基于隔流堤的下游引航道通航水流条件优化*

胡亮亮，谭家万，袁 浩

(1.重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074；2.重庆西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

船闸下游引航道内与主航道中存在流速梯度，引航道内的水流在下游口门区发生突扩，导致横流、斜流、泡漩并存的复杂流态[1-2]。这类复杂流态作用到船舶上，会导致船舶发生横漂与倾转，直接影响船舶航行的舵角与漂距。口门区存在的复杂流态在中小流量下可能引起船舶操作困难，大流量条件下更可能导致船舶倾覆，给通航埋下安全隐患[3-4]。因此优化不同流量下口门区流态对通航安全具有重要的意义。

对于船闸口门区流态优化，人们开展了系统性研究，包括调整泄洪闸开启方式和设置水流条件优化结构物，如导流堤[5-6]、挑流潜坝[7-8]、导流墩[9-10]等。但针对不同枢纽的地形分布和通航流量，这些措施在布设上仍存在优化的可能。

引航道接透空型隔流堤是常见的流态调整措施之一。下游引航道后接隔流透空堤，一方面在引航道出口处限制了引航道和主河道之间的表面流速梯度；另一方面，通过下设透空孔实现主河道与引航道内水流的动量交换，最终达到减小横向流速、优化引航道出口流态的目的。目前，针对上游引航道中透空隔流堤对流场影响的研究较多，但对于下游引航道中隔流透空堤的布置方式、布设长度的研究仍较缺乏，尤其是不同通航流量条件下流场分布、最大纵流、横流、回流流速分布与隔流堤长度之间的关系仍需要进一步探索。

本研究依托某航电枢纽通航水力学模型试验，分析下游口门区不同透空隔流堤长度条件下流场分布，重点研究口门区附近表面流场分布，并探究最大纵流、横流、回流流速与通航流量、透空隔流堤长度之间的关系。

1 试验方案设计

航电枢纽平面布置如图1所示。下游引航道出口处于弯曲河段，河床地形呈左高右低分布，大流量条件下河道内存在潜在二次流。加之电厂及主要泄洪建筑物集中布置在右岸船闸一侧，导致在通航的各级流量都导向引航道口门区，造成口门区通航水流条件恶化，对船舶通航造成严重影响。

图1 工程枢纽平面布置(单位：m)

模型试验研究在1:100整体模型上开展，通过布设在下游口门区上的光学表面流场测试系统获得整个下游口门区域内的流场分布。为验证模型试验数据的准确性，针对未建枢纽时Q=2 880 m3/s流量下河道原型观测流速和模型观测流速进行对比验证(图2)。模型组左、右岸水位与原型水位的误差均在±0.03 m以内，左岸个别测点的误差为0.06 m，所有测点水位的误差均在±0.1 m以内，满足通航模型试验规范要求。试验测得断面平均流速变化与原型观测流速变化一致，不同测点两者相对误差均在5%以内，模型达到了水流运动相似要求。模型设计满足定床河工模型的相似性要求，可进行下一步试验。

图2 Q=2 880 m3/s流量条件下试验与原型观测水面线及流速对比

以坝轴线为桩号0断面，获得下游口门区桩号为0+315 m—0+655 m共340 m范围内流场分布(图3)。

图3 下游引航道及流速测量断面布置形式(单位：m)

试验共设置3个方案，各方案引航道及下游透空隔流堤布设如图4所示。其中，方案1不设置透空隔流堤；方案2仅在下游引航道出口处布设50 m长透空隔流堤；方案3在50 m长透空隔流堤外外接270 m隔流堤，但仅在新增隔流堤最后50 m设置透空结构。隔流堤透空孔大小及布置方式如图5所示。隔流堤开孔的角度由主河道内的主流方向与隔流堤开孔部位的夹角共同决定。增设的隔流堤布置为斜孔后，孔轴线方向与主流方向呈小角度相交，促进水流平稳进入到引航道内，在不影响引航道内船舶吃水深度的情况下，达到改善引航道内的水流流态的目的。

图4 不同方案下游引航道口门区布置形式

图5 透空隔流堤开孔结构(单位：m)

根据航电系统不同运行工况，本研究共选取176.9～5 500.0 m3/s共7种流量工况，覆盖了枯水期和洪水期航电系统运行工况，探究不同下游口门区方案下流场分布和优化效果。

2 结果分析与讨论

图6为最高通航流量(Q=5 500 m3/s)时下引航道口门区流场分布。受电站泄流扩散的影响，方案1在0+565 m—0+595 m断面上存在偏向右岸的斜流，口门区最大回流流速达1.0 m/s，最大横流流速达2.0 m/s，纵向流速更是高达6.0 m/s，导致船舶发生横漂和扭转，严重影响通航安全。在引航道下游增设50 m透空隔流堤后，航道口门区的斜向水流得到极大的改善，方案2流场中最大回流流速降到0.25 m/s，最大横流流速下降到0.6 m/s，最大纵向流速则下降到1.8 m/s，明显改善了下游口门区流场，但口门区横向流速仍不满足《内河通航标准》[11]要求，因此该方案存在进一步优化的必要。方案3则在方案2的基础上增加270 m长隔流堤，并在隔流堤下游端50 m长度增设透空孔。该方案相比于方案2减小了口门区最大横流流速，其中最大横流流速降到0.25 m/s，较方案1降低了87.5%，较方案2降低了58%。

