嘉陵江船闸透空式导航墙的研究及应用

王 玮,卢文蕾

（四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都610017）

嘉陵江船闸透空式导航墙的研究及应用

王 玮,卢文蕾

（四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都610017）

在嘉陵江航电枢纽建设中，研究并采用了透空式导墙结构型式，较好地解决了船闸引航道及其口门区存在的通航水流条件问题。文中以嘉陵江金溪船闸为例，通过整体水工物理模型试验，研究了引航道导航墙不同结构型式对口门区水流条件的影响和透空式导航墙的开孔尺度和布置。总结了船闸引航道透空式导航墙的适用条件、选型及注意事项等。

船闸；透空式导航墙；整体水工模型；试验研究；应用；嘉陵江

在山区河流中，受枢纽所在河段两岸地形的限制以及枢纽其他建筑物布置的影响，船闸引航道建筑物平面布置的调整余地不大。当口门区的通航水流条件较难满足船舶航行要求时，无法通过改变建筑物的平面布置来改善，此时就需要从改变引航道建筑物的结构型式入手［1-3］。嘉陵江梯级开发建设过程中，多数船闸引航道建筑物都采用了透空式导墙的结构布置，取得良好的工程效果［4］。

本文以嘉陵江金溪船闸工程为依托，通过整体水工模型试验，研究了实体导墙和透空导墙对通航水流条件的影响，以及透空导墙不同开孔长度、方向和高度条件下通航水流条件的变化情况。并列举了嘉陵江几座船闸对透空式导航墙的研究及应用实例。在此基础上，总结了船闸引航道建筑物透空式导航墙的适用条件、选型及注意事项等，可为山区河流类似船闸工程建设提供参考。

1 嘉陵江透空式导航墙研究［5］

1.1 依托工程概况

依托工程为嘉陵江金溪航电枢纽，该枢纽位于嘉陵江干流中游，枢纽建筑物从左至右有：左岸接头坝、船闸、溢流坝、19孔泄洪闸、冲砂廊道、厂房及右岸接头坝，枢纽平面布置见图1。金溪船闸上游最高通航水位为枢纽正常挡水位310.00m，上游最低通航水位为304.00 m，下游最高通航水位为305.62m，下游最低通航水位为292.70m。

1.2 研究的内容和方法

（1）通过上引航道外导墙5种结构方案的试验，分析研究实体和透空以及不同型式的透空对上引航道内水流条件的影响。

（2）通过下引航道外导墙4种结构方案的试验，分析研究实体和透空以及不同型式的透空对下引航道内水流条件的影响。

（3）通过船模试验分析上、下引航道导墙的结构型式对上、下引航道内水流条件以及船舶航行安全的影响。

1.3 上引航道外导墙结构型式对水流条件的影响

（1）上引航道外导墙不同结构型式。

为减小上引航道内的回流区域，消除在外导航墙附近存在的绕流和往复流态的影响，对上引航道外导墙作了5种方案的研究，其中方案一为实体重力式；方案二～方案五均为透空式结构。透空结构孔的中心距10m、透空高程295.27～308.5m，孔宽分别为8 m、6.6m、5.5m和3.7 m，孔轴线与墙纵轴线的交角分别为90°、60°、45°和30°，交角为顺时针方向。上引航道外导航墙不同结构型式及布置见图2。

图2 金溪船闸上引航道外导墙不同结构型式图Fig.2 Different structure forms of outer guide wall for upper approach channel of Jinxi shiplock

（2）上引航道外导墙不同结构型式的通航水流条件。

模型试验结果表明，上引航道口门区流速、流态与外导墙直线段的透空范围及透空方式有一定关系。当透空范围越小，则内导墙堤头处的绕流强度越强，上引航道内的往复流强度越大，引航道口门内的横流越弱；当透空范围相同情况时，透空孔轴线与外导墙轴线的夹角越小，则外导墙堤头处的绕流越强，上引航道内的往复流强度越大，口门区的横流越弱。

