青弋江干流節(jié)制閘主要水力學(xué)問題研究

王越張波（河海大學(xué)水利水電學(xué)院　南京　210098　水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院　蚌埠　233000）

青弋江干流節(jié)制閘主要水力學(xué)問題研究

王越張波
（河海大學(xué)水利水電學(xué)院南京210098水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院蚌埠233000）

青弋江干流節(jié)制閘是青弋江分洪道工程的主要樞紐建筑物，但分洪道中心線、節(jié)制閘中心線和青弋江干流主槽中心線之間存在著較大的的夾角，使樞紐整體流態(tài)不平順。本文以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)研究了青弋江干流節(jié)制閘樞紐布置存在的各種問題，并通過優(yōu)化節(jié)制閘翼墻平面布置、加長消力池并增加消力墩、降低防沖槽高程等措施，使樞紐布置更加合理。

模型試驗(yàn)節(jié)制閘水力學(xué)平面布置

1　問題的提出

水陽江、青弋江、漳河流域位于長江下游右岸，地跨蘇、皖兩省，流域面積18850.00km2。流域地處華東腹地，東臨太湖流域，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，但洪澇災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，也嚴(yán)重制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速健康發(fā)展。青弋江分洪道工程是充分利用老河道，加固（退建）現(xiàn)有堤防、局部新建堤防以及利用已達(dá)標(biāo)堤防形成完整的堤防體系，采取開挖、疏挖等工程措施以擴(kuò)大行洪河道斷面的綜合性分洪工程。分洪道總體路線為：進(jìn)口始于上潮河河口，經(jīng)馬元村上，裁彎取直，在華一村匯入上潮河，沿上潮河，經(jīng)十連圩進(jìn)入白了灘，裁埭南圩彎段，經(jīng)南陵大橋，在三埠管處匯入漳河，沿漳河下行，在石硊圩處裁彎取直，經(jīng)連河圩兩汊，沿漳河在澛港大橋處匯入長江，分洪河道全長47.28km，其中新開挖河道8.09km，疏浚河道39.19km。分洪道上段設(shè)計(jì)流量為2500m3/s，下段設(shè)計(jì)流量為3600m3/s。

為對青弋江過流進(jìn)行有效控制，保證汛期分洪道充分發(fā)揮作用，保證流域下游地區(qū)及十甲任上游防洪安全，保證十甲任節(jié)制閘建后青弋江的通航要求，在青弋江干流（十甲任）修建干流節(jié)制閘樞紐（含船閘）。青弋江干流節(jié)制閘樞紐工程位于分洪道工程渠首下游，閘址距分洪道口約450m。主要建筑物包括節(jié)制閘、船閘和土壩等。因青弋江干流、節(jié)制閘和青弋江分洪道間存在較大的夾角，為保障通航安全，保證樞紐整體布置合理，需要進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。

2　工程設(shè)計(jì)

青弋江干流節(jié)制閘主要建筑物包括節(jié)制閘、船閘和土壩等。節(jié)制閘中心線在閘軸線上游約700.00m處與青弋江主槽中心線相交，夾角約為45°；在閘軸線上游約400.00m處與分洪道中心線相交，夾角約為135°。

節(jié)制閘為開敞式水閘，閘孔尺寸為10.00m×13.90m（寬×高），共12孔，孔口總凈寬120.00m，閘室總寬148.40m。

船閘由閘首、閘室和上下游引航道組成。該河段為Ⅴ級航道，最大設(shè)計(jì)船舶噸位為300t，引航道中心線與壩軸線正交，航道底寬36.00m，上游引航道長280.00m，下游引航道長280.00m。

左岸為均質(zhì)土壩，總長480.00m，壩頂?shù)缆仿访娓叱?5.60m，壩頂設(shè)防浪墻，防浪墻墻頂高程16.50m。

青弋江干流節(jié)制閘主要運(yùn)行工況見表1。

表1　節(jié)制閘設(shè)計(jì)主要運(yùn)行工況表

3　試驗(yàn)及優(yōu)化研究

此次研究整體模型比尺采用1∶80，主要用于樞紐的平面布置研究。斷面模型取一聯(lián)2孔進(jìn)行試驗(yàn)，包括左右兩側(cè)縫墩，中間一個(gè)中墩，總寬24.60m，在寬0.80m的定型玻璃水槽中開展試驗(yàn)研究，模型比尺為1∶30.75，主要用于節(jié)制閘閘下消能工及防沖槽的研究。

3.1節(jié)制閘泄流能力

校核水位下，節(jié)制閘過閘流量為4820.00m3/s，分洪道流量為3280.00m3/s。校核洪水時(shí)下節(jié)制閘過流能力滿足要求。設(shè)計(jì)洪水時(shí)，水閘運(yùn)行方式為控泄，在上下游設(shè)計(jì)洪水條件下，節(jié)制閘閘門開度e=3.44m時(shí)，即可滿足設(shè)計(jì)過閘能力要求。

