2023年12月12日发(作者：huawei mate 10 pro)

第20卷 第9期 中 国 水 运

Vol.20

No.9

2020年 9月

China Water Transport

September

2020

三星枢纽船闸上、下游引航道及口门区通航水流条件研究

刘开佳，曾 敏

摘 要：为解决船闸引航道口门区、连接段及引水渠、尾水渠的通航问题，确保船舶（队）航运安全、工程经济合理，采用1：100的正态整体水工物理模型、遥控自航船模和定床输沙相结合的技术手段，开展典型流量级、设计代表船型船模进出船闸引航道口门区通航水流条件和船模航行条件分析，并通过调整、修改上下游口门区水工建筑物的布置及结构、河道整治等，从通航条件角度提出满足规范要求的合理布置方案。

关键词：三星枢纽；通航水流条件；船模试验；物理模型

中图分类号：U611 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）09-0006-03

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017）

一、前言

涪江是嘉陵江右岸的最大支流，干流川境段规划有16级低坝枢纽，涪江连续多年断航，航运业大幅度萎缩，涪江已沦为区间通航河流。涪江遂宁境内航道规划为Ⅳ级航道。三星梯级是涪江川境段规划16级梯级中的最下一级，其通航设施的建设对实现航道规划具有重要的意义。

三星电航工程位于遂宁市船山区老池乡三新场，工程于

1998年12月开工建设，2001年8月竣工并正式发电。船闸布置在涪江左岸，与引水渠、电站厂房和尾水渠分岸布置，减少相互干扰。由于已建闸坝和非溢流坝的坝轴线与河道斜交，船闸布置时考虑与上下游主航道的平顺衔接，且尽量减少工程占地，将船闸轴线与坝轴线成74.5°夹角布置。船闸引航道的平面布置采用反对称型布置，上引航道采用曲线进闸，直线出闸的布置型式，下引航道采用直线进闸，曲线出闸的布置型式。

二、整体模型设计制作和验证

1．模型设计

物理模型必须满足几何相似、水流运动相似、动力相似及阻力相似。根据本项目研究内容，模型采用正态定床模型。河道水流的运动除受重力外，紊流阻力也起重要作用，在模型设计时按重力相似准则进行设计，同时满足阻力相似的要求。

根据试验目的、模型范围及试验场地条件，确定模型平面比尺为L100，因船模试验需要，模型必须为正态，因此垂直比尺H100。由于水工模型的几何比尺为100，而船模设计时其比尺必须与相应的河工模型比尺相同，因此确定船舶模型几何比尺为100，根据量纲关系，可求得各主要比尺。本项目模型范围自三星枢纽泄水闸坝轴线上游1.6km至下游3.8km，模拟原型河道长度5.4km、宽度450~700m，同时模拟有泄洪闸、电站以及拟建船闸等水工建筑物。

2．模型验证

收稿日期：2020-07-20

作者简介：刘开佳（1985-），男，四川省交通勘察设计研究院有限公司，工程师。

图1 验证试验沿程水面线

三、设计方案下通航水流条件试验和船模航行试验研究

针对设计方案开展了Q=172、515、2,030、5,224、7,390、9,300m3/s共6级典型流量船闸上下游引航道口门区及连接段航道的通航水流条件试验和船模航行试验。设计

尺1

尺2

尺3

尺4

尺5

尺6

水尺编号

模型

250.37

250.35

250.32

250.28

250.27

250.27

为了保证模型与原型糙率、水流运动相似，模型建成后进行了验证试验。模型验证以2016年6月10日实测坝址河段沿程水位为依据，进行水位验证。模型验证流量为334

m3/s，试验研究河段共布设了6把水尺进行同步水面线测量，验证成果见表1和图1。由表可以看出，模型沿程各水尺水位与实测水位基本一致，模型水位与原体水位的偏差均在规定范围（±0.1m）以内，满足模型与原体阻力基本相似要求。

表1 模型与原体水位验证表

流量Q=324m/s

原体

250.34

250.33

250.31

250.3

250.29

250.29

差值

0.03

0.02

0.01

-0.02

-0.02

-0.02

第9期 刘开佳等：三星枢纽船闸上、下游引航道及口门区通航水流条件研究 7

方案的通航水流条件和船模航行试验分析结果表明：（1）船闸上游：当流量Q=172m3/s和515m3/s时，电站发电，泄水闸关闭，口门区及连接段水流基本是静水，通航水流条件较优；当流量Q=2,030m3/s时，船闸上游通航水流条件较好；当流量Q＞2,030m3/s时，受船闸上游连接段弯道处斜流影响，船闸上游口门区及连接段横流不能满足规范要求，船模下行漂角较大。（2）船闸下游：当流量Q=172m3/s和515m3/s时，电站发电，泄水闸关闭，口门区及连接段水流基本是静水，通航水流条件较优；当流量Q≥2,030m3/s时，船闸下游口门区及连接段航道内斜流较大，不能满足规范要求。船舶航行舵角、漂角较大，不能满足船舶安全航行要求。

