平陸運河企石樞紐總體布置水力學研究

覃曉鳳 張倩 趙紅芳

摘要：企石樞紐是平陸運河規劃三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。文章采用物理模型試驗的方法，對樞紐泄洪消能和通航水流條件開展研究，驗證樞紐整體布置方案的合理性。同時，研究得到了泄水閘、中間渠道、溢流堰泄洪消能主要水力參數，明確了大塘河支流和高湖河支流影響下的樞紐通航水流條件，可供類似工程參考應用。

關鍵詞：平陸運河；企石樞紐；泄洪消能；通航水流條件

中圖分類號：U612.23 A 13 036 5

0 引言

平陸運河是西部陸海新通道的重要組成，也是珠西流域連接北部灣港的億噸級水運交通大動脈。平陸運河航道通航技術等級規劃為內河Ⅰ級，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。

企石樞紐是平陸運河規劃三個梯級中的第二個梯級，以航運為主，兼顧防洪等綜合利用工程。通航樞紐工程重點關注泄洪消能和通航水流條件兩大問題，特別是對于支流匯入等不利條件下的水流條件評估是有必要的。

研究表明，支流匯入角和匯入比對于水流條件起到控制作用，可采用導流筑堤和疏浚引流的整治措施改善水流條件［1］。企石樞紐上游作為典型的寬淺型河道，業界對于泄流能力優化已有較為深刻的認識，當泄水建筑物的總寬度相對于河道寬度較小時，可以考慮在泄水建筑物的兩側修建圓弧型導墻，以更好地銜接水流［2］，且寬淺型水庫水位差異可對泄流能力產生明顯的影響［3］。低水頭閘壩工程與上游河床高差和淹沒度影響顯示，降低上下游床面高程、調整壩軸線使其與河勢走向垂直、航電分岸運行等是增加低閘樞紐泄流能力的有效措施［4］。廣西那吉航運樞紐船閘不同位置泄流能力試驗表明，綜合流量系數與樞紐整體布置、流量系數與閘孔全開數量有關，且隨開孔的減小而增大［5］。萬小明等［6］基于峽江水利樞紐過流能力問題，認為閘墩墩頭形狀及泄水閘與廠房間導墻嚴重影響泄水建筑物過流能力，應盡量減少導墻的高度與長度，墩頭應設計成流線型。

本文采用物理模型試驗的方法，就企石樞紐設計方案進行了泄洪消能和通航水流條件試驗，針對支流匯入影響下的通航水流條件進行了重點分析，為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 樞紐總體布置

企石樞紐位于陸屋鎮上游5.5 km處，采用集中布置方案，樞紐效果圖見圖1。樞紐由雙線船閘、泄洪閘、放水底孔、連接土壩和副壩組成；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。左岸連接壩長210 m；5×8 m孔泄洪閘，長57 m；雙線船閘及兩側省水池長314.7 m；船閘右岸連接壩長179 m；副壩長170 m。企石樞紐為一等工程，主要建筑物按2級設計，其他次要建筑物按3級設計。樞紐校核洪水重現期采用2000年一遇標準，設計洪水重現期采用100年一遇標準。

企石樞紐雙線船閘布置在舊州江裁彎取直段，上游引航道位于河道右岸，主體結構及下游引航道位于河道左岸，上閘首為樞紐擋水建筑物組成部分。雙線船閘由上、下閘首及閘室，上、下游引航道，上、下游待閘錨地組成，船閘有效尺度為300 m×34 m×8 m（長度×寬度×門檻水深），船舶進、出閘采用曲線進閘、直線出閘的過閘方式。上、下游主導航墻均采用具備導航和調順功能的曲線導航墻，導航墻的型式為半徑300 m、圓心角9.46°的圓弧接y=x/6的直線，調順段長度為202 m。船閘停泊段長325 m，船閘直線段總長為1 454 m。上、下游船閘引航道與泄洪閘引水渠間分別設置125 m及160 m隔流堤作為制動段，減少泄洪閘運行對船舶航行的影響。雙線船閘采用共用引航道布置，上、下游引航道寬度均為167 m，均通過一段轉彎半徑為1 000 m的圓弧與主航道銜接，轉彎角度分別為27°和3°。樞紐整體布置見圖2。