3.2樞紐流態(tài)及流速分布

原布置方案下，各主要工況分洪道和節(jié)制閘均出現(xiàn)不同程度的偏流。校核洪水時(shí)閘前400.00m以上主流與節(jié)制閘中心線呈約45°夾角，頂沖閘上左側(cè)灘地，頂沖點(diǎn)位于閘上約300.00~400.00m、閘中心線左側(cè)120.00~300.00m范圍，然后主流分成兩股水流，其中一股水流順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入節(jié)制閘閘室，一股水流逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入分洪道。節(jié)制閘閘上來流邊界右側(cè)與閘中心線夾角約為30°，左側(cè)與閘中心線夾角約為90°；節(jié)制閘左邊孔出現(xiàn)回流，回流流速達(dá)0.54~0.60m/s,左側(cè)第二孔流速較小，僅為其余10孔流速的一半，右側(cè)10孔流速分布基本均勻；閘下主流略偏右側(cè)，左岸灘地均為回流區(qū)。分洪道內(nèi)主流也偏向右側(cè)。

設(shè)計(jì)洪水時(shí)閘上流態(tài)包括主流的方向、頂沖點(diǎn)的位置和范圍、節(jié)制閘和分洪道的入流條件等與校核洪水基本一致。隨著總流量的減少，節(jié)制閘上下游和分洪道進(jìn)口流速分布總體略有改善。由于節(jié)制閘在設(shè)計(jì)洪水時(shí)為控泄，閘孔出流更為均勻，各孔流速相差不大。閘下左側(cè)翼墻出現(xiàn)局部回流，水躍躍尾已超出了消力池范圍。斷面模型實(shí)測水躍長度達(dá)21.00m，與整體模型試驗(yàn)成果保持一致。

3.3樞紐通航水流條件

最高通航水位時(shí)，閘上主流偏離航道，閘下水流平順，上下游航道內(nèi)無回流，最大橫向流速為0.20m/s，滿足安全通航的要求。

最高通航水位時(shí)，在節(jié)制閘過閘流量為1000.00m3/s，分洪道分流2000.00m3/s，或者節(jié)制閘過閘流量為2000.00 m3/s，分洪道分流流量為1000.00～3000.00m3/s時(shí)，上引航道口門區(qū)橫向流速為0.10～0.23m/s，滿足規(guī)范要求，上游引航道制動段和停泊段縱橫向流速及下游引航道內(nèi)回流流速最大值均小于規(guī)范規(guī)定的上限值。上引航道進(jìn)口連接段由于受青弋江上游主流的影響橫向流速稍大，但由于范圍相對較小，對通航安全總體影響不大，設(shè)計(jì)單位可酌情考慮適當(dāng)擴(kuò)寬連接段寬度。

3.4消能防沖

校核洪水時(shí)防沖槽末端底部水流流速為2.20m/s，設(shè)計(jì)工況為1.47m/s，均超過該處河道不沖流速，應(yīng)適當(dāng)降低防沖槽高程。

3.5原布置方案存在的主要問題及解決思路

因分洪道中心線、節(jié)制閘中心校、青弋江干流主槽中心線之間存在著較大的夾角，故對上游河道、分洪道左右側(cè)裹頭進(jìn)行小范圍的修改對改善樞紐總體流態(tài)作用不大。

設(shè)計(jì)、校核洪水時(shí)閘上左邊孔出現(xiàn)回流，可以通過修改節(jié)制閘左翼墻平面布置予以改善。

節(jié)制閘下游翼墻后的回流可通過修改下游翼墻曲線予以改善。

設(shè)計(jì)洪水時(shí)閘下消能工消能效果不佳，可通過加深、加長消力池或在消力池內(nèi)增加輔助消能工予以改善。校核設(shè)計(jì)洪水時(shí)，防沖槽末端底部水流流速超過該處河道不沖流速，應(yīng)適當(dāng)降低防沖槽高程。

3.6樞紐優(yōu)化研究

3.6.1上下游翼墻優(yōu)化研究

為改善節(jié)制閘左側(cè)進(jìn)流條件，消除左邊孔的回流，改善左側(cè)邊孔的過流能力，對節(jié)制閘上游左側(cè)翼墻進(jìn)行了三個(gè)方案的修改試驗(yàn)：