四、修改方案下通航水流条件试验和船模航行试验研究

设计方案通航水流条件试验和船模航行试验研究结果表明，船闸上游在流量Q＞2,030m3/s时，通航水流条件较差的主要原因是连接段上游为弯曲河段的弯顶，近岸岸坡弯顶挑流，航弯水浅，水流流向与航道夹角大，船舶下行时漂角较大。其改善措施为将上游急弯河段的凸岸进行局部开挖，开挖底高程与口门区连接段相同，以减小弯道段弯顶挑流作用，增大船舶可航行水域，改善船舶航行条件。

设计方案船闸下游在流量Q≥2,030m3/s时，通航水流条件较差的主要原因是泄水闸下游河道流速急，导致口门区和连接段横向流速较大，流态紊乱，船舶进出引航道困难；同时下游弯道河段的纵向流速也较大，船舶上行困难。改善措施优先考虑在导堤下游布置导流墩，调整口门区、连接段的流速、流态。如导流墩措施仍达不到要求，可再考虑调整船闸引航道的布置型式、船闸轴线以及布置导流工程等工程措施。

经过一系列修改方案试验形成最终的推荐方案：（1）将船闸上游急弯河段凸嘴切掉，开挖底高程与口门区连接段相同，同时调整航线布置。（2）将船闸设计方案的“反对称型式”调整为“不对称型式”，下游引航道向左侧平移了28m，水流条件改善效果比较明显，但由于大流量下主河道流速急，下游引航道现有左导流堤以下流速梯度大，导致口门区、连接段纵、横向流速、回流流速超出规范要求，流态紊乱，最大通航流量没有达到设计要求，需要对导流工程进一步修改，并对下游河漫滩进行开挖。

推荐方案的通航水流条件和船模航行试验分析结果表明（见图2-4）：

（1）船闸上游：当Q≤7,390m3/s时，船闸上游口门区、连接段的水流条件基本能够满足规范要求，船舶能够安全进出口门区、连接段。当流量Q=9,300m3/s时，受连接段上游弯道影响，船舶漂角较大，船模航行参数不满足安全航行要求。流量Q≤7,390m3/s时，船闸口门区及连接段航道内，通航水流条件较好，船模能够安全通过该段航道进出船闸引航道，航行参数能够满足船模安全航行要求。流量Q=9,300m3/s时，受泄水闸泄流影响，船闸导航墙堤头处斜流较大。船模进出闸较困难，航行时漂角较大，最大需操满舵方可勉强进出口门区段航道，航行参数不能满足船舶安

全航行要求，且存在撞击导航墙等安全风险。

（2）船闸下游：当Q≤9,300m3/s时，船闸口门区及连接段航道内，通航水流条件基本满足规范要求，船舶能够安全通过该段航道进出船闸，航行参数能够满足船舶安全航行要求；

（3）船闸下游弯道段：当Q≤5,224m3/s，船舶能够顺利通过该段航道；当Q=7,390m3/s时，下游主航道内流态复杂，存在较大范围回流，且弯道段内斜流较大。船舶航行时，通过弯道段所需舵角较大，经过弯道段航道时，漂角最大时为16.45°，需谨慎操控；当Q=9,300m3/s时，弯道下游受天然地形影响，水流流速较大，船模上行非常困难，不建议通航。

（4）建议最大通航流量为7,390m3/s。该方案船闸与电站分岸布置，施工期对电站发电影响小，运行期通航与发电相互干扰小，施工场地易布置，工程投资相对较小。

图2 推荐方案坝上、下河段流场分布及航道横向流速（Q=9,300m3/s） 8 中 国 水 运 第20卷

参考文献

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图3 推荐方案Q=9300m/s时船闸上游船模上行出闸航态图

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3图4 推荐方案Q=9,300m/s是船闸下游船模上行进闸航态图

五、结论

采用1：100正态整体水工模型试验与自航遥控船模航行试验相结合的研究手段，进行了三星船闸改建工程平面布置设计方案试验，针对设计方案存在的通航问题，进行了系列修改试验，并提出了推荐方案，将船闸设计方案的“反对称型式”调整为“不对称型式”，将右导流堤沿顺延共350m长的导流堤，将左侧导流堤缩短160m，推荐方案能够满足通航水流规范要求，船舶能够安全航行。

（上接第5页）

1400流夹角等因素，在风浪流作用下油轮运动量和系泊力的变化 1# 2#规律，得出下列结论：

（1）油轮横摇以波频运动为主，纵摇幅度接近于零，回转以低频运动为主。

（2）油轮横摇运动分量谱呈现两种不同形态。

（3）油轮系泊力随波高和风速的增大而增大。吃水深度越深，油轮系泊力呈减小趋势，且横流下缆绳张力偏高。

参考文献

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由图6可以看出油轮锚绳张力在浪流夹角由0°变为90°的过程中经历了先减小后增大的趋势，且在横流下，缆绳张力偏高。

三、结论

通过物理模型试验方法，研究了波高、风速、载重、浪