泄洪建筑物位于船閘左側中位省水池的左側，其中心線距中位省水池左邊線32.5 m。泄洪建筑物由進水渠、泄水閘、明渠、溢流堰、出水渠組成，引水渠底高程由26.50 m降至25.50 m。泄水閘位于壩軸線上，采用開敞式平底閘，閘室沿壩軸線長57 m，順流向長度35 m，堰頂高程25.5 m。閘頂高程39.5 m，設5孔，單孔凈寬8 m，泄水閘剖面圖見圖3。其后接明渠，明渠總長775 m，渠底寬54 m，明渠前部為長44.5 m、深2.5 m的消力池，長30 m的混凝土護坦以及長105 m的柔性海漫，柔性海漫上游高程24.0 m，漸變至下游高程為19.0 m。明渠末端設溢流堰，堰頂高程25.5 m，以涌高明渠水深，減小流速，防止中間渠道沖刷。溢流堰長40 m、凈寬54 m，后接長41.0 m、深0.5 m的下挖式消力池，其后接長50 m的混凝土護坦，在出水渠底高程為0.50 m，與船閘下游引航道銜接。

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

1.2 樞紐特點

企石樞紐上游錨地距離泄水閘約2.5 km，錨地右側受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的1/3，錨地通航水流條件較為復雜。樞紐下游高湖河支流與運河河道匯口位于下游口門區，直接影響到口門區通航水流條件；樞紐5年一遇工況疊加高湖河支流20年一遇工況，支流流量約占總流量的1/5，因此，高湖河來流的消能布置是影響口門區水流條件的關鍵。正常蓄水位樞紐上游水深9 m，水深相對較淺，上游口門區及連接段位于彎道由窄變寬區域，水流條件較為復雜。

2 模型布置與試驗工況

2.1 模型布置

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。由于上游大塘河支流流量較大會影響錨地，下游高湖河支流匯入口門區消能問題突出，需在整體模型中進行精細化模擬（見下頁圖4），因此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，以及大塘河支流和高湖河支流（見下頁圖5）。模型基于弗勞德相似準則設計，比尺為1∶80，包括水泵、進水系統、模型試驗段和回流系統等。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。

試驗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。船模測試系統由激光發射、接收裝置、信號轉換器和計算機組成，可實時測量船模航行的航跡線、漂角、航速和操舵過程等，同時進行數據處理，獲取所需的船模航行參數。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。

2.2 試驗工況

企石樞紐整體物理模型泄水閘試驗工況為P=1%（設計洪水位）、P=0.05%（校核洪水），船閘通航水流條件及自航船模試驗工況為P=5%、P=10%、P=20%，如表1所示。大塘河支流口20年一遇流量為141.2 m3/s，對應下游航道水位（5年一遇）為35.06 m；高湖河支流口20年一遇流量為158 m3/s，對應下游航道水位（5年一遇）為15.86 m。

3 樞紐水力學試驗成果

模型實測泄流能力試驗成果列于表2。閘門開度采用的是5孔均開方案，由試驗結果可知，2000年一遇（洪時頻率為0.05%）、泄洪流量為2 370 m3/s的試驗工況，模型實測上游水位為36.52 m；各試驗工況下，溢流堰流量系數介于0.45～0.48，滿足設計要求。

3.2 樞紐河道流態與流速分布

2000年一遇工況下，上下游河道流態整體平順，上下游錨地處的水流流態如圖6所示；由于洪水期錨地主要用于安全系泊船只，因此對于洪水期錨地水流流速的評估是重要的。觀測顯示，上游錨地處最大流速為1.96 m/s，靠船墩處存在局部回流，最大回流流速＜0.20 m/s；泄水閘上游渠道進口處的平均流速約為1.3 m/s。下游錨地為回流區，錨地處最大流速為0.85 m/s，最大回流流速為0.28 m/s；泄水閘下游渠道出口處的平均流速約為1.7 m/s。因此，2000年一遇工況下，上下游錨地流速分布滿足船舶停泊要求。

2000年一遇試驗、閘門全開泄洪工況下，上游渠道內流速分布較為均勻，上游渠道實測最大流速為3.64 m/s，水閘進口受邊界收縮影響，流速增大，最大流速5.56 m/s，水流出閘最大流速為10.88 m/s，消力池尾坎最大流速為6.68 m/s；下游中間渠道存在明顯的偏流，主流偏向擋水墻側。從縱向流速分布可見，水流在下游護坦中部起沿水深一直呈底部小、表層大的分布態勢，表明消力池消能效果較好。中間渠道底部最大流速為3.99 m/s，中間渠道設計防沖流速為2.3 m/s，偏小。

