雙向過(guò)流節(jié)制閘與船閘整體布置研究

張 波李 保

（1.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部淮委·安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233001 2.長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局 上海 200000）

雙向過(guò)流節(jié)制閘與船閘整體布置研究

張 波1李 保2

（1.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部淮委·安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233001 2.長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局 上海 200000）

巢湖閘具有正向和反向過(guò)流功能，不同過(guò)流條件下，航道上下游口門區(qū)的流速分布可能大相徑庭，而船閘口門區(qū)的流態(tài)流速分布直接影響著航道的通航安全。為使巢湖復(fù)線船閘的引航道達(dá)到規(guī)范要求的安全通航條件，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)巢湖樞紐的整體布置進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，分析了雙向過(guò)流節(jié)制閘與船閘的平面布置應(yīng)著重考慮的因素。

雙向過(guò)流 平面布置 口門區(qū) 通航條件

1 巢湖樞紐概述

巢湖是我國(guó)五大淡水湖之一，巢湖閘樞紐工程位于巢湖市南郊司家巷坡附近，主要工程于二十世紀(jì)六十年代初期建成，由節(jié)制閘、船閘、引河及導(dǎo)流堤等組成，具有防洪、排洪、蓄水、引水灌溉及通航多種功能。巢湖閘引河上連巢湖，下接原裕溪河，基本呈直線布置，河軸線自北向南偏西約30°，2002年加固擴(kuò)建后，河底寬100m。節(jié)制閘布置在引河的左側(cè)，老節(jié)制閘共10孔，每孔凈寬5m，底坎高程4.0m，為滿足排洪要求，于2002年進(jìn)行了擴(kuò)建，擴(kuò)建閘閘室為潛孔式，單孔凈寬5.0m，共6孔，高7.5m，底坎高程4.0m，節(jié)制閘總設(shè)計(jì)流量1370m3/s。

老船閘位于引河的右側(cè)，與節(jié)制閘平行布置，兩閘中心距約128m，老船閘設(shè)計(jì)采用原蘇聯(lián)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，閘室長(zhǎng)195.0m，凈寬15.00m，底坎高程3.5m。上下閘首均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘門均采用橫拉門，齒條式啟閉機(jī)。

根據(jù)現(xiàn)狀地形地質(zhì)條件，復(fù)線船閘建于老船閘右側(cè)，下閘首位于攔河堤上，參與防洪。新、老船閘中心相距80m（以現(xiàn)有船閘下閘首部位算），閘縱軸線相對(duì)于現(xiàn)有船閘軸線向南偏3°。復(fù)線船閘縱向布置長(zhǎng)度：上、下閘首30.5m（包括檢修門槽）、閘室段230m，上下游導(dǎo)航墻各為60m。復(fù)線船閘航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為1000t級(jí)，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力6000萬(wàn)t。閘室尺度為230m×23m×4.5m（長(zhǎng)× 寬×門檻水深）。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

新建復(fù)線船閘后，巢湖閘將形成老節(jié)制閘、潛孔式新節(jié)制閘、老船閘和復(fù)線船閘共存的局面。巢湖閘具有正向和反向過(guò)流功能，船閘口門區(qū)的流速流態(tài)有可能隨著節(jié)制閘過(guò)流流向的改變而惡化；且新老船閘間的距離很近，中間無(wú)分隔堤，船閘灌泄水時(shí)易相互影響。因此須對(duì)船閘引航道在各運(yùn)行工況的流速流態(tài)進(jìn)行細(xì)致研究，以使航道內(nèi)的通航條件滿足規(guī)范要求，為船隊(duì)的安全行駛提供參考。航道口門區(qū)的水力學(xué)要求見(jiàn)表1。

表1 口門區(qū)水面最大流速限值

此次研究采用1∶80的正態(tài)模型進(jìn)行，模型模擬范圍為節(jié)制閘閘上約1.6km，閘下約1.2km，包括船閘的上下游航道口門區(qū)、新老節(jié)制閘、新老船閘等。

3 設(shè)計(jì)條件

巢湖復(fù)線船閘設(shè)計(jì)運(yùn)行條件見(jiàn)表2、表3。

4 船閘口門區(qū)布置研究

根據(jù)巢湖閘設(shè)計(jì)條件進(jìn)行各工況下航道口門區(qū)的水力條件研究。本文以巢湖側(cè)為上游，裕溪河側(cè)為下游。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各工況在上游0-350～0-600和下游0+350～0+800范圍內(nèi)均出現(xiàn)大小、強(qiáng)度不一的回流區(qū)。巢湖側(cè)航道口門區(qū)在最高通航水位、船閘正常高水位運(yùn)行時(shí)有部分區(qū)域橫向流速超過(guò)規(guī)范要求。裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在正向最大水級(jí)、船閘正常運(yùn)行工況1、船閘正常運(yùn)行工況2、船閘正常運(yùn)行工況3時(shí)均有區(qū)域的橫向流速超過(guò)規(guī)范要求。為改善船閘口門區(qū)通航條件，需對(duì)口門區(qū)隔堤的平面布置進(jìn)行修改。下游右岸排澇溝的出流部分增加了遠(yuǎn)調(diào)碼頭處的回流流速，需對(duì)排澇溝的出口布置進(jìn)行調(diào)整。

