高落差跨流域运河主支流交汇区通航水流条件调控与泥沙拦截协同治理研究——以平陆运河钦江段为例

本文针对平陆运河钦江支流与主航道16.7米高差交汇区存在的横向流速超标（>0.3 m/s）和流态紊乱等通航安全问题，通过1:50比尺河工模型试验系统优化了阶梯式消力池与沉沙池组合方案（Measure III）。研究证实1.5%缓坡+两级消力池+两级台阶+沉沙池的协同设计可使横向流速降至0.28 m/s以内，水面比降控制在0.13‰-0.66‰，同时实现96.4%的泥沙拦截率，为高落差运河交汇区水力调控提供了关键技术范式。

　　

引言

平陆运河作为中国西部陆海新通道的关键工程，其钦江支流交汇区存在16.7米的显著河床高差，导致洪水期横向流速超标（>0.3 m/s）和复杂流态（涡漩、回流），严重威胁3000吨级船舶通航安全。该研究通过多组比尺模型试验，系统评估了不同消能方案对通航水流条件的改善效果与泥沙拦截效能。

研究方法

研究采用1:50正态固定河床模型（λ_h=50）与1:100水槽模型双重验证体系。模型范围涵盖钦江支流2.0公里及主航道上下游各1.5公里河段，共布设258个断面和25组水位测针。通过曼宁糙率相似准则（λ_n=λ_h^1/6=1.92）控制边界阻力相似性，确保雷诺数Re_M>1000满足紊流相似要求。试验设置两种水文条件：工况1（主支流5年一遇洪水，Q_主=1112 m³/s，Q_支=1380 m³/s）和工况2（支流10年一遇+主流5年一遇，Q_支=2029 m³/s）。

改进措施设计

研究系统比较了四种工程方案：

• •
  方案I：6%陡坡连接，直接衔接主航道；
• •
  方案II：三级阶梯式消力池，总长280.86米；
• •
  方案III：1.5%缓坡+两级消力池+两级台阶+沉沙池；
• •
  方案IV：在方案III基础上增加10排齿墩消力工。

水流特性优化

方案III在两种水文条件下均表现出最优流态调控能力。工况1下合流速降至1.56 m/s（DM35断面），横向流速控制在0.27 m/s以内；工况2下最大横向流速0.28 m/s（DM28-DM29断面），完全满足通航标准<0.3 m/s。相较方案II的0.46 m/s超标流速，降幅达39%。水面比降从方案II的0.41‰（交汇区）优化至0.34‰，显著低于2.0‰的通航限值。

能量耗散机制

通过伯努利方程定量计算表明，方案III在工况1/2下的总水头差分别为16.24 cm和17.75 cm，能量耗散效率达76.71%-78.26%。其核心机制在于：

1. 1.
   缓坡段势能-动能梯度转换；
2. 2.
   一级消力池射流剪切耗散；
3. 3.
   二级消力池底坎冲击紊动；
4. 4.
   台阶区表面滚流混合；
5. 5.
   沉沙池断面扩增湍流耗能。

泥沙拦截效能

1:100水槽模型泥沙试验显示，方案III的沉沙池对d₅₀=1.2±0.3 mm的泥沙实现分级拦截：

• •
  工况1：泥沙主要沉积于缓坡段及一级消力池，沉沙池仅见微量沉积；
• •
  工况2：二级消力池拦截效能提升，整体拦截效率达96.4%。
  沉沙池容积设计与流线导向有效防止泥沙进入主航道，避免河床形态改变引发的流速分布畸变。

工程应用价值

该研究首创的"缓坡-消力池-台阶-沉沙池"协同设计体系，解决了高落差交汇区流速控制与泥沙治理的耦合难题。其创新性体现在：

1. 1.
   通过两阶段模型试验（方案筛选+效能验证）提升优化效率；
2. 2.
   消力池流态稳定与沉沙池容积拦截的时空耦合；
3. 3.
   兼顾5年/10年一遇洪水标准的适应性。
   研究成果为跨流域运河类似工程提供了可复用的技术范式，特别适用于西南地区高落差支流交汇的通航安全治理。

局限与展望

当前研究未量化沉沙池清淤频率、机械清淤与水力冲刷等运维参数，也未评估消力池混凝土耐久性退化对长期效能的影响。后续需结合原型监测与数值模拟，完善全生命周期运维策略。