沭新北船閘導流堤體型優化下航道水力特征影響研究

李文明,鐘 瑾,朱 莎

(1.江蘇省淮沭新河管理處,江蘇 淮安 223001,2.淮陰工學院,江蘇 淮安 223001)

1 概 述

船閘是水利樞紐工程中重要通航設施[1],能保障水上交通安全穩定運行。 研究水閘樞紐工程通航水流狀態,可為船閘調度、維護加固等提供理論依據。 麥建清等[2]、徐剛等[3]為研究船閘結構水力特征,采用滲流場模擬計算方法,對船閘樞紐水力特性開展計算分析,探討了船閘內流速、泥沙淤積以及水流流態、流線等特征,對推動船閘工程的高標準運營提供了數據支撐。 韓瑩瑩等[4]、沈立群等[5]為研究船閘樞紐的最優化調度運營方案,設計開展水工模型試驗,根據模型試驗結果,評價了閘體流速、水位以及壓強等水力參數,對提高水工建筑物建設水平具有重要意義。 導流堤是船閘樞紐中重要構件,楊峰等[6]為優化導流堤平面布置,采用對比分析方法,對導流堤結構體型進行優化,并結合滲流場特征、結構靜力學特征等,分析了導流堤設計對船閘運營的影響。

為了研究沭新北船閘工程的流量調度、導流堤體型特征,本文建立船閘水工模型,分析不同流量調度方案、不同導流堤體型下船閘航道水力特性,并提出閘體運營參考建議。

2 研究方法

2.1 工程介紹

淮沭新河是分淮入沂、淮水北調的重要人工河道,其聯通了連云港、淮安等地區,對地區用水緊張、農業灌溉效率較低等具有重要緩解作用。

薔薇樞紐又稱沭新河渠尾控制樞紐,通過人為影響河道水位,使淮沭新河、沭新干渠等能夠保證輸水勢能,形成一定的水位落差效應,方便下游灌區輸水灌溉、通航以及水力發電,薔薇河地涵區域分布見圖1。 該地涵工程共有3 孔,單孔凈寬4.5m,設計過閘流量65m3/s,規劃年輸水超過2 000×104m3,惠及下游農田超過3.333×104hm2。

圖1 薔薇河地涵區域分布

沭新北船閘是薔薇河地涵樞紐工程重要組成部分,位于薔薇河地涵工程下游1 000m,具有800t 級通航作用,同時承擔著區域排澇防洪。 設計最大排澇流量30m3/s,設計為六級航道,是淮沭新河引調水工程的重要交通線。

根據對沭新北船閘工程調研得知,其上下游最大水位分別為7.8、7.5m,通航運行水位分別為6、3.5m,而通航水位最大可分別調整為7.5、6m,設計通航標準為800t 船隊。 從沭新北船閘工程結構分析,全閘室長度135m,凈寬度12.5m,閘首凈寬10m,閘室體型設計采用漿砌石承重結構,底板厚0.6m,所在高程-0.5m,閘頂高程7.5m,全閘身漿砌石砌塊在多次運營監測及除險加固中仿真分析,均表明閘體自身結構安全可靠度好,最大沉降位移不超過5mm。 船閘啟閉動力裝置來源于4 臺推桿啟閉機,最大轉速880 轉/min,上下游閘門頂高程均為8m,底高程分別為3、-0.5m,閘門為平面鋼閘門,寬度6.06m,可承受最大時均壓強超過50kPa,能夠滿足峰值水位下擋水或閉水。

基于沭新北船閘工程運營監測分析,通航水流條件常遇非穩定水流、流線集中以及局部航段泥沙淤積嚴重的現象,這與沭新北船閘樞紐工程結構體型布置有關。 如上下游航道進流調度方式以及導流堤體型結構等,均會改變沭新北船閘航道水流狀態,從而影響通航條件。 為此,沭新北船閘管理部門考慮在不干擾通航條件現狀的基礎上,先期對影響航道水流特征的顯著條件開展水工模型試驗研究,為樞紐工程優化平面布置提供依據。

2.2 試驗方法

在考慮沭新北船閘工程實際情況的前提下,按照水工模型制作標準,將船閘樞紐工程包含的節制閘、船閘、上下游航道以及導流堤等組成部分,均制作出相應室內模型。 該模型研究影響范圍包括上游航道4km、下游3. 5km,河段總長9km,河面寬度1.5km,幾何比尺1/80,研究試驗段主軸長125m,進出水口長5m,模型總面積超過1 500m2。

