锦江急弯狭窄河段通航水流条件试验研究

锦江急弯狭窄河段通航水流条件试验研究

李其峰

重庆交通大学 河海学院，重庆 400074

摘要：锦江丹霞枢纽下游河段转弯曲率大、河道窄，现状不具备通航条件。为准确评估该急弯河段的通航水流条件，并提出工程措施进行改善，本文建立了比尺1:80的整体水工物理模型。试验研究表明：设计流量下急弯河段弯道扫水现象显著，加之航道窄、水深浅，船舶无法安全通航。为此，试验考虑河型河势及丹霞枢纽调度运行方式，提出了航道疏浚治理措施，有效地调顺了急弯河段水流流向、减小了水流流速并扩宽了船舶通航水域，使得船舶在急弯河段具备了安全通航的条件。

关键词：急弯狭窄航道；通航水流条件；航道疏浚；物理模型试验

Experimental research on navigable water flow conditions in the lower reaches of the Jinjiang Danxia hydro-junction with a sharp bend and shallow water

Li Qi-feng

Abstract: The lower reaches of the Jinjiang Danxia Junction have a large turning rate and narrow river channels, and the current situation does not meet the navigation conditions. In order to accurately evaluate the navigable water flow conditions of this sharp bend and propose engineering measures to improve it, an overall hydraulic physical model with a scale of 1:80 was established in this paper. The experimental study shows that the phenomenon of water sweeping is obvious in the bend of the sharp bend under the design flow rate, and the waterway is narrow and the water depth is shallow, so the ship cannot navigate safely. For this reason, the experiment considers the river type and the operation mode of the Danxia junction, and proposes waterway dredging measures, which effectively adjust the water flow direction of the sharp bend river section, reduce the water flow velocity, and widen the navigable water area of ships, to make the ship have the conditions for safe navigation in the sharp bend river section.

Keywords : Sharp bends narrow channels;navigation current conditions;channel redging;physical model test

锦江沿岸无大型城镇，本无通航需求。目前被水利枢纽所截断，亦不具备通航条件。为满足国家绿色航道发展的要求，现将锦江打造为旅游航道，并于丹霞枢纽处新建船闸以衔接上下游航道。但丹霞枢纽下游为急弯河段，存在航道窄、水深浅的问题，船舶无法安全通航。较窄的河宽和较浅的水深恶化了弯道扫水流态，导致横向流速过大，船舶通过弯道时的舵角、漂角和偏航距加大，不仅提高了对航道宽度的要求，也增加了船舶操作的难度[1-2]。针对复杂河道通航水流条件的研究，物理模型试验能较好地还原实际河型河势和水流流态[3]。本文对丹霞枢纽下游急弯河段建立了整体定床物理模型，研究了该急弯狭窄河段的通航水流条件，并针对弯道扫水导致的流速指标超标的问题，提出了合理有效的工程措施。本文的分析思路和解决方案可供类似工程问题借鉴参考。

1 工程概况

锦江河流全长108km，本次研究的急弯河段在丹霞枢纽坝轴线下游约800m范围。河道整体宽度介于85~100m，急弯入口处仅65m宽，极为狭窄。该河道平面呈“几”字形，转弯半径约140m。由于锦江来流量较小，导致该弯曲河段水深也较浅。试验河段河势见图1。

图1 锦江丹霞急弯河段位置图

本次试验研究的锦江丹霞枢纽航道规划为Ⅴ级旅游航道，设计航道尺度为1.6×30×130m（水深×航道宽度×弯曲半径）。本报告根据有关规范要求，在考虑锦江航道等级、代表船型操纵性能的具体情况下，同时参照北江水系上类似航道工程的船模试验、船舶操纵模拟试验或实船试验研究成果[4] ~[6]，确定该急弯航道的最大纵向流速限值为1.3m/s，最大横向流速限值为0.5m/s。

研究航段在过流量Q≤150m3/s时，水流条件能够满足规范要求。过流量超过150m3/s时，受急弯入口处河道收拢变窄河势的影响，越接近急弯处流速越大。因此设计方案对急弯上游到入口处右侧航槽进行了扩宽，使航道得以平顺过渡，同时增大水流的过流面积、降低弯道入口流速。急弯河道存在弯道环流和急流问题，加之河道狭窄，造成横向流速偏大，因此设计方案对急弯中部的左侧航槽进行开挖拓宽扩大过流面积的同时，增加航道宽度。

设计方案下，急弯入口处的航槽扩宽区域如图2区域1，向右岸最大扩20m、平均扩宽12m，纵向疏浚长度360m、疏浚面积4320m2；急弯出口处航槽扩宽区域如图2中区域2，航槽疏浚范围向左岸扩宽5~32m，疏浚长度356m。航槽疏浚高程与航道规划底高程相同，为74.28mxx，两侧通过1:3斜坡与天然河岸衔接。

图2 航槽扩宽设计方案

2.模型设计

本文采用几何比尺平面比例与垂向比例均为1：80 的正态模型，模拟了丹霞枢纽上游2.3km至下游5.5km河道，相应的几何、时间、流量等相似比尺统计于表1。河道模型的制作以断面板法对整体地形进行控制，并辅以等高线法对局部地形进行控制。河道模型采用水泥抹面硬化，枢纽的主要过水建筑物由热塑性塑料板进行制作。模型在平面上通过主导线、副导线结合三角网进行控制，高程通过水准仪测定，确保其平面误差控制在 3mm（模型值）以内，高程误差控制在 1mm（模型值）以内。对河床采用卵石梅花型加糙，并进行整体和局部糙率的反复调整。水流验证试验表明，模型水位、流速误差分别控制在±0.05m、±10%以内，模型上浮标运动轨迹与原型实测轨迹基本一致，说明了该模型达到了河床阻力相似、水流运动相似的要求。