综合试验结果，结合金溪枢纽的具体布置情况，船闸上引航道外导墙的透空型式推荐采用方案四。

1.4 下引航道外导墙结构型式对水流条件的影响

1.4.1 实体外导墙

船闸下引航道内导墙为主导航墙，呈直线布置，总长441m；外导墙为辅导墙，采用实体重力式结构，总长180m，其中扩展段长100 m，直墙段长80 m。下引航道外导墙平面布置见图3。

（1）通航水流条件。试验测定了各级通航流量下，下引航道外导墙堤头范围和引航道的纵横流速情况，结果表明：在Q≤8 000 m3/s的各级通航流量下，下引航道的纵向流速、横向流速和回流流速除个别点以外，均基本满足要求；当流量Q=10 000m3/s和14 500 m3/s时，下引航道尾端外侧边缘，纵向流速分别达2.59m/s和2.67 m/s，下引航道左侧主导航墙边缘最大回流流速分别达到0.71 m/s和0.82 m/s，且回流区域较大，易形成泥沙淤积。

（2）船模试验。试验结果可见，船队进闸上行和下行的难度随流量的加大而加大。在Q=14 500 m3/s时，船队上行的最大舵角已接近试验安全限值，在谨慎驾驶的情况下，船队可通过连接段和口门区自航驶入引航道。船队下行的最大舵角已超过试验安全限值，操纵难度较大。

1.4.2 不同透空型式外导墙

下引航道外导墙选用4种不同的透空型式，4个方案的孔中心距均为10m，透空高程都在289.70～302.40m，孔宽和孔轴线与墙纵轴线的交角各方案有所不同。其中方案一孔宽8 m、孔轴线与墙纵轴线垂直；方案二孔宽6.6m、孔轴线与墙纵轴线呈60°；方案三孔宽5.5m、孔轴线与墙纵轴线呈45°；方案四孔宽3.7 m、孔轴线与墙纵轴线呈30°，交角均为逆时针方向。4种方案的布置见图3。

从船闸下引航道外导墙直线段采用不同透空型式布置的试验结果看，透空高程为289.70～302.40m，透空孔宽5.5～6.6m，透空孔轴线与导航墙纵轴线的交角呈45°～60°（逆时针方向）的情况，可以较为有效地解决下引航道回流流速较大的问题，有利于减少下引航道内的泥沙淤积，对改善下引航道的通航水流条件是较可取的一种布置方案。

1.5 实体结构与透空结构外导墙对比

通过对上、下引航道外导墙实体式结构和透空式结构型式的试验研究，可以看到，透空结构方案可以有效地改善水流流态，特别在大、中洪水流量时，基本消除了上下引航道外导墙堤头附近所出现的绕流流态，以及主导墙和辅导墙边缘所存在的不稳定往复流态，调顺了口门区的水流流向，并压缩或消除了回流区域。船模试验也反映出了船舶航行的各项参数指标得到改善，如航程减短，航速加大，舵角减小等，充分显示了透空式结构有较大的优越性。

图3 金溪船闸下引航道外导墙不同结构型式图Fig.3 Different structure forms of outer guide wall for lower approach channel of Jinxi shiplock

2 透空式导航墙在嘉陵江船闸工程中的应用

2.1 红岩子船闸［6］

红岩子枢纽位于嘉陵江干流中游，在工程前期研究和设计过程中，为改善船闸上引航道口门区通航条件，对上引航道外导航墙的结构型式进行了研究。

（1）外导航墙两种透空结构方案。外导墙两种透空结构分别为支柱式和支柱薄板式。支柱式是完全透空，水流受导墙的影响较小，利于泄洪及排沙，但引航道内水流条件较差，船舶进出较为困难。支柱薄板式是在距引航道设计底高程4.7 m以上加一挡板阻挡表面水流，使上部水流趋于静水，利于通航，离地面4.7 m的范围内支柱透空，使底部畅流，带走进入引航道的泥沙。支柱式与支柱薄板式结构如图4所示。