為貼合船閘樞紐工程實際模型,采用水泥砂漿作為河道硬化層,表層凸起厚度不超過5mm,局部泥沙淤積地采用預制面板加密處理。 模型中,不論是閘身或是航道,其混凝±剛性材料糙率均需滿足0.007 5。 圖2 為所建船閘樞紐工程模型示意,供、退水管路均采用管徑20cm 的剛性管道輸水,不考慮其輸水耗散,且認為管壁為不透水邊界。

圖2 船閘樞紐工程模型

根據水工模型試驗原理,本模型流量比尺為48 600,流速與時間比尺均為8.5,且模型水流為紊流特征[7],雷諾數、水深等水力參數分別不低于1 000、2cm。 同時,鑒于船閘航道泥沙淤積影響,故需考慮渾水河床受沖刷影響,其試驗泥沙粒徑保持不超過2mm,且為天然砂、塑料砂以及滑石粉等材料的混合體,容重2.1g/cm3,沉降相似以及起動相似比尺分別為2.35、3.2,顆粒細沙的中值粒徑0.05mm,顆粒沙的各項物理參數均與淮沭新河道泥沙沉降屬性一致。 模型的進出水口均設置有擋水閘門,為剛性平面結構體型,寬、高分別為2.6、3.2m,圖3 為該船閘實際模型的細部構造特征。

圖3 船閘水工模型細部構造

為全面準確獲取船閘運營期內航道水流狀態,采用水位測試儀、流速標記儀等測量設備開展數據監測,見圖4。

各測量設備均布置在水流上、中、下3 個層次深度內,設備傳感器誤差不超過0.1%。 從船閘及航道運營監測考慮,所有數據分析需覆蓋全樞紐工程,故在航道、閘室內布置有各監測斷面點,圖5(a)為閘室、下游航道上分布的監測斷面點,閘室內間距0.5m,航道上間距1m,共有A1-A10、B1-B15 斷面監測點。

在開始水工模型試驗前,對航道相關數據先期開展了在模型監測數據與實際河段數據對比。圖5(b)為上游航道流量320m3/s 時,下游河段4～8m 內流速數據對比,最大誤差0.018m/s,流速分布以及趨勢特征具有一致性,滿足試驗相似性要求

本模型試驗中,需要探討航道水流影響因素,設計試驗組包括流量調度組與導流堤結構體型優化組。 前一組參數為不同方式下的流量組合,設計通航流量為300、600、900、1 200 和1 500m3/s 共5 組,均為敞泄流量組合方式。 后一組影響因素為導流堤長度參數,并只考慮導流堤身向上游延伸長度,分別設計延伸長度為25、40、55、70、85 和100m 共6 種方案。 其中,延伸長度100m 后,導流堤已超過閘身與河道彎角處。 基于兩組因素下的模型試驗探討,分析航道、閘室內水流水力參數,為工程建設提供數據支撐。

3 調度方案設計影響下航道水力特性

基于不同流量調度方式下水力模型試驗,獲得各方案下航道回流特征,見圖6。

圖6 航道回流特征

分析圖6(a)可知,不論調度流量工況為何值,只要保證航道口門區仍具有相應穩定水流,則回流區所在航段仍位于口門區與導流堤左側,該區域為航道回流出現的集中區。 從回流區分布尺寸來看,調度流量愈大,則回流區分布面積愈廣,回流區的長、寬參數均增大。 在圖6(a)中,調度流量為300m3/s 時,回流區分布的最大長、寬分別為82、24.5m;而調度流量為600、1 200m3/s時,相應的回流區最大長度分別達85、95m;而調度流量超過1 200m3/s 以后,為1 500m3/s 工況時,回流區長、寬較之調度流量300m3/s 下分別增大52.4%、140.8%。 調度流量增加,河道水流流速提高,水流黏滯性影響河道主流發展,從而提高了回流區分布范圍,回流強度、回流漩渦均會顯著提升,特別是在調度流量超過1 200m3/s后,影響更敏感[8-9]。

從圖6(b)航道回流區最大回流速度對比可知,流速與調度流量為正相關關系。 在調度流量為300～900 m3/s 下,回流速度的增長仍較緩慢,流速分布為0.1～0.24m/s;而在1 200m3/s 工況后,流速陡增,調度流量1 200～1 500 m3/s 兩者間增幅可達77.9%,調度流量梯次變化300m3/s,則回流速度增幅可達67.3%。