表1 模型相似比尺汇总表

3.试验研究

3.1设计方案试验研究成果

（1）试验工况

根据丹霞枢纽调度运行方式，当上游来流量Q≤100m3/s时，枢纽泄洪闸关闭，来流全部用于电站发电。此时枢纽下游急弯航段水流处于静水状态，航道尺度可达到V级标准，不存在通航问题；在来流流量Q≥100m3/s后，枢纽闸坝开启下泄库水，急弯航段出现弯道扫水现象而恶化通航水路条件。根据设计方案，锦江绿色航道工程最高通航流量为305m3/s。因此，本文重点分析来流150m3/s、200m3/s、248m3/s、305 m3/s四种流量条件下的急弯段通航水流条件，试验工况见表2。

表2 急弯河段通航水流条件试验工况表

（2）设计方案通航水流条件

设计方案下，试验河段的局部典型流速分布见图3（Q=248m3/s），相应流速指标见表3。来流量在150 m3/s及200 m3/s时，急弯入口处因航槽的开挖过流面积有所增大，河道主流向右岸偏移，相对天然情况降低了纵向流速。急弯中部流速也因航槽的左扩而降低，并扩大了通航水域宽度。统计数据看出，上述流量下设计方案已满足流速限值的要求，。

来流量增加至248m3/s时，试验观测到急弯段入口流速的显著增加。设计方案虽已经对此处进行了河道扩宽，但急弯入口段的收拢河势使得过流面积突然收缩，导致其最大纵向流速仍达到1.47m/s，超过了流速限值的要求。同时，弯道水流引发的流态紊乱和扫水现象，导致船舶行驶困难，来流量Q≥248m3/s后，设计方案下船舶依然无法安全通航。因此还需对设计方案进行优化调整。

图3 Q=248m3/s局部流速分布图

表3设计方案急弯航段纵横向流速统计表

3.2 优化方案试验研究成果

(1) 优化方案布置

设计方案下游急弯航道的水流条件试验表明，航槽的扩宽增大了河道过水断面，从而降低了急弯处水流流速。但流量增加至248m3/s以上时，弯道入口处纵向流速依然超过限值，船舶无法通航。为进一步降低弯道流速、调顺流态、同时增加航道通航水域范围，本文在试验中扩大了急弯航道疏浚范围。

优化方案的布置见图3。首先将弯道上游河段向右侧最大扩宽20m、平均扩宽约12m，疏浚长度360m、面积4320m

2（见区域3）；其次将弯道入口处，右岸疏浚范围进一步扩大至弯顶处，新增扩宽10m、疏浚长度356m、面积3560m2（见区域4）。两处疏浚区域的底高程与规划航道底高程相同，右侧通过1:3斜坡天然河岸衔接。优化方案的疏浚措施可进一步增加河道过水面积、扩大航道通航水域，从而减小船舶驾驶的难度。

图3 优化方案（红色实心区）

（2）通航水流条件试验

优化方案下,Q=248m3/s的水流流态及其与原设计方案的局部流速对比见图4（黑色箭头为设计方案流速，红色箭头为优化方案流速）,流速指标对比见表4。优化方案下，急弯上游航槽的扩宽及过流面积的增大，使得水流得以平顺入弯。加之急弯入口段的进一步扩展，河道由突然收拢转为缓慢扩大，使得急弯入口处纵向流速得到显著降低。来流量Q=248m3/s时，急弯入口最大纵向流速值由设计方案的1.47 m/s降低到1.01 m/s，降幅达30％，且断面平均流速分布更加均匀。来流量达到最高通航流量Q=305m3/s时，最大纵向流速仅为1.17m/s。可见优化方案下的各项流速指标均在建议限限值范围内。本文通过物理模型试验的研究，提出的优化方案可将安全通航流量提高至Q=307m3/s，达到了设计要求。

图4 Q=248m3/s局部流速对比图

表4 优化方案急弯段纵横向流速统计表

4.结语

锦江丹霞枢纽下游河道呈 “几”字形急弯，水流条件复杂，难以满足通航要求。本文通过物理模型试验，研究了设计方案下急弯入口段、弯顶段和出口段的通航水流条件，优化了疏浚措施，有效地减小弯道水流流速，改善了水流流态，并扩宽了船舶通航水域。本文的研究解决了设计方案下急弯入口段流速超标、船舶入弯困难的问题，将安全通航流量由提高至Q=307m3/s，达到设计标准。本文结合锦江急弯航道水流条件的研究，分析和总结了航槽疏浚措施对局部水流条件的影响，其经验适用于急弯、浅水及狭窄航道的整治，为类似工程提供了一定的思路。

参考文献

[1]王常红,何文辉,程小兵,李旺生. 急弯河段通航水流条件与航道宽度关系研究[J]. 水道港口,2014,35(04):353-357.

[2]李志云，郭国平. 关于弯曲河道对船舶通航影响的研究及对策［J］. 中国水运，2007（3）:8-10.

[3]唐仁杰，胡旭跃，戴玉婷.弯曲河道水流的研究现状［J］.水道港口，2009（4）：108-111.

[4]王云莉,孙国栋,李艳,向美焘,吴成龙. 北江濛里枢纽上游引航道通航水流条件试验研究[J]. 水运工程,2016,(04):105-112.

[5]欧阳彪,陈亮,欧泽全,舒岳阶,王召兵. 北江清远枢纽二线船闸水力特性原型观测及实船试验[J]. 水运工程,2022,(06):112-118.

[6]彭永勤,张绪进. 虎渡溪枢纽下引航道口门区通航水流条件研究[J]. 中国水运(下半月),2017,17(01):18-19+22.