（2）两种透空结构方案的效果研究。通过整体水工模型试验对支柱式和支柱薄板式两种结构的水流条件进行了研究，结果表明，采用支柱薄板式结构，引航道内的纵向流速和横向流速都相对较小。设计最高通航流量17 500m3/s时，支柱薄板式的最大横向流速（口门靠河心处）为0.6m/s，最大纵向流速为4.0 m/s；而支柱式在该处的最大横向流速为1.4 m/s，是支柱薄板式的2.33倍；最大纵向流速为4.6 m/s，是支柱薄板式的1.15倍。

可见，支柱薄板式结构可较好地解决上引航道外导墙对水流的挑流作用，改善引航道内及口门区的水流条件，有利于船舶的安全通行。

2.2 新政船闸［7-8］

（1）上引航道设计方案及其通航条件。

新政枢纽位于嘉陵江干流中游，其上游即为红岩子枢纽。在新政船闸设计方案中，上引航道内导墙为主导墙，长240 m。外导墙为辅导墙，长180 m，其中扩展段长90 m，直线段长90 m，口门宽40 m（图5）。内、外导墙均采用实体重力式结构。为优化船闸总体布置，开展了整体水工模型试验研究。

模型中试验了各种水库运行方式下船闸上引航道的水流条件，试验结果表明，在流量Q≥8 000 m3/s后，由于泄洪闸下泄流量增大，上引航道口门区水流向泄洪闸一侧偏转，特别是在上引航道外导墙附近流线急剧弯曲，出现较为明显的绕流流态，使该处横向流速达0.5～0.6m/s，不利于船舶安全进出闸；另外随着流量的增大，上引航道及连接段最大纵向流速已接近2.5m/s，不能满足安全通航的要求。

图4 红岩子船闸上引航道外导墙支柱式和支柱薄板式结构图Fig.4 Pillar and pillar-sheet structure drawing of outer guide wall for upper approach channel of Hongyanzi shiplock

图5 新政船闸上引航道设计方案Fig.5 Design plan of upper approach channel of Xinzheng shiplock

（2）上引航道建筑物修改方案及其通航条件。

修改方案是将实体重力式内主导墙长度由240 m减短为120 m，并增设6个导流墩，其中心距为20m，以拓展水域，增大过流面积，改善通航水流条件；同时，将外导墙长度由180 m增加至210m，其中实体重力式结构长150m，透空墩柱承台式结构长60 m，以分散引航道口门处水流，调顺水流流向。修改方案见图6。

图6 新政船闸上引航道修改方案Fig.6 Revised plan of upper approach channel of Xinzheng shiplock

试验结果表明：修改方案有效地改善了大、中流量下船闸上引航道外导墙堤头附近的流态，减小了横向流速。当流量Q=8 000 m3/s和17 900 m3/s时，在上引航道口门附近区域最大横向流速已由设计方案的0.53 m/s和0.62 m/s分别降低到0.28 m/s和0.43 m/s。可见，采用透空式结构对改善上引航道通航水流条件有一定的实际效果。

由船模试验可知，当流量Q≤12 100m3/s时，只要操纵得当，船队可顺利从船闸引航道驶出上行通过上引航道口门区和连接段，或顺利地下行通过连接段和口门区驶入引航道。

2.3 凤仪船闸

凤仪枢纽位于嘉陵江干流中游，四川省南充凤山乡境内。凤仪枢纽所在河段为微弯河段，该河段河床宽约600 m，左右两岸岸坡均较陡，河床形态呈U形断面。枢纽从左至右依次布置有左岸挡水坝、电站厂房、3孔冲沙闸、19孔泄洪闸、船闸及右岸挡水坝等建筑物。

下游引航道宽为40 m，按向河心侧扩展方式布置，其中下引航道内墙为主导航墙，长160 m，外导航墙为辅导航墙，辅导航墙扩展段与直墙段长分别为90 m和70m，扩展段采用圆弧型曲线（图7）。