綜合對比分析認為,調度流量會改變河道主流特征,從而影響航道回流區分布擾動,引起回流、斜流等非穩定水流,不利于航道水流紊動,限制了船閘通航水流條件。

4 導流堤體型優化下通航水流特性研究

4.1 通航水流特征

在考慮導流堤延伸長度的前提下,開展導流堤結構體型優化對比試驗,圖7 為航道B1-B15各斷面上流速分布變化特征。 從圖7 流速對比可知,在導流堤不同延伸長度下,航道斷面流速分布變化具有明顯差異性,特別是在峰值流速斷面等航段處。 當延伸長度為25～55m 時,航道各斷面流速整體呈遞增-遞減-穩定變化,峰值流速位于斷面B5;而延伸長度為70～100m 時,相應斷面流速為遞增-小幅遞減-再次遞增變幅,二次遞增段分布于B11-B16,一次遞減段降幅分布為B7-B11。 對比可知,當導流堤延伸長度過長,不利于控制航道下游末端流速穩定,促發水流裹挾過多水利勢能,從而造成航道水流紊動[10]。

圖7 航道B1-B15 各斷面上流速分布變化

分析流速水平可知,導流堤延伸長度愈大,航道斷面流速水平愈低。 在導流堤延伸長度25m方案內,其峰值流速為1.56m/s,航道全斷面平均流速0.83m/s;而延伸長度為55、85、100m 時,相應的峰值流速較之前者分別減少34.5%、85.5%,而斷面平均流速分別為0.55、0.12m/s。 從斷面流速的降幅對比來看,在延伸長度70～100m 方案后,其流速降幅實質上較小,方案間各斷面測點處流速較為接近,B1-B15 各測點斷面流速最大變幅為12.5%,屬于延伸長度85～100m 方案間B7 測點。 綜合對比可知,延伸導流堤長度,可減小非穩定滲流,約束水流活動,確保航道水流平穩。

4.2 樞紐水沙淤積特征

航道內水流狀態不僅需要考慮流速特征,還需考慮航道泥沙淤積變化,確保航道水流安全,圖8 為航道內各測點處泥沙淤積厚度分布變化特征。 由圖8 可看出,航道斷面上泥沙淤積變化具有一致性,淤積峰值厚度位于斷面測點B12。在閘室-航道區段內,泥沙淤積仍處于低水平;而在航道斷面B7 后,泥沙淤積較顯著,部分測點淤積厚度超過30cm。 總體上,泥沙淤積曲線呈穩定-遞增-遞減變化。 分析認為,改變導流堤延伸長度,不會影響航段泥沙淤積分布趨勢,只會改變不同斷面處泥沙淤積厚度,而泥沙淤積分布特征主要受航段流量影響。

圖8 航道B1-B15 各斷面上泥沙淤積分布變化

分析泥沙淤積與導流堤延伸長度關系可知,兩者為負相關變化。 在延伸長度25m 時,航道全斷面上泥沙淤積厚度分布7.5～35.5cm;而延伸長度40、70m 時,峰值厚度較之前者分別減少28.1%、56.7%;總體隨導流堤延伸長度每梯次變幅15m,其淤積厚度峰值平均可下降4.2cm,降幅為15.9%。 此外,從泥沙淤積厚度變幅也可看出,導流堤延伸長度在70m 以內時,泥沙淤積厚度受削弱明顯高于延伸長度70～100m 內,即導流堤延伸長度為25～70m 內時,導流堤長度能夠適配于泥沙淤積狀態[11],有利于航段水沙懸浮運動。

5 結 論

1)回流區分布于航道口門區與導流堤左側,調度流量改變,不影響回流區分布集中區。 調度流量愈高,回流區分布長、寬愈大,回流強度、回流漩渦等均提高。 回流速度與調度流量呈正相關,調度流量每梯次變化300m3/s,則最大回流速度可增長67.3%。

2)導流堤延伸長度不同,則航道斷面流速分布變化具有顯著差異。 在延伸長度25～55m 與70～100m 時,流速分別呈遞增-遞減-穩定、遞增-小幅遞減-再次遞增變化。 導流堤延伸長度與航道斷面流速為負相關,且延伸長度70～100m 后,流速降幅較小。

3)導流堤延伸長度不同,但航道斷面泥沙淤積分布變化均為穩定-遞增-遞減。 泥沙淤積厚度與導流堤延伸長度為負相關變化,隨延伸長度每梯次變幅15m,其淤積厚度峰值平均下降15.9%,尤以延伸長度25～70m 內限制泥沙沉降更顯著。