十八聯圩進退洪閘退洪工況下流態分析

李駿峰

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

合肥市現行防洪標準為100年一遇，隨著合肥市經濟體量的增加，未來防洪標準將提升到200年一遇。隨著近些年來極端天氣頻發，合肥市的防洪工程經受著嚴峻的考驗。2020年7月19日，南淝河發生了約50年一遇洪水，南淝河市區段洪水位超百年一遇，情況異常危急，同一天，為保障合肥主城區防洪安全，合肥市果斷啟用十八聯圩濕地蓄洪以削減南淝河洪峰流量，大大緩解了南淝河上游城區的防洪壓力。十八聯圩進退洪閘軸線垂直于南淝河河道，當閘口退洪時，退洪水流與河道水流正交產生一定范圍的回流區，從而導致船體舵效降低，姿態不穩，甚至可能造成行船事故的發生。為了南淝河航道的通行安全，有必要對退洪時閘身一定范圍內河道流態展開研究[1-2]。

1 工程概況

十八聯圩進退洪閘位于南淝河左堤沙河口下游約200m處，堤后堤腳處地面高程在10.0m左右，堤腳以后約50m為穩定塘，塘高程為6.0m左右。閘址處堤頂高程約14.0m，寬約8.0m，閘址上下游河道順直，堤外灘地寬約120m，高程3.5～9.5m。進(退)洪閘共5孔，單孔寬8.0m，底坎高程7.2m，總凈寬40m。水閘進退洪采用垂直河流方向，根據規劃要求，十八聯圩進退洪閘主要任務為削減南淝河洪峰流量，其次為分蓄巢湖洪水，樞紐總體布置如圖1所示。

圖1 樞紐總體布置圖

2 模型設計與驗證

2.1 模型設計

為保證十八連圩進退洪閘上下游水流與原型相似，整體模型模擬范圍包括南淝河沙河口上游約730m、下游約480m的河道、沙河河口上游長約600m河道以及圩區閘下約600m內區域。模型范圍內包含十八連圩進退洪閘各部分主要建筑物。模型按照重力相似準則設計，結合工程經驗及實驗場地具體情況，取整體水工模型比尺為1∶50，模型比尺參數見表1[3-7]，經驗算，模型滿足規范要求的下述條件：

(1)模型水流進入阻力平方區；

(2)模型糙率能達到與原型基本相似；

(3)當模型出現表面波時，模型表面流速大于23cm/s，水深在3cm以上；

(4)模型為正態模型。

模型制作主要內容包括：模型地形制作、建筑物模型制作與安裝、邊墻、量水堰及前池砌筑尾門及制作與安裝、人行臺階砌筑及便橋等制作與安裝、模型試水與修正等。

2.2 水位測點及測流斷面

為進行水位及斷面流速檢測，模型布設若干水位測點及流速測量斷面。考慮到描述方便，整體模型設定為：十八連圩進退洪閘閘軸線所在斷面樁號W0+000，相應閘上人工地形及閘下圩區斷面1樁號分別為W0-XXX、W0+XXX；南淝河于沙河口處斷面樁號為Q0+XXX，相應其上下游南淝河斷面樁號分別為Q0-XXX、Q0+XXX；斷面樁號數值為任一斷面與0+000斷面線之間間距，單位為m，用于檢測水閘上下游各處水位。將測點(W0+150)和(W0-100))分別作為水閘下游圩區及上游河道水位控制點，經試驗驗證，所選取的測點位置能準確反應水閘上下游水位及水位落差。為觀測水閘上下游流速分布，我們設置5個流速測量斷面，各流速觀測斷面垂直于所在河中心線或閘軸線。每條流速測量斷面上施測點垂線間距取5m，各水位測點樁號及位置詳見表2，斷面位置詳如圖2所示。

表2 十八聯圩進退洪閘整體水工模型水位測點布置

圖2 水位測點樁號斷面位置圖

2.3 實驗量測儀器及實驗方法

整體水工模型采用水位測針量測和控制水閘，上、下游沿程水位；采用平板薄壁堰或直角三角堰檢測各處來流或退水流量；采用旋槳流速儀或三維流速儀(用于南淝河斷面橫向流速)測量斷面流速。

模型試驗流量、流速、水位等檢測采用的主要儀器誤差如下：量水堰；測量誤差小于1%；流速儀：率定測點不少于15個，75%的測點偏差不超過2%～3%；水位測針：測針測量精度0.1mm，根據相關試驗規程，均滿足試驗精度要求。