模型试验研究发现，凤仪船闸下引航道设计方案在中小流量情况下，受河床地形条件的影响，电站尾水和冲砂闸下泄的水流直冲下引航道口门区外导墙岸壁，造成口门区回流流速较大，流态较差，下引航道口门区及连接段流速分布极不均匀，纵横向流速均不能满足现行技术标准的要求。通过采取对下游河道实施大范围的开挖整治和在下引航道扩展段导航墙上设置3 m×2 m的底孔（底孔高程与下引航道底高程齐平，方向与外导墙弧型垂直）的工程措施，有效地调顺了坝下游水流流向，使得下引航道口门区的回流区域及回流流速都有较大的减小，流速向均匀化方向发展。说明下引航道外导墙采用开孔的结构布置，对下引航道口门区及连接段的流速分布，降低回流流速，改善通航条件具有较明显的效果。

图7 凤仪船闸下引航道结构布置图Fig.7 Sketch of lower approach channel of Fengyi shiplock

2.4 小龙门船闸

小龙门枢纽位于嘉陵江干流中游，下距南充市区约6 km。小龙门所在河段为相对顺直河段，地势较平缓。该河段枯水河宽约400m，洪水河宽达1 000m以上。枢纽从左至右依次布置有左岸接头坝、电站厂房、泄洪冲沙闸、船闸、右岸接头坝。

据水工模型试验，嘉陵江小龙门船闸上引航道原方案由于伸入河床太多，在堤头部分产生挑流作用，横向流速过大，在流量Q＞6 500 m3/s以后的各级通航流量，泄洪闸敞泄情况下，口门区纵横向流速均全面超标，无法满足设计船队安全进出闸的要求。因此对原设计方案进行了调整，通过适当减小外导墙的长度，将上引航道主导墙由385 m缩短至190 m，调整辅导墙扩展段圆弧半径，加长辅导墙直线段长度并对堤头直线段采取透空结构型式，在外导墙的中部58 m范围内，设置8个3 m×6 m的底孔，底孔与上引航道底高程齐平，与外导墙呈64°夹角。修改后上引航道内的流速分布趋于均匀，缓流区水域扩大，通航条件有明显改善。

嘉陵江小龙门船闸上引航道结构布置见图8。

图8 小龙门船闸上引航道结构布置图Fig.8 Sketch of upper approach channel of Xiaolongmen shiplock

2.5 草街船闸［9］

草街枢纽位于嘉陵江干流下游，重庆合川市草街镇。嘉陵江在此纳涪江、渠江入汇，有一闸锁三江之势。枢纽布置在牛鼻孔、象鼻子和草街3个连续弯道上。枢纽从左至右依次为船闸、电站主副厂房、冲砂闸、泄洪闸、固定坝段等建筑物。

草街船闸下引航道呈喇叭形对称布置，引航道长约460m，口门宽78m，外导航墙长为340 m，外导墙采用实体重力式结构。

模型试验测试了各种水库运行方式下引航道的水流条件，由实测流速分布可见，在各级水流条件下，引航道口门最大回流流速都超出规范允许值0.4m/s。

针对出现的情况，对设计方案进行了调整，将下引航道外导墙延长至460 m，末端的100 m导墙由实体重力式改为顺水流流向的透空式。开孔顶高程185.0 m，孔宽5.0 m。并将引航道对称型调整为非对称型，口门宽度由78 m减小为65 m，减小了口门迎流宽度。嘉陵江草街船闸下引航道结构布置见图9。

图9 草街船闸下引航道结构布置图Fig.9 Sketch of lower approach channel of Caojie shiplock

模型试验结果表明，由于下引航道外导墙顺流开孔引流较多，增大了引航道内水体的波动。因此对开孔方向进行了调整，将孔口由顺水流向调整为垂直水流方向布置。方案调整后，各级试验流量条件下，下引航道的水流条件大改善，口门区内纵横向流速都在相关技术标准允许范围之内。回流流速除边缘个别点外都在规定的0.4m/s以内。

3 嘉陵江船闸透空式导航墙的应用经验

（1）适用条件。研究成果及工程实践表明，引航道透空式导墙的适用条件主要有：①河面相对较窄，坝轴线位于弯曲河段，河道主流的剪切影响造成引航道口门区横向流速较大，或是弯道的影响，伸出的外导墙影响溢流和电站的引流；②河道流速较大，尤其是河道主流与引航道的夹角较大；③洪枯水位变幅相对较大。

