彎曲河段支流匯入影響的航道與錨地通航水流條件優化研究

王榮華 劉濟樂 鐘廣達 朱晨松

摘要：彎曲河段布設錨地時，在支流匯入的影響下，錨地通航水流條件復雜。文章采用物理模型試驗的方法，對受彎曲河段支流匯入影響的航道與錨地的通航水流條件開展研究，提出了通航水流條件優化措施。研究表明，彎曲河段處錨地布置在凸岸時，若支流在凹岸匯入易出現航道水流條件不滿足規范要求的情況；可通過在凸岸錨地上游拓寬以及平順岸坡的調整方式降低錨地處航線的橫向流速，研究成果可供相關工程參考應用。

關鍵詞：錨地；支流匯入；彎曲河段；通航水流條件

中圖分類號：U617.2 A 09 022 3

0 引言

彎曲河段是河流常見的平面形態，在狹窄彎曲河段上布設樞紐，其通航安全問題較為嚴峻，樞紐布置的主要難點在于航道、通航水流條件復雜，特別是在大面積灘地的河勢下。因此河道整治是保證安全通航的重要手段［1］。

航運樞紐一般布置在彎曲河段兩個彎道中間的直線過渡段或彎道上，樞紐布置受地形限制，上下游引航道口門區處于河流的凸岸或者凹岸。錨地作為供船舶在水上拋錨以安全停泊、避風防臺等作業的水域，其位置選擇通?？紤]樞紐總體布置、水深、船舶尺度等因素，其中水流條件是業界關注的重要問題。

研究表明，對于上游為急彎、下游為反向彎道的狹窄連續彎道河段，樞紐處于下游彎道段時宜采取將船閘布置于凸岸側的分散布置方式［2］。對于有支流匯入的連接段航道，其水流條件的優劣除與樞紐河段密切相關外，支流匯入角和匯入比往往起到控制作用［3］。

當前，對于錨地水流條件的研究相對較少。受所在河段平面形態、樞紐平面布置的影響，在支流匯入的條件下，疊加彎曲河段布設錨地時，對錨地水流條件的評估是重要的。企石樞紐上游錨地距離泄水閘約2.5 km，錨地右側存在大塘河支流的匯流影響，樞紐5年一遇工況對應大塘河支流20年一遇工況，支流流量約占總流量1/3，錨地通航水流條件較為復雜。

本文采用物理模型試驗的方法，就西部陸海新通道平陸運河企石樞紐上游錨地進行了通航水流條件試驗，針對錨地布置在彎曲河段疊加支流匯入影響下的通航水流條件進行了優化分析，為設計和相關工程提供參考依據。

1 工程概況

平陸運河工程任務以發展航運為主，結合供水、灌溉、防洪、改善水生態環境等。運河航道通航技術等級規劃為內河Ⅰ級，按通航5 000噸級船舶標準建設。航道起于沙井欽江大橋，止于欽州港東航道起點，從沙井入海穿越茅尾海，經潮汐通道進入欽州港，末端與欽州港東航道起點相接。

企石樞紐是平陸運河規劃3個梯級中的第二個梯級，是以航運為主兼顧防洪等綜合利用工程，位于陸屋鎮上游5.5 km處。企石樞紐由雙線船閘、泄洪閘、連接土壩、副壩組成，雙線船閘上閘首為樞紐擋水線的組成部分，樞紐壩軸線長約930.9 m，樞紐壩頂高程為39.5 m。從左至右分別為：左岸連接壩長210 m；5 m×8 m孔泄洪閘長57 m；雙線船閘及兩側省水池長314.7 m；船閘右岸連接土壩長179 m；副壩長170 m。樞紐總體布置見圖1。

平陸運河設計代表船型為5 000噸級船舶，代表性船舶尺度（長×寬×吃水深）：90 m×15.8 m×5 m。

本文研究的上游錨地距離泄水閘2.5 km，地處彎曲河段，該處設計航線轉彎半徑600 m；大塘河支流最大流量工況大塘河支流流量約占總流量1/3，且上游處地形較高，匯口處的地形需由32 m降至錨地處的27.7 m，為此設計了多級消能坎，匯口處的消能布置如圖2所示。

2 模型設計

2.1 模型布置

試驗在南京水利科學研究院當涂科學試驗及科技開發基地進行，模擬范圍為上游至壩址以上約2.8 km，下游至壩址以下3.0 km。模型基于弗勞德相似準則設計，比尺為1∶80。模型包括水泵、進水系統、模型試驗段和回流系統等。整體模型包括樞紐上下游河道、樞紐建筑物、上下游引航道及連接段，以及支流。樞紐及船閘模型采用塑料板制作，上游水庫和下游河道模擬采用水泥砂漿抹面。

