船闸及挡水坝等组成，位于广东省大埔县境内的韩江中游，是以防洪和供水为主，兼顾发电、航运、灌溉、改善下游河道生态等综合效益的Ⅱ等大(2)型工程。枢纽工程正常蓄水位为38.00 m(珠基，下同)，设计洪水频率为100年一遇(P=1%)，校核洪水频率为1 000年一遇(P=0.1%)。

根据工程设计资料[7]，高陂水利枢纽通航船闸规模为Ⅳ级，布置在坝址河道的左岸。船闸设计年通过货运能力为900万t/a，单向通过能力为720万t/a，客运为5万人/a。船闸闸室有效尺度为200 m×18 m×3.05 m(长×宽×门槛上最小水深)，船闸上、下游引航道均采用不对称式平面布置，引航道总长度均为290 m、底宽为40 m；上游引航道底高程为24.15 m，下游引航道底高程为21.15 m(见图1～图2)。

图1 高陂水利枢纽工程平面布置示意

图2 设计方案船闸平面布置示意

通航船闸设计的最大通航洪水标准为10年一遇洪水(P=10%)，相应洪水流量Q=11 130 m3/s。船闸设计的通航水位：上游最高通航水位为38.90 m，最低通航水位为28.00 m；下游最高通航水位为38.69 m，最低通航水位为25.00 m。最大通航流量条件下的泄水闸运行水力参数见表1。

表1 泄水闸运行水力参数

枢纽工程闸址区域河道弯曲和狭窄，闸址处河道宽为300～400 m，河床面高程为24.00～26.00 m；闸址右岸电站的右岸坡往下游河道逐渐收缩，至桩号0+900～1+000处河宽缩窄至约280～300 m。闸址下游河床表层为含砾和含卵石的粗沙层(厚度约10～28 m，中值粒径1.0 mm)，底部为中粗粒黑云母花岗岩。

由于高陂水利枢纽泄水闸泄洪流量大、水头较高、闸址区域河道弯曲和狭窄等，因此，船闸通航的水流条件较复杂。为了优化高陂水利枢纽通航船闸的布置，在该枢纽工程整体水工模型(1:85的正态模型)进行了船闸布置优化的试验研究，整体水工模型河道截取的范围：① 闸址上游河道长为3 km；② 闸址下游河道长为2.5 km[8-10]。

2 船闸上游引航道口门区通航试验

2.1 船闸引航道口门区范围分析

根据文献[11-12]，船闸引航道口门区长度应按设计的最大船舶、船队确定，顶推船队采用2.0～2.5倍船队长，拖带船队采用1.0～1.5倍船队长，2种船队并有时，取大值。Ⅰ～Ⅳ级船闸引航道口门区水面最大流速限值：平行于航线的纵向流速为v1<2.0 m/s，垂直于航线的横向流速为v2<0.3 m/s，回流流速为v3<0.4 m/s。

高陂水利枢纽船闸通航的最大船舶为500 t，船只尺寸为47 m×8.8 m×1.9 m(长×宽×设计吃水)[7]。参考文献[11-12]，选用2.5倍单船船长为其口门区的长度，因此，高陂水利枢纽船闸上、下游引航道口门区的长度约为为117.5 m。

2.2 设计方案上游引航道口门区试验

船闸上游引航道导航墙上游端断面桩号为0-293，其口门区长度约117.5 m，因此，上游口门区河道上游端桩号约为0-410.50。

试验表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各级洪水流量泄流运行时(见表1)，泄水闸上游河道的来流较平顺，船闸上游引航道口门区河道水流也较平顺和平稳，口门区河道水面流速为v<1.5 m/s，口门区河道的流速流向与船闸中心线(航线)的夹角β≤10°，由此可计算得垂直航线的横向流速v2<0.3 m/s(见图3)。因此，上游引航道口门区的流态和流速(v1<1.5 m/s、v2<0.3 m/s、v3<0.4 m/s)可以满足通航的要求。

图3 船闸上游引航道口门区流态和流速分布示意

2.3 优化方案上游引航道口门区试验

由枢纽工程布置可见(见图1)，高陂水利枢纽船闸上游引航道布置在弯曲河道的约弯顶处，船闸纵向轴线与河道左岸线呈25°～30°夹角，当船只进、出上游引航道进、出口时，船只需绕一定角度后，才能进、出上游引航道，给船只通航带来不便。因此，为了便于船只进、出上游引航道，在满足规范规定的引航道直线段总长度的条件下，将上游引航道右导航墙的上游段修改为曲线或折线型导墙，便于船只通航。

《船闸总体设计规范》[11]规定：引航道直线段的总长度(即导航段L1、调顺段L2和停泊段L3之和)L≥(3.5～4)Lc(Lc为单船最大船长)。本工程船闸通航的500 t船只最大船长Lc=47 m，计算得引航道直线段的总长度L=165～188 m。因此，取上游引航道右导航墙直线段长度L=220 m，在其上游端往上游延伸的半径R=400 m的圆弧线上布置12个直径d=1.5 m、弧线圆心距s=6.0 m的圆柱墩(见图4)。

图4 上游引航道右导航墙优化方案布置示意(单位：m)

船闸上游引航道右导航墙优化方案试验表明，在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)及以下各级洪水流量泄流运行时，上游引航道口门区的流态和流速与设计方案引航道口门区的流态和流速相近，可以满足通航的要求，且上游引航道右导航墙优化方案的布置更便于船只通航。

