沧江水利枢纽船闸通航水流条件优化试验研究

丘佳永，练伟航，张广传，宫鹏杰

(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；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635)

1 概况

沧江水利枢纽工程位于广东省佛山市高明区高明河(又称沧江河)微弯河段，由水闸、泵站、船闸三部分组成，是以防洪、排涝为主，兼顾灌溉、航运等的Ⅱ等大(2)型综合性水利枢纽工程。由于水闸和船闸已经运行超过40多年，部分工程质量、安全级别等不能满足现行标准要求，拟原址重建(见图1)。

图1 沧江水利枢纽工程平面布置示意

重建工程正常蓄水位为2.00 m(珠基，下同)，设计防洪标准为50年一遇(P=2%)，校核防洪标准为100年一遇(P=1%)。其中船闸布置在河道左岸，右侧紧靠泵站，为Ⅵ(2)级单线单级船闸，闸室有效尺寸为100 m×12 m×1.6 m(长×宽×门槛上最小水深)，设计最大通航船舶为100 t，上、下游设计最高通航水位均为6.00 m，上、下游设计最低通航水位均为-0.464 m(见图2)。

图2 设计方案船闸平面布置示意

工程处于微弯河段，上游河床主槽偏于左岸，洪水流经闸址右侧泄水闸后，又偏向左岸扩散下泄，由此导致船闸通航水流条件较为复杂。为探明并改善船闸出入水流条件，采用整体水工模型试验，对船闸上、下游引航道及口门区布置的设计合理性开展深入研究。

2 模型设计及方案试验

依据相关模型试验规程规范要求，结合工程河段河势及工程布置特点，枢纽整体水工模型上边界取至闸址上游约1.5 km，约为闸址处河宽的7.5倍，模型下边界取至闸址下游约1.2 km，约为闸址处河宽的6倍，按重力相似准则设计为1∶60的正态模型。

试验工况采用最高通航水位(洪水标准P=20%、Q=951 m3/s)、最低通航水位、泄水闸闸门控制泄流等工况组合。

试验显示，最高通航水位工况下，泄水闸全开泄洪时，闸上游河道水面流速小于1.0 m/s，部分水流流经上游引航道停泊段进入水闸，停泊段近岸侧存在局部回流，最大回流流速约为0.4 m/s；停泊段区域水流流向与船闸中心线(航线)的夹角小于35°，由此可计算得出垂直航线的最大横向流速约为0.5 m/s(见图3)。过闸水流部分流经泵站出口区域，进入船闸下游引航道停泊段，停泊段近岸侧同样存在局部弱回流，最大回流流速约为0.2 m/s。停泊段出口区域流速小于0.2 m/s。

a 船闸上游

最低通航水位工况下，闸上游河道水面流速小于0.7 m/s，上、下游引航道停泊段近岸侧均存在局部弱回流，回流流速均小于0.2 m/s；计算得出垂直航线的最大横向流速约为0.3 m/s(见图4)。

a 船闸上游

试验表明，船闸上、下游引航道口门区均出现不同程度的局部回流和横流流态，通航水流条件不能满足《船闸总体设计规范》要求，需对设计方案进行优化调整。

3 优化方案试验

3.1 优化方案布置

综合工程所在河段河势、河床主槽分布特点，提出河道清淤+延长导航墙的优化思路。

河道清淤的试验方案包括枢纽上游河床不同范围分别清淤至-2.00 m、-3.00 m高程，水闸下游防冲槽段后河床局部清淤宽度80 m和60 m，清淤高程分别为-2.00 m、-3.00 m；延长导航墙方案主要是延长停泊段右侧导航墙，包括上游停泊段右侧导航墙长度延长30 m、50 m，下游停泊段右侧导航墙长度延长30 m、50 m等。对以上方案开展了不同组合的试验，经比较，最终确定较优的优化方案是：上、下游河道分别局部清淤至-3.00 m高程，船闸上游停泊段右侧导航墙长度延长30 m(见图5)。

a 枢纽上游清淤范围

3.2 试验效果分析

试验表明，上游河床局部清淤后拓宽了右侧河道过流断面，上游来流可较快向泄水闸侧扩散，进闸主流向河道中间偏移，同时上游引航道右侧导航墙延长后，可有效隔开水流对引航道口门区流态的不利影响。在最高通航水位工况下，船闸上游引航道口门区范围平行航线纵向流速小于0.7 m/s，水流流向与船闸中心线(航线)的夹角小于20°，计算得出垂直航线的最大横向流速约为0.27 m/s(见图3a)。在最低通航水位工况下，上游引航道口门区范围平行航线纵向流速小于0.5 m/s，水流流向与船闸中心线(航线)的夹角小于15°，计算得出垂直航线的最大横向流速约为0.1 m/s(见图4a)。

下游河床局部清淤后，出闸水流主要经清淤范围下泄，各试验工况下船闸下游引航道口门区范围流态较为平稳，平行航线纵向流速小于0.3 m/s，未见明显的横流或回流(见图3～图4)。

针对最高通航水位工况下，船闸上游引航道口门区仍存在横向流速略大于规范要求的情况，考虑到工程河段水位受西江洪水顶托影响，试验选取了上游来流量分别为800 m3/s、700 m3/s、600 m3/s，下游水位为最高通航水位6.00 m的工况组合，进一步论证船闸的通航水流条件。

试验表明，当下游水位为6.00m时，上游来流量为800 m3/s或700 m3/s时，船闸上游引航道口门区仍存在不同程度的横流流态，易造成通航安全隐患；上游来流量为600 m3/s时，船闸上、下游引航道口门区流态均较为平稳，各项水流要素均满足规范要求，船只可安全通行。因此，建议船闸最大通航流量不超过600 m3/s。

根据枢纽的水位、流量关系成果，上游来流量600 m3/s时，下游对应水位约为6.67m，选取的600 m3/s流量与6.00 m水位的组合工况，其试验成果相对是安全的。此外，根据洪水频率综合计算成果，600 m3/s流量级洪水出现的概率平均为1年不到2次，限制性通航对船闸的正常运行和管理影响不大。

4 结语

弯曲河段上布置的船闸，其通航水流条件往往受河势、弯道水流等不利影响，而不能满足规范要求。本文针对典型工程存在的引航道口门区不良流态问题，结合工程河段河势、河床主槽分布特点，提出河道清淤、延长导航墙、限制最大通航流量的优化组合措施，较好的改善了船闸的通航水流条件，提高船闸通航安全性。研究成果已应用于工程建设，并取得了预期效果，可供类似工程的设计和建设参考。