2.2 技術標準

根據《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001），船閘的引航道口門區水流表面流速限值為：縱向流速≤2.0 m/s，橫向流速≤0.30 m/s，回流流速≤0.4 m/s，錨地處航線的通航水流條件限值目前尚無標準，一般可參考口門區的流速限值。

2.3 量測設備

試驗主要進行通航水流條件的水位和流速測試，觀測采用南京水利科學研究院自主研發的水力學數據采集和處理系統，該系統由計算機、數據采集轉換器、自動跟蹤式水位計、波高儀等構成，可對水位、波高等水力要素進行實時跟蹤采集并解算處理。流速采用DPJ旋槳流速儀及ADV三維多普勒流速儀觀測。流量采用標準量水堰測控，誤差范圍≤1%。水位采用高精度無線數傳自動跟蹤水位計及測針進行測量，精度為0.02 mm。

2.4 試驗工況

根據技術要求，支流匯入工況考慮樞紐5年一遇工況，此時對應大塘河支流20年一遇工況，泄水閘來流流量503 m3/s（其中主河道來流流量362 m3/s，大塘河支流來流流量141 m3/s），大塘河支流下游航道水位（5年一遇）為35.06 m。

3 試驗結果與優化研究

3.1 原布置試驗成果

如圖3所示為樞紐5年一遇工況（對應大塘河支流20年一遇工況）錨地處航道流速分布。由圖3可知，錨地處航道受大塘河來流影響，有一定程度的橫流和回流，最大橫向流速0.39 m/s，最大回流流速0.13 m/s。圖4繪制了大塘河支流匯口流速，數據顯示，支流口最大流速達2.83 m/s，平均流速約1.0 m/s。因此，該工況下錨地處的水流條件不滿足船舶航行要求，需進行優化處理。

3.2 調整方案試驗成果

從原布置試驗結果分析，上游錨地處不滿足通航要求的原因或與錨地上游的岸線布置有關；上游錨地的上游處為彎曲河段，水流受離心力作用，主流向右岸集中，疊加大塘河支流后水流條件較為紊亂。將上游錨地左岸岸坡進行開挖優化后，上游錨地上游更為平順，河道轉彎處左岸和右岸的流速更加均化，有利于改善錨地處的水流條件。如圖5所示，岸線調整范圍為原布置向上游擴挖約220 m，擴挖面積約為6 000 m2。

進行了5年一遇工況下上游錨地處通航水流條件研究，流速分布見圖6。由圖6可知，與原布置相比，上游錨地地形調整后錨地處基本無回流，錨地內最大流速0.40 m/s，最大橫向流速0.08 m/s；錨地處航道受大塘河來流影響，航道有一定程度的橫流和回流，最大橫向流速0.15 m/s，平均橫向流速0.07 m/s，整體流態基本平順。因此，5年一遇工況下錨地的通航水流條件滿足船舶進出閘和航行要求。

綜上所述，對于彎曲河段錨地疊加支流匯入的水流條件，可考慮采取凸岸錨地上游拓寬以及平順岸坡的調整方式。本文中支流來流單寬流量約2.0 m2/s，調整后錨地上游處的寬度由80 m擴寬至120 m，單寬流量由4.3 m2/s降至2.8 m2/s，疊加后可有效地優化錨地處航道的通航水流條件。

4 結語

支流匯入對彎曲河段錨地的水流條件有重要影響，通過物理模型試驗分析了支流匯入，提出了改善措施，得出主要結論如下：

（1）平陸運河企石樞紐上游錨地附近的大塘河支流流量約占總流量1/3，錨地處需解決支流入匯段特別是干、支流不利遭遇流量下航行條件問題。

（2）彎曲河段主流偏向凹岸，當錨地布置在凸岸時疊加支流在凹岸一側匯入時易出現航道水流條件不滿足規范要求的情況?？赏ㄟ^凸岸錨地上游拓寬以及平順岸坡的調整方式降低錨地處的單寬流量，達到降低流速的目的。

參考文獻

［1］郝媛媛，普曉剛，李君濤.長沙樞紐船閘下游口門區出口支流入匯段通航條件研究［J］.水道港口，2014，35（4）：399-403.

［2］郭紅民，夏修寶，曹光春，等.改善石牌急彎段通航水流條件的河道整治研究［J］.水電能源科學，2015，33（3）：86-88，95.

［3］普曉剛，李 民，李君濤，等.狹窄連續彎道河段航電樞紐平面布置研究［J］.水道港口，2012，33（1）：39-44.

收稿日期：2023-09-16