2.4 方案研究

針對退洪我們分別考慮了3種工況，并不斷降低各退洪工況的退洪流量，直至閘下附近區域南淝河航道的橫向流速、回流流速等滿足規范要求，以尋找水閘設計退洪工況、惡劣退洪工況及最高通航水位退洪工況時的安全泄量。退洪工況河道上游來水流量為南淝河200年汛期實測流量組合沙河2年一遇流量。組次1、2、3為3組不同泄量的設計反向退洪工況，上下游水位分別為12.75、11.6m，組次1控制閘門開度為1.71m實測過閘流量，組次2、3分別控制退洪流量為150、130m3/s，尋找相應的閘門開度。組次4為惡劣退洪工況，上下游水位分別為13.36、10.5m，控制退洪流量為120m3/s，尋找相應的閘門開度。組次5為最高通航水位退洪工況，上下游水位分別為13.36、12.8m，控制退洪流量為130m3/s，尋找相應的閘門開度[8-10]，各工況實驗組次及控制條件詳見表3。

表3 十八聯圩進退洪閘整體水工模型各工況實驗組次及控制條件表

3 計算結果與分析

3.1 設計工況實驗結果

根據三維流速儀測量南淝河特征斷面結果，計算流速與航道中心線夾角及橫向、縱向流速分量。航道中心線左、右2側90m范圍內為有效通航區域。組次1、2、3、4、5等5組退洪工況南淝河航道各特征斷面總流速及橫向流速值計算表見表4。組次1退洪流量246.6m3/s設計退洪工況橫向流速超標區域位于Q0+300斷面航道中心線左側40m～右側10m區間，一般超0.00～0.17m/s，流態如圖3所示。組次2退洪流量150m3/s設計退洪工況橫向流速超標區域位于閘下100m處W0-100出流斷面閘孔中心線左側40m～左側25m的航道左側邊緣區域，橫向流速一般超0.05～0.1m/s，流態如圖4所示。退洪流量分別為130、120、130m3/s的設計退洪工況、惡劣退洪工況及最高通航水位退洪工況，水閘退洪水流與南淝河、沙河來水交匯后很快向南淝河下游方向轉向、平順下泄，水流流態較好，3工況在水閘下游及水閘上游與沙河之間的南淝河左側區域均存在2處大小不同的回流區，3工況2處回流區最大回流流速均分別不大于0.20、0.15m3/s，滿足規范要求，流態如圖5—7所示。

表4 南淝河航道各特征斷面總流速及橫向流速值計算表

圖3 閘門開度為1.71m3/s流態照片

圖4 退洪流量為150m3/s時流態照片

圖5 退洪流量為130m3/s時流態照片

圖6 惡劣退洪流量為120m3/s流態照片

圖7 最高通航水位下退洪流量為130m3/s時流態照片

3.2 實驗結果分析

(1)組次1、2均有一定范圍橫向流速超標區域，直至組次3降低退洪流量為130m3/s，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內橫向流速最大值分別為0.29、0.11、0.14、0.23、0.15m/s，均小于規范上限約定值0.3m/s。建議水閘設計退洪工況退洪流量不大于130m3/s；

(2)組次4為退洪流量為120m3/s的惡劣退洪工況，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內橫向流速最大值分別為0.23、0.10、0.13、0.28、0.12m/s，均小于規范約定的上限值0.3m/s。建議水閘惡劣退洪工況退洪流量不大于120m3/s；

(3)組次5為退洪流量為130m3/s的最高通航水位退洪工況，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內橫向流速最大值分別為0.28、0.06、0.14、0.29、0.15m/s，均小于規范約定的上限值0.3m/s。建議水閘最高通航水位退洪時退洪流量不大于130m3/s。

4 結語

通過十八聯圩進退洪閘水工模型試驗，獲得了退洪情況下的紊流流場數據，并對其水流流態和流速分布情況做了細致分析，發現退洪閘垂直河道的出流方式會對下游河道流態造成一定影響，尤其是下游河道同時存在航道需求的情況，應盡量減小退洪流量，降低退洪流量，十八聯圩進退洪閘設計退洪工況、惡劣退洪工況、最高通航水位工況下，不影響航道通行要求的最大退洪流量分別為130、120、130m3/s，為類似的進退洪閘設計提供了工程經驗。