图6 Q=5 500 m3/s时不同布置方案下游引航道流场分布

各方案最大纵向、横向、回流流速随流量变化情况如图7所示。图7 a)为纵向流速随流量的变化过程，在小通航流量下，由于泄洪闸下泄流量极小，在流量为176.9～1 800.0 m3/s范围内时，各方案最大流速接近，变化规律一致，均在0.8～1.7 m/s范围内变化。随着流量进一步增大，方案1中最大纵向流速增大，在Q=5 500 m3/s时最大纵向流速达到6.0 m/s。方案2与方案3通过隔流堤引导，改变了下游口门区主流方向，不同流量下最大纵向流速均在0.4～1.8 m/s范围内变化。

不同流量条件下，方案1中横向流速仍呈现随下泄流量增大而增大的趋势，横向流速分布在0.6～2.9 m/s，均高于通航标准所规定的横向流速。随着下游透空隔流堤的布设，尽管方案2中横向流速仍高于标准，但可以看出导流堤改变下泄主流流向后，主流会减小对口门区流速的挤占，横向流速并不随流量增加而显著变化，见图7b)。当隔流堤进一步加长时，下游口门区横向流速则进一步减小，横向流速变化范围更小，且均满足通航标准要求。

流量在176.9～5 500.0 m3/s范围内各方案的回流流速变化如图7c)所示。方案1中Q=2 880 m3/s时，由于河道中下泄流量扩散速度较慢，在下游引航道口门区形成较大的回流区，导致引航道内回流流速出现一个峰值，最大回流流速为3.0 m/s。但随着流量增加，下泄主流对口门区的压缩导致回流区域面积减小。口门区设置隔流堤后，受下泄水流影响，下游引航道内仍会存在回流，但回流流速相比于方案1迅速减小。而挡墙进一步加长后，各流量条件下最大回流流速呈明显减小趋势，且满足标准要求。

图7 各方案最大纵向、横向速、回流流速随流量变化

为获得透空隔流堤长度与最大流速分布之间的关系，选取3个代表性流量，即最低通航水位流量176.9 m3/s、常水位通航流量2 880.0 m3/s、最高通航水位流量5 500.0 m3/s进行分析。最低通航水位流量条件下，沿程各断面最大纵向、横向、回流流速如图8所示。对比该流量条件下3种方案纵向流速可知，由于引航道和主河道内的流速梯度，方案1最大流速在下游引航道末端获得。与之相比，方案2与方案3在下游引航道后设置了50 m的透空隔流堤，加强了主河槽与下游引航道之间的动量交换，这2种方案的最大纵向流速位置均向下游推移。主流的扩散、挤压与摩擦会导致口门区形成横流与回流。小流量下，下游引航道外缓流区横流主要是由主流的扩散挤压引发斜流产生，因此在方案1中可以在最大横流沿程分布中发现存在一个高流速区间。而在方案2设置的较短的透空隔流堤仍不能改变这一趋势，仅导致最大横向流速分布位置下移。方案3中由于透空隔流堤进一步加长，船闸口门区已在下游平直河道段，显著减小了横流流速。

图8 Q=176.9 m3/s时不同断面最大纵向、横向、回流流速变化过程

图9为常通航水位流量条件下沿程各断面最大纵向、横向、回流流速。随着流量增大，引起口门区最大纵向流速的原因由引航道与主河槽之间的流速梯度变为下泄流量的扩散。方案1中口门区最大纵向流速存在位置比小流量条件下明显向下游移动。而最大横向流速和回流流速由于受到下泄主流的摩擦，在口门区形成回流区，因此在口门区位置明显观测到横流流速和回流流速的峰值。此外，受下泄主流扩散挤压的作用，口门区下游受斜流影响，还会出现另一个峰值。与方案1相比，方案2与方案3通过透空隔流堤对主流流向进行调整，显著减小了口门区的纵向、横向和回流流速。但由于方案2中，隔流堤长度较短，下泄主流仍会对口门区横流与回流流速产生影响，导致在隔流堤尾部会出现横流与回流超标的情况。

图9 Q=2 880 m3/s时不同断面最大纵向、横向、回流流速变化过程

图10为最高通航水位流量条件下沿程各断面最大纵向、横向、回流流速。该流量条件下，方案1各断面最大纵向流速分布存在2个峰值，第1个峰值是由于引航道内与口门区回流之间的流速梯度引起的，而在断面0+600 m后的峰值则由于下泄主流扩散引发，同时该方案下最大横流流速存在于0+600 m后断面，同样是由主流扩散所引发。同时主流扩散引发的口门区的缓流和斜流也会导致下游引航道内及口门区的横流和回流流速显著超标。但在下游引航道出口设置镂空隔流堤后，有效改变了主流方向，保证主河槽与口门区的动量交换的同时，也防止了主流区表面流速对口门区产生的挤压与摩擦，减小了口门区横向流速和回流流速。

图10 Q=5 500 m3/s时不同断面最大纵向、横向、回流流速变化过程

3 结论

1)与未设置透空隔流堤方案相比，设置透空隔流堤可减小下泄主流在弯道处引起的横流与回流。而增加透空隔流堤长度可通过改变主流表面流速方向，达到改善处于弯道上的下游口门区通航水流条件的目的。

2)隔流堤增设透水孔可以加强主河槽与口门区的动量交换，减小隔流堤末端两者之间存在的速度梯度。

3)下游引航道出口处于弯道时，可通过隔流堤将出口延伸至下游平直段，能够减小主流引起的斜流与回流，减小横向流速与回流流速。