2.4 降低上游引航道右导航墙内、外侧水位差试验

在各级洪水流量泄流运行时，上、下游引航道右导航墙内、外侧产生一定的水位差值，在洪水位淹没上游右导航墙顶之前，泄水闸泄洪流量越大，导航墙内、外侧水位差值相应增大，不利于导航墙结构的安全。在最大通航洪水流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流运行条件下，进行了上游引航道右导航墙内、外侧水位差试验和改进优化。

1) 测试的上游引航道右导航墙(实体导墙)内、外侧水位差值ΔZ约为0.32 m(内侧水位高于外侧水位)，引航道内面流速为v≤0.35 m/s 。

2) 经试验比较，在引航道右导航墙高程为 31.00 m 水平线上开设导流孔，导流孔直径d=1.3 m、孔中心距s=5.0 m，导流孔分布范围为桩号0-033～0-220 (见图5)。

图5 上游引航道右导航墙开孔方案布置示意(单位：m)

洪水流量Q≤11 130 m3/s的泄流运行试验表明，开孔后的上游引航道右导航墙内、外侧水位差ΔZ<0.20 m，引航道内面流速v<0.45 m/s。因此，开导流孔后的上游引航道右导航墙内、外侧水位差ΔZ比设计方案相应降低值大于0.12 m，引航道内面流速增加较小，可以满足船只通航的要求。

3 船闸下游引航道口门区通航试验

船闸下游引航道长度为290 m，泄水闸的下游河道逐渐缩窄，至桩号约0+900～1+000断面区域，河道窄口段的河面宽度约280～300 m(见图1)。船闸下游引航道出口断面桩号为0+545.50，下游引航道口门区长度约117.5 m，则下游引航道口门区的下游河道末端断面桩号约为0+663。

3.1 下游引航道口门区运行试验

3.1.1定床模型试验

1) 在最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流运行时，船闸下游引航道口门区水流较平顺和平稳，受右导航墙布置的影响，口门区为弱回流区，回流流速为v3<0.4 m/s。因此，下游引航道口门区的流态和流速基本可以满足通航的要求(见图6)。

图6 船闸下游引航道口门区流态和流速分布示意

2) 在泄洪流量Q<11 130 m3/s泄流运行时(见表1)，随着泄洪流量减小，下游引航道口门区的回流区范围和回流流速相应减小，下游引航道口门区的流态和流速可以满足通航的要求。

3) 在泄洪流量Q≤11 130 m3/s泄流运行时，测试的船闸下游引航道右导航墙内、外侧水位差ΔZ≤0.20 m(内侧水位低于外侧水位)，引航道内水流较平静。因此，下游引航道右导航墙内、外侧水位差值较小，对导航墙的不利影响相应较小。

3.1.2动床模型试验

泄水闸下游河道动床范围为闸下消力池下游海漫段末端(桩号0+222)至桩号1+600的下游河床(见图1)。动床模型沙选用中值粒径为0.5 mm的塑料沙，河床覆盖层底部基岩(高程为8.00 m以下)采用花岗岩碎石模拟(相应原型不冲流速约为4.5 m/s)[9-10]。动床模型试验表明：

1) 在电站4台机组单独发电运行时，受电站发电尾水的影响，下游引航道口门区水面回流流速为v3<0.35 m/s，口门区航槽区域淤积厚度约为1 m。

2) 在正常蓄水位为38.00 m、闸门开度e≤4.3 m(泄流量Q≤6 700 m3/s)泄流运行时，下游引航道口门区水面回流流速v3<0.4 m/s，口门区航槽区域淤积厚度约为1～2 m。

3) 在泄洪流量Q=9 220(P=20%)～11 130 m3/s(P=10%)泄流运行时，下游引航道口门区水面回流流速为v3<0.4 m/s，口门区航槽区域淤积厚度约为 2～3 m。

因此，船闸下游引航道口门区为低流速的回流区，口门区易产生淤积，严重时会影响船只通航。建议运行期应对口门区河床进行定期监测，并采取适当的防淤和清淤措施，确保船闸的正常运行。

3.2 下游引航道口门区的下游河道通航分析

在泄水闸闸门全开的泄洪流量Q=6 700 m3/s至最大通航流量(P=10%、Q=11 130 m3/s)泄流运行时，测试的下游河道窄口段(桩号0+900～1+400，见图1) 的河道水面流速为v≥2.0 m/s，不利于船只的安全通航，船闸建成运行时应给予充分的注意和重视[8-9]。

4 工程应用

本项目通航船闸上游引航道右导航墙优化方案等试验研究成果得到了工程建设的应用，船闸工程已建成投入运行。目前，船闸的初步运行情况良好，后续的运行情况有待于进一步观察和分析。

5 结语

高陂水利枢纽工程泄洪流量大、水头较高、闸址区域河道狭窄和弯曲，其船闸上、下游引航道口门区水流条件较复杂。通过水工模型试验，测试了船闸上、下游引航道口门区运行流态和流速分布，取得的主要研究成果为：

1) 优化了船闸上游引航道右导航墙的布置，改善了船闸通航运行条件；在船闸上游引航道右导航墙开设导流孔，降低了导航墙内、外侧的水位差，有利于导航墙的安全。

3) 对船闸下游引航道口门区运行流态、通航条件及口门区下游窄口段河道的不利影响等进行了分析。

本文成果已应用工程建设，可供类似工程设计和运行参考。