韩江南溪新建船闸通航水流条件试验研究

李 艳，张绪进，刘 洋，周 勤，张春泽

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆 400016；2.内河航道整治技术交通行业重点实验室，重庆 400016；3.重庆西科水运工程咨询中心，重庆 400016)

在通航河流上修建航电枢纽后，船闸上下游引航道、口门区及连接段是过闸船舶(队)进出引航道的咽喉。船闸口门区及连接段水流条件的好坏直接关系到船舶(队)能否畅通过坝、安全运行，是枢纽平面布置的关键问题之一。韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程全长约171 km，其中按通航内河1 000 t级船舶标准建设南溪船闸是韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程的重要组成部分。为研究南溪新船闸的平面布置与通航水流条件问题，开展了整体定床物理模型试验[1]，研究船闸上、下游引航道口门区及连接段的通航水流条件，验证确定新建船闸平面布置方案的可行性及改善通航水流条件的措施，并在此基础上对设计方案进行优化试验，提出满足要求的船闸平面布置方案。

图1 工程附近枢纽位置示意图Fig.1 Sketch of the upstream and downstream hub on research river

1 工程概况

韩江南溪桥闸位于广东省汕头市澄海区南溪分流口附近，上距南溪与东溪分流口约0.4 km。现有南溪桥闸自1965年4月建成以来至今已运行约50 a，该闸于2012年被鉴定为四类险闸，须进行重建。目前南溪船闸已不能正常通航。

工程位于韩江潮州供水枢纽下游河网区，东溪上游16.7 km有潮州东溪供水枢纽，东溪下游6.5 km有莲阳枢纽，南溪下游10.3 km有东里桥闸，见图1。目前，南溪桥闸尚无明确的调度规则，仅根据东溪和南溪实际水位情况进行调度。非泄洪期间，按东里桥闸梯级的综合利用需水量要求运行。洪水来临时，在潮州供水枢纽及河口五闸供水体系联合调度原则基础上，为保证东里桥闸安全，南溪桥闸最大过闸流量应控制在1 250 m3/s以内。

为满足韩江三河坝至潮州港航道扩能升级要求及符合南溪桥闸的实际情况，韩江新南溪船闸的总体设计思路是在拆除现有的老南溪桥闸基础上，结合水利部门规划的南溪桥闸重建工程，采取重建南溪桥闸(不含船闸部分)和新建南溪III级船闸方案，船闸布置于左岸，闸室有效尺度220 m×23 m×3.6 m，通行1 000 t级船舶，通航保证率98%。

2 模型设计

模型按重力相似和阻力相似的准则进行设计。选用几何比尺为1：80的正态模型。模拟河道范围包括：东溪河段从南溪分流口以上约2.0 km开始至南溪分流口以下约2.3 km为止；南溪河段从南溪分流口开始至南溪老桥闸以下约2.4 km为止(南溪桥闸上距分流口约0.6 km)，模拟河道总长约7.4 km，见图2。

图2 模型试验研究范围Fig.2 Range of model experimental research

船模试验代表船舶选用1 000 t级内河货船，试验时首先按比尺要求(与水工模型比尺一致)制作船模后在试验水池中进行率定，后用遥控设备操纵船模在水工模型相应航段航行。

根据《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)[2]的规定，船闸上、下游引航道口门区水面最大纵向流速≤2.0 m/s、横向流速≤0.30 m/s、回流流速≤0.4 m/s；引航道导航和调顺段内应为静水区，制动段和停泊段的水面最大纵向流速≤0.5 m/s、横向流速≤0.15 m/s；引航道、口门区宜避免出现如泡漩、乱流等不良流态。

3 原设计方案通航水流条件试验

3.1 平面布置

图3 南溪新建船闸设计方案平面布置Fig.3 Layout of design scheme

新建南溪船闸设计方案下游不占用基本农田，船闸上、下闸首长均为38 m、宽均为47 m，船闸轴线与上游东溪及下游南溪河道斜交，交角分别为50°和48°。上引航道左侧主导航墙采用两段圆弧线，总长254 m。右侧辅导航墙为直线导航墙，长67.5 m。上引航道口门宽58 m。靠船建筑物布置于上游岸边，长220 m，共布置12个靠船墩，可双列停靠6艘1 000 t级船舶。下引航道左侧主导航墙采用三段圆弧衔接的布置形式，总长408 m。右侧辅导航墙为圆弧段，长165 m。下引航道口门宽51 m。靠船段位于下引航道口门下游约910 m，长220 m，共布置12个靠船墩，可双列停靠6艘1 000 t级船舶。设计方案平面布置见图3。