（1）取消翼墻、將上游邊坡順接至節(jié)制閘邊墩，該方案校核洪水時(shí)，主流脫離邊界，節(jié)制閘左側(cè)1~2孔回流消失，但過流能力仍較弱，其他各孔過流能力基本均勻，較原型方案略有改善，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）將節(jié)制閘上游左翼墻曲線修改為半徑為30m的1/4圓弧，此時(shí)上游流態(tài)進(jìn)一步改善，節(jié)制閘左側(cè)2孔的過流能力與其他10孔更為接近，但主流仍集中于右側(cè)10孔，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）將節(jié)制閘上游左翼墻曲線修改為長軸半徑為45m（順?biāo)飨颍梯S半徑為30m的1/4橢圓，同時(shí)，橢圓弧上游端點(diǎn)以與樞紐軸線呈夾角45°的直線段延伸至土壩。修改后，左側(cè)邊孔附近回流區(qū)消失，節(jié)制閘各孔流速分布基本均勻，建議采用該方案。

此外，試驗(yàn)還對節(jié)制閘上游右翼墻、下游左右側(cè)翼墻分別進(jìn)行了橢圓曲線、圓弧曲線等優(yōu)化試驗(yàn)，與原布置方案相比，流態(tài)變化不大，建議其他各處翼墻布置仍采用原布置方案。

3.6.2消能工優(yōu)化研究

由于原布置方案設(shè)計(jì)洪水工況時(shí)，閘下水流水躍長度超出消力池范圍，因此在斷面模型中開展消力池優(yōu)化布置方案試驗(yàn)。消能工優(yōu)化布置研究進(jìn)行了消力池加深0.5m、加深1.0m、加長5m、設(shè)置消力墩、加高消力池尾坎及其相互組合的共10組試驗(yàn)，各組試驗(yàn)全部按照設(shè)計(jì)洪水工況進(jìn)行控制。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅加長、加深消力池或加高消力池尾坎，閘下水躍均不能有效控制在消力池內(nèi)。只有在加長5.00m消力池的基礎(chǔ)上，再增加兩排高為1.00m的消力墩才能使水躍完全發(fā)生在消力池內(nèi)。按照斷面模型試驗(yàn)成果修改整體模型后，整體模型試驗(yàn)現(xiàn)象與斷面模型一致。

3.6.3防沖槽優(yōu)化研究

將防沖槽頂面高程分別降低1.00m、2.00m、3.00m進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)將防沖槽頂面高程降低3.00m至-1.40m高程時(shí)，校核洪水時(shí)防沖槽末端最大底速為1.28m/s，設(shè)計(jì)工況為1.08m/s，最高通航水位工況為0.37m/s。可見防沖槽頂面高程降低3.00m后，各工況防沖槽末端最大低速均出現(xiàn)較大程度地減小，且各工況防沖槽末端底流速均已小于河道理論不沖流速，防沖槽末端下游河道出現(xiàn)沖刷的幾率相對較小。

4　結(jié)論及建議

（1）節(jié)制閘泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）由于分洪道、節(jié)制閘、青弋江干流之間存在著較大的夾角，各主要工況分洪道和節(jié)制閘均出現(xiàn)不同程度的偏流；對上游河道、分洪道左右側(cè)裹頭進(jìn)行小范圍的修改對改善總體流態(tài)作用不大；各工況閘上青弋江主流均對閘上左側(cè)灘地形成頂沖，頂沖區(qū)域位于閘上約300.00～400.00m、節(jié)制閘閘孔中心線左側(cè)120.00～300.00m的范圍內(nèi)，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的防護(hù)設(shè)計(jì)，并在樞紐管理運(yùn)行過程中加強(qiáng)監(jiān)測。

（3）最高通航水位時(shí)，上引航道口門區(qū)橫向流速均滿足規(guī)范要求，上游引航道制動段和停泊段縱橫向流速及下游引航道內(nèi)回流流速最大值均小于規(guī)范規(guī)定的上限值。上引航道進(jìn)口連接段由于受青弋江上游主流的影響橫向流速稍大，但由于范圍相對較小，對通航安全總體影響不大，設(shè)計(jì)單位可酌情考慮適當(dāng)擴(kuò)寬連接段寬度。

（4）將節(jié)制閘上游左翼墻曲線修改為長軸半徑為45.00m（順?biāo)飨颍梯S半徑為30.00m的1/4橢圓后，節(jié)制閘左側(cè)邊孔附近回流區(qū)消失，各孔流速分布基本均勻，校核洪水時(shí)節(jié)制閘總泄量為5500.00m3/s，增加約700.00m3/s。

（5）消力池池身加長5.00m至20.10m，且在消力池中增設(shè)兩排消力墩后，消能效果良好，有效解決了原布置方案設(shè)計(jì)洪水工況水躍超出消力池范圍的問題。

（6）原布置方案校核和設(shè)計(jì)水位工況時(shí)，防沖槽末端底流速均大于河道原狀土理論不沖流速，消力池按最終優(yōu)化方案布置且將防沖槽頂面高程降低3.00m至-1.40m高程后，校核、設(shè)計(jì)及最高通航水位工況防沖槽末端底流速均為小于河道不沖理論流速，防沖槽末端下游河道出現(xiàn)沖刷的幾率較小■