耿樓樞紐模型試驗研究

胡國良

（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 安徽省水利水資源重點實驗室 蚌埠 233000）

1前言

耿樓樞紐位于沙潁河左岸太和縣境內(nèi)，利用史老家至井孜彎道在裁彎處修建樞紐，在節(jié)制閘右側筑右岸封閉堤，將老河道封堵。整個樞紐由節(jié)制閘和船閘組成，樞紐工程建筑物設計等級為2級，節(jié)制閘設計過閘流量3910m3/s，校核流量4770m3/s；船閘按Ⅴ級航道設計，供300t級船隊通航。

節(jié)制閘布置于右側，船閘布置于南側，兩建筑物中間布置分流導堤。節(jié)制閘共布置12孔，單孔凈寬7.5m，總凈寬90m，底板高程21.00m，上下游引河、閘底板高程基本與現(xiàn)狀河道相同，引河底寬上下游分別為107.66m和119.18m。船閘中心線與上下游河道中心線靠近，船閘閘室長120m，凈寬12m，底板頂高程22.0m，上閘首底板頂高程為25.0m，下閘首底坎高程為22.00m。該布置中船閘上下游引航道均為直線，船隊進出均很平順，利于船閘運行。

2 方案整體布置及優(yōu)化試驗

2.1節(jié)制閘泄流能力分析

根據(jù)設計單位提供的設計控制條件，以50年一遇校核標準、20年一遇設計標準敞泄工況作為驗證閘孔泄流能力的兩種工況。校核泄流工況H上＝37.91m，H下＝37.66m，Q=4770m3/s；設計泄流工況H上＝37.02m，H下＝36.77m，Q=3910m3/s。試驗時控制流量及下游水位，實測上游水位分別為37.89m、36.95m，均稍低于設計值，故節(jié)制閘泄流能力滿足要求。

2.2節(jié)制閘及船閘流速及流態(tài)分析

節(jié)制閘上游總體流態(tài)較平順，出流流態(tài)較好。由于節(jié)制閘偏向上游主河道右側，故各運行工況下，主流經(jīng)過分流導堤后，從堤頂至翼墻頂出現(xiàn)大面積回流。從實測結果看，各工況下回流均影響至導堤坡腳處。校核工況最大回流流速達0.97m/s，同時，導堤頂端出現(xiàn)1.42m/s的橫向流速。

各運行工況下，閘下游翼墻后均出現(xiàn)小范圍回流。校核工況、設計工況時防沖槽末端最大垂線平均流速分別為1.94m/s、1.74m/s，此時相應的不沖流速分別為1.88m/s、1.85m/s，校核工況時最大垂線平均流速稍大于不沖流速。考慮到工程實際運用過程中，校核洪水的出現(xiàn)頻率很小，而防沖槽經(jīng)少量的沖刷即可滿足不沖流速的要求，且少量沖刷不影響節(jié)制閘的結構安全。故可以認為各工況下防沖槽末端不致出現(xiàn)沖刷破壞。

表1 耿樓樞紐節(jié)制閘閘門開啟順序表

表2 耿樓樞紐閘門管理運用試驗成果表

最高通航工況時，上游引航道出現(xiàn)300m×80m的回流，最大回流流速達到0.38m/s。下游引航道流態(tài)較好。

2.3方案優(yōu)化試驗分析

為了減小甚至消除節(jié)制閘上游左岸分流導堤處回流，試驗對樞紐上游主河道右岸進行切灘、分流導堤裹頭進行修改，在上游引航道內(nèi)回流流速不超出規(guī)定值的情況下，使上游來流盡量偏向節(jié)制閘并均勻過流。經(jīng)過對不同切灘曲線、分流導堤裹頭型式、下游翼墻型式進行模型試驗比較并優(yōu)化后，各工況下上游水流平順進流，原導堤處回流現(xiàn)象完全消除；各閘孔流速基本平均；下游出流流態(tài)較好，經(jīng)翼墻后水流擴散較充分，翼墻后回流流速較小。校核工況時防沖槽末端最大垂線平均流速實測值為1.91m/s，僅稍大于相應不沖流速1.88m/s。設計工況時防沖槽末端最大垂線平均流速實測值為1.74m/s，小于相應不沖流速1.85m/s。

3 樞紐運行管理

從設計提供的試驗工況中，選取惡劣放水工況進行試驗。閘上水位按33.50m控制，以2孔為一組，按均勻、對稱的開啟原則，每次開啟高度為0.5m，逐次提高。分別試驗1-12孔、2-11孔、3-10孔、4-9孔、5-8孔、6-7孔（在此假定啟閉機同時啟動臺數(shù)為2臺，若超過2臺，則以試驗中2的倍數(shù)按順序進行開啟即可。因閘孔總數(shù)為偶數(shù)，則閘孔數(shù)值從左至右或從右至左均可）同時開啟時閘下流速及流態(tài)，選出最優(yōu)開啟方式。在確定2孔開啟方式后，再依次試驗開啟4孔、6孔、8孔、10孔、12孔，以確定閘門最佳開啟過程。

在開啟1-12孔時，水流從閘孔出流后，一部分順翼墻下泄、一部分在消力池內(nèi)形成回流，但回流沒有危及閘室墻；開啟 2-11、3-10、4-9、5-8孔時，回流不僅在消力池內(nèi)形成，而且向外在翼墻邊也出現(xiàn)回流，同時隨著開啟高度及流量的增加，回流流速也隨之加大；而開啟6-7孔時，則回流由中間向兩邊擴散。從上述試驗現(xiàn)象可以確定若只開啟2孔，則1-12孔為最佳開啟孔位。

在2孔閘門開啟基礎上，依次試驗開啟4孔、6孔、8孔、10孔，直至全開。經(jīng)過試驗比較，得出閘門最佳開啟順序為1-12孔→3-10孔→5-8孔→2-11孔→4-9孔→6-7孔。

閘門開啟方法與順序見表1。

閘門關閉順序與閘門開啟順序相反。

4 閘門控制運行成果

按惡劣放水工況，控制上游水位33.50m不變，下游水位與流量則按照設計院提供的流量～下流水位關系進行控制，分別實測了齊開1m、2m、4m、6m、8m等5組工況，各工況對應泄量、下游水位、防沖槽末端最大垂線平均流速、相應不沖流速等試驗值成果見表2。從表中可以看出，各工況下，防沖槽末端最大垂線平均流速均小于其相應不沖流速，即下游防沖槽從低水位開始均不會受到?jīng)_刷。同時，可以根據(jù)上游來流情況，在閘門開度達到2～3m時即可提升至敞泄狀態(tài)。

5結語

根據(jù)模型試驗分析，最終確定并優(yōu)化了耿樓樞紐整體布置方案，減小甚至消除了影響工程的多種不利因素，為樞紐的安全提供了保障。同時，通過試驗，對各種工況下閘門的啟閉方式提出了建議，有力保障了樞紐的安全運行■