3.2 通航水流条件分析

图4 上引航道船舶进闸情况(设计方案)Fig.4 Situation of ship lock in approach channel (design scheme)

根据试验成果，当东溪上游来流量为Q≤1 754 m3/s(P=90%)时，设计方案新建南溪船闸上引航道口门区的最大纵向流速为0.72 m/s，最大横向流速为0.25 m/s，水流条件基本满足规范要求；当东溪上游来流量分别增大至Q=2 842 m3/s(P=50%)、4 094 m3/s(P=20%)和5712 m3/s(P=10%)，相应的南溪桥闸出闸流量均为Q=200 m3/s，下游莲阳桥闸闸前水位仍按防洪限制2.8 m控制运行时，实测口门区的最大纵向流速依次增加为1.03 m/s、1.32 m/s和1.56 m/s，最大横向流速分别为0.40 m/s、0.55 m/s和0.65 m/s，横向速度明显超标，超标区域主要集中在口门区靠外一侧。结合船模试验，由于设计方案船闸轴线与上游河道交角大，上引航道长度短，进闸船舶一直受到横流下推的影响，船舶难于调整航向并产生横漂，极易碰撞下游导墙，尤其是在船舶直接从上游河道进闸的情况更是如此，见图4。

根据南溪桥闸上、下游枢纽实际运行方式，在东溪上游来流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)等各级流量下，南溪桥闸下泄流量均为200 m3/s，下游东里桥闸均保持2.5 m水位运行。由于下泄流量小，南溪桥闸下游整个河段水流均很平缓，流速总体在0.4～0.6 m/s。实测新建南溪船闸下引航道口门区的最大纵向流速为0.45 m/s，最大横向流速为0.18 m/s。新建南溪船闸下引航道口门区、连接段及停泊段的水流条件均满足规范要求，满足船舶安全进出闸航行要求。

3.3 存在的问题

前述船闸设计方案新建南溪船闸是以不占用下游基本农田为控制条件，结合南溪桥闸重建工程位置的调整与周边环境条件布置而成。该方案船闸布置空间尤其是引航道布置受到很大的限制，船闸轴线与上、下游河道交角大，上引航道短；中大流量时上引航道口门区的横向流速全面超标，船舶几乎无法正常进入上引航道和船闸闸室。为保证南溪下游防洪排涝任务的完成，南溪桥闸实际运行下泄流量很小，最大下泄流流量仅200 m3/s，因此新南溪船闸下引航道口门区及连接段的通航水流条件总体较好。总的来看，新南溪船闸上游航道通航条件为控制条件。

4 修改方案通航水流条件试验

4.1 修改方案平面布置

由于新南溪船闸平面布置考虑了南溪桥闸重建工程的实施，受周边环境条件的影响，船闸布置空间十分有限。参考相关文献并借鉴类似工程经验[3-7]，结合工程自身特点，本文主要从两方面进行优化布置：(1)结合现场条件，在原设计方案基础上，通过调整船闸平面尺度，采用短而宽的船闸闸室，增大引航道尤其是上游引航道的长度及口门宽度，从而有效改善船舶进出闸条件；(2)考虑下引航道可少量占用基本农田，将船闸位置整体向左岸岸坡适当移动，船闸轴线向东溪上游适当偏转，以增加上引航道的长度，减小上引航道与上游河道的交角。在此基础上，分别提出了修改方案一与方案二。

图5 修改方案一平面布置Fig.5 Layout of revision plan 1

4.1.1 方案一平面布置

修改方案一是在原设计方案的基础上，闸室平面尺度由220 m×23 m调整为150 m×34 m，上、下游引航道均采用向两侧拓宽的布置方式，以改善上、下游引航道船舶进出闸条件。其中，上引航道口门采用倾向上游的喇叭口形状，左侧主导航墙采用圆弧线与直线组成，总长542 m；右侧辅导航墙(兼隔流堤)为圆弧，长84 m；上引航道口门宽70 m。而下引航道采用倾向下游的喇叭口形状，左侧主导航墙采用直线+两段圆弧+直线组合而成，总长587 m；右侧辅导航墙(兼隔流堤)为圆弧段，长128 m。下引航道口门宽56 m。修改方案一平面布置见图5。