（2）类型的选择。通过对典型工程的研究，对引航道透空式导航墙的类型选择有以下几点认识：①独立墩柱结构适宜布置在引航道的堤头，以调顺口门区的水流条件；承台式结构适宜布置在导航段，用以调整流速，减少淤积。②独立墩柱的开孔方向与船闸轴线的夹角，应大于口门区水流流线与船闸轴线的夹角；其顶高程一般为设计最高通航水位加超高。③承台式的开孔宽度影响口门处的水流条件以及船舶航行的安全，开孔宽度越大，对口门区横向水流的改善越明显，但对纵向流速的影响也越大，对船舶航行的技术要求就越高。④承台式结构的透空顶底高程受口门处水流条件、设计河底高程和地形条件等因素的影响。顶高程需试验论证，底高程一般为设计河底高程。若天然地形较低，为增加透空范围，其底高程也可为原地面高程。⑤船闸在左岸时，承台式墩柱的开孔方向在上引航道宜顺时针方向旋转，在下引航道应逆时针方向旋转。船闸在右岸时则反之。其与船闸轴线的夹角，应大于口门区水流流线与船闸轴线的夹角。⑥上下引航道靠近闸首段，为保证船舶进出闸的安全，宜采用实体式结构。

（3）需要注意的问题。引航道导航墙结构型式的选择受多种因素的制约，影响引航道导航墙结构选型的主要因素包括：枢纽所在河段的河势和水流条件、河道主流与引航道的夹角大小、设计船型的可操纵性、河道的泥沙含量以及淤积范围等等。在选型时应注意以下几方面：①正确分析枢纽所在河段的河势与水势是合理选择结构型式的前提。②透空式结构可有效地减小引航道口门区的横向流速，但加大了引航道内的纵向流速，两种因素同时影响过闸船舶，因此，选型时必须结合船舶的操作性能。③合理确定透空式结构的透空范围、型式、透空部位的高程将直接关系引航道内水流、泥沙条件改善的效果。④引航道导墙结构的布置型式，宜参照同类工程进行选择和布置。当条件复杂时，宜通过模型试验确定引航道导墙结构的细部尺寸。

4 结语

船闸引航道导航墙的结构型式对通航水流条件的影响较大，特别在山区通航河流上修建水电或航电枢纽时，受山区河流特有的地形地貌、水文条件以及枢纽总体布置的影响，可供布置通航建筑物的河段有限，通过改变引航道导航墙或导航堤的平面布置来改善通航条件的措施往往难以实现。嘉陵江船闸工程建设中，采用不同结构型式的透空导航墙，一方面可缩短引航墙长度，减少了枢纽所处河段对选址的约束条件；另一方面，也拓宽了解决引航道口门区通航水流条件的设计思路。透空式结构的应用，有效地改善了引航道及口门区的水流条件、减少了引航道内的泥沙淤积。同时，透空式结构大大减少了工程量，对降低工程造价，提高工程建设的经济效益也有积极的意义。

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Research and application of permeable guide wallof ship lock in Jialing River

WANGW ei,LUWen-lei
(Sichuan Communication Surveying&Design Institute,Chengdu 610017,China)

In order to solve the problems related to navigation flow conditions in entrance area and approach channel of ship locks in Jialing River,permeable guide wall structure was analyzed and utilized.Taking Jinxi ship lock as an example,the influence of different structural types of guide wall on flow conditions in entrance area of ship lock was researched through the over-all hydraulic model test.Also,the scale and arrangement of the holes on permeable guide wall were studied.Then the applicable conditions and selection of permeable guide wall and notes in selecting were summarized.

ship lock;permeable guide wall;over-all hydraulic model;test research;application;Jialing River

U 641.1

A

1005-8443（2013）04-0352-07

2013-03-04；

2013-05-21

王玮（1961-），男，四川省成都市人，高级工程师，主要从事港口航道工程设计工作。

Biography：WANGWei（1961-），male，senior engineer.