100年一遇閘門局開試驗工況下，上游渠道內流速分布較為均勻，上游渠道實測最大流速為2.45 m/s，進、出閘平均流速分別為3.33 m/s、11.28 m/s，出閘最大流速為11.68 m/s，消力池尾坎最大流速為5.31 m/s；下游中間渠道仍存在明顯的偏流，主流偏向擋水墻側，渠道內實測最大流速為3.34 m/s。水流在下游護坦中部起沿水深呈底部小、表層大的分布態勢，表明消力池消能效果較好。實測中間渠道底部最大流速為2.02 m/s。

3.3 樞紐中間渠道水面線

水面線是評估中間渠道邊墻高度的重要指標，中間渠道兩側邊墻的高度擬定為34 m，進行了不同工況的水面線觀測，如表3所示。各試驗工況下，水流流態平穩，下游水面銜接平順。2000年一遇試驗工況下，下游中間渠道內平均水位為33.33 m，平均水深為14.33 m；100年一遇試驗工況下，下游中間渠道內平均水位為31.30 m，平均水深為12.30 m；20年一遇試驗工況下，下游中間渠道內平均水位為30.02 m，平均水深為11.03 m；10年一遇試驗工況下，下游中間渠道內平均水位為29.37 m，平均水深為10.37 m；5年一遇試驗工況下，下游中間渠道內平均水位為28.53 m，平均水深為9.53 m。

3.4 樞紐通航水流條件

企石樞紐通航水流條件主要關注上下游錨地及口門區，特別是5年一遇工況大塘河支流影響下的上游錨地和高湖河支流影響下的下游口門區。

五年一遇工況下（Q=503 m3/s，包括大塘河來流141.2 m3/s），上游錨地處流速分布見圖7所示。由圖可知，上游錨地處基本無回流，錨地內最大流速為0.40 m/s，最大橫向流速為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，最大橫向流速為0.15 m/s，平均橫向流速為0.07 m/s，整體流態基本平順。樞紐下游右側航線口門區受高湖河來流影響，從整體流態和流速分布看，高湖河支流消能效果較好，對口門區航線幾乎無影響。

表4列出了各通航流量條件船閘上游引航道通航水流條件。由表4可知，樞紐上游導航調順段、停泊段基本為靜水，制動段的流速也較??；P=5%和P=10%工況下，口門區及連接段最大橫向流速分別為0.29 m/s和0.27 m/s，接近規范要求的最大值，主要原因在于企石樞紐的特點是上游水深較淺，口門區及連接段位于彎道由窄變寬區域，另有上游導流堤分隔泄水閘上游渠道和引航道，隔流堤的堤頭繞流引起部分測點的橫向流速偏大。

表5列出了各通航流量條件下，船閘下游引航道的通航水流條件。由表5可知，樞紐下游導航調順段、停泊段、制動段基本為靜水；口門區及連接段P=5%工況最大流速為0.50 m/s，橫向流速為0.11 m/s。錨地處P=20%工況下游引航道口門區受高湖河來流影響，最大流速為0.39 m/s，最大橫向流速為0.09 m/s，進一步驗證了高湖河支流多級跌水消能的有效性。

4 結語

企石樞紐作為平陸運河重要的梯級樞紐工程，采用物理模型試驗的方法分析了樞紐泄洪消能和通航水流條件，論證了總體布置的合理性，結果表明：

（1）泄水閘泄流能力滿足設計要求，各泄洪工況泄水閘、中間渠道和溢流堰總體運行流態良好。泄水閘進閘水流平穩，消力池內水躍穩定；中間渠道和溢流堰泄流平穩，下游水流縱、橫向擴散充分。上游渠道內流速分布較為均勻，消力池和溢流堰下游消能效果良好。

（2）樞紐上游錨地處的大塘河支流和下游口門區附近的高湖河支流是影響樞紐通航水流條件的關鍵。樞紐5年一遇工況大塘河支流占總流量近1/3的條件下錨地處水流條件滿足通航要求；高湖河支流采用多級跌水，消能效果良好，下游口門區水流條件滿足通航要求。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-08