4.1.2 方案二平面布置

图6 修改方案二平面布置Fig.6 Layout of revision plan 2

修改方案二是在原设计方案的基础上，考虑下引航道可少量占用下游基本农田，将船闸整体向左岸适当移动，船闸轴线向东溪上游适当偏转，以增加上引航道的长度，减小上引航道与上游河道的交角。该方案船闸轴线与上游河道主流交角约36°，闸室平面尺度为220 m×23 m。并通过调整上、下引航道导航墙线型，将上引航道进口及下引航道出口分别调整为向上游、下游扩展的喇叭口形状，以改善船舶进出闸条件。上引航道长97 m，下引航道长137 m，上、下引航道口门宽均为60 m。修改方案二平面布置见图6。

4.2 修改方案模型试验结果分析

4.2.1 方案一通航水流条件

修改方案一通过调整船闸平面尺度，采用短而宽的船闸闸室，增大了引航道尤其是上游引航道的长度及口门宽度，有效改善了船舶进出闸条件。结合水流条件及船模试验，在东溪上游来流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)时，上引航道口门区最大纵向流速仅0.97 m/s，最大横向流速仅0.32 m/s，口门区无回流；连接段的最大纵向流速为1.03 m/s，最大横向流速为0.13 m/s。上引航道口门区及连接段的通航水流条件基本能够满足船舶安全进出闸要求；当东溪上游来流量Q>2 842 m3/s以后，口门区外侧横向流速有所超标，最大横向流速达0.60 m/s，船舶无法安全进出闸。由于南溪桥闸实际下泄流量小，实测在东溪上游来流量Q≤5 712 m3/s(P=10%)、相应的南溪桥闸出闸流量Q≤200 m3/s时，新南溪船闸下引航道口门区、连接段及停泊段的水流条件均满足规范要求，满足船舶安全航行要求。修改方案一上引航道口门区流速分布见图7。

图7 修改方案一上引航道口门区流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.7 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 1图8 修改方案二上引航口门区道流速分布(Q=2 842 m3/s,P=50%)Fig.8 Velocity distribution at the entrance area of upper approach channel of plan 2

4.2.2 方案二通航水流条件

在东溪上游来流量Q≤2 842 m3/s(P=50%)时，上引航道口门区最大纵向流速为0.81 m/s，最大横向流速为0.30 m/s，口门区无回流；连接段的最大纵向流速为0.85 m/s，最大横向流速为0.24 m/s。上引航道口门区及连接段的通航水流条件满足规范要求。结合船模试验，船舶能够安全进出闸；当东溪上游来流量2 842 m3/s(P=50%)

4.2.3 小结

受周边环境条件及工程所在河势条件的影响，新南溪船闸布置空间尤其是引航道的布置受到了极大的限制。船闸闸室轴线与河道交角较大，导致引航道口门区横流较大，对船舶通航不利。根据工程河段上游的潮安水文站近20 a(1997～2016年)数据统计，研究河段流量大于2 842 m3/s(P=50%)的天数仅42 d，满足通航保证率98%的要求。

从通航水流条件来看，修改方案一与修改方案二船闸的通航条件均满足船舶安全进出闸要求，最高通航流量均能达到2 a一遇洪水标准，满足Ⅲ级航道通航保证率98%的要求。由于方案二占用了一定的永久基本农田，因此从工程实施难易程度而言，方案一优于方案二。

5 结语

由于新建南溪船闸平面布置考虑了南溪桥闸重建工程的实施，受周边环境条件及工程所在河势条件的影响，船闸布置空间尤其是引航道的布置受到了极大的限制。新南溪船闸设计方案船闸闸室轴线与河道交角较大，导致引航道口门区存在较大横流，通航条件较差。

修改方案一是在原设计方案的基础上，结合现场条件，通过调整船闸平面尺度，采用短而宽的船闸闸室，增大引航道尤其是上游引航道的长度及口门宽度，从而有效改善船舶进出闸条件；修改方案二则考虑下引航道可少量占用基本农田，将船闸位置整体向左岸岸坡适当移动，船闸轴线向东溪上游适当偏转，以增加上引航道的长度，减小上引航道与上游河道的交角。两方案船闸的通航条件均满足船舶安全进出闸要求，最高通航流量均能达到2 a一遇洪水标准，满足Ⅲ级航道通航保证率98%的要求。

根据船闸布置方案的水流条件、船舶进出闸航行条件、项目建设环境条件(移民征迁、土地利用、永久基本农田占用情况及船闸运行管理等)和工程投资等方面综合分析，建议新建南溪船闸修改方案一作为推荐方案。