表2 巢湖復(fù)線船閘設(shè)計(jì)運(yùn)行條件

表3 巢湖復(fù)線船閘整體布置研究工況

因各工況下航道口門區(qū)的橫向流速超過(guò)規(guī)范要求的幅度均較小，故不對(duì)樞紐的整體布置作大幅改動(dòng)，僅對(duì)上下游隔堤做適當(dāng)修改。巢湖側(cè)航道口門區(qū)的回流系主流遇到隔堤后，一小部分水流改變流向而形成，要改善此處流態(tài)，僅需對(duì)堤頭型式進(jìn)行優(yōu)化即可。裕溪河側(cè)航道口門區(qū)的回流是因主流向航道擴(kuò)散形成，受河道地形所限，較難改變，所幸該處航道內(nèi)橫向流速超標(biāo)不多，通過(guò)縮短導(dǎo)流堤，增加航道口門區(qū)斷面的過(guò)流面積，對(duì)改善此處的通航條件有一定好處。下游水位較高時(shí)，排澇溝出流受河道高水位頂托，基本與裕溪河側(cè)航道口門區(qū)的回流匯聚一起，惡化了口門區(qū)的流態(tài)，可通過(guò)在裕溪河與排澇溝間增設(shè)一道隔堤，對(duì)排澇溝出流的流向進(jìn)行引導(dǎo)，可使排澇溝出流不致影響航道口門區(qū)流態(tài)。

修改后各工況下口門區(qū)最大表面流速分布見(jiàn)表4。

表4 修改方案各工況下航道口門處最大表面流速

修改后的樞紐布置較好地改善了口門區(qū)橫向流速超標(biāo)的問(wèn)題，取得了預(yù)期效果。但引航道與河道間的隔堤易導(dǎo)致淤積，船閘運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)淤積影響到通航水流條件時(shí)，應(yīng)及時(shí)疏浚。

5 節(jié)制閘雙向過(guò)流對(duì)航道口門區(qū)的影響

為研究節(jié)制閘雙向過(guò)流對(duì)航道口門區(qū)的影響，選用正向最大級(jí)和反向最大級(jí)水位這兩個(gè)最惡劣工況作為研究工況。正向最大水級(jí)工況流量為561m3/s，H上游口門區(qū)=9.5m，H下游口門區(qū)=6.43m；反向最大水級(jí)工況流量為709m3/s（其中有100m3/s為排澇溝流量），H上游口門區(qū)=7.7m，H下游口門區(qū)=11.0m。

巢湖側(cè)、裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在正向最大級(jí)和反向最大級(jí)工況下的流態(tài)及流速分布見(jiàn)圖1～4。

比較這兩個(gè)工況上下游航道口門區(qū)的流態(tài)及流速分布可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于巢湖側(cè)航道口門區(qū)，兩工況的流速絕對(duì)值相差不大，其中正向最大水級(jí)略大于反向最大水級(jí)，回流范圍基本一致。

對(duì)于裕溪河側(cè)航道口門區(qū)，流速絕對(duì)值正向最大水級(jí)遠(yuǎn)大于反向最大水級(jí)，回流范圍正向最大級(jí)略大于反向最大級(jí)。

圖1 正向最大水級(jí)上游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖2 反向最大水級(jí)上游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖3 正向最大水級(jí)下游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖4 反向最大水級(jí)下游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

造成這種差異的原因主要是正向和反向過(guò)流時(shí)的流量和水位不同，導(dǎo)致過(guò)流斷面相差較大。對(duì)于流量的差別，巢湖樞紐的最大正向級(jí)和反向最大級(jí)相差148m3/s，雖然該差值達(dá)正向最大級(jí)流量的26.4%，但樞紐上下游航道口門附近最窄處河寬均約為220m，流量差值平均僅為0.67m3/m。且上下游航道口門處河道主流均不在航道側(cè)，故巢湖節(jié)制閘正反向過(guò)流流量的差別對(duì)航道口門區(qū)流速流態(tài)的影響較小。

巢湖側(cè)航道口門區(qū)正向最大級(jí)和反向最大級(jí)過(guò)流時(shí)，水位差為1.8m；裕溪河側(cè)航道口門區(qū)正向最大級(jí)和反向最大級(jí)過(guò)流時(shí)，水位差為4.57m。從圖1～4可以看出，裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在反向最大級(jí)時(shí)，流速分布更為均勻，流速值較正向最大級(jí)小約60%，而巢湖側(cè)航道口門區(qū)的流速值卻相差不大。由此可見(jiàn)，相似的流量，正向過(guò)流與反向過(guò)流時(shí)水位的巨大差別才是航道口門區(qū)通航條件的最大影響因素。

比較正常運(yùn)行工況3和船閘反向水頭運(yùn)行這兩個(gè)流量一致的工況還可以看出，節(jié)制閘正向運(yùn)行和反向運(yùn)行時(shí)，河道的主流通常不一致。當(dāng)航道口門區(qū)在正反向過(guò)流時(shí)的水位差別不大時(shí)，河道主流的變化對(duì)航道口門區(qū)的流速流態(tài)影響更大。

因此，在進(jìn)行具有雙向過(guò)流功能的節(jié)制閘與船閘的整體平面布置時(shí)，要著重研究比較正向過(guò)流與反向過(guò)流時(shí)，航道口門區(qū)的水位差別，以及由此引起的水力條件改變，并以此作為控制性條件對(duì)樞紐的整體布置進(jìn)行優(yōu)化。

6 結(jié)論

（1）巢湖復(fù)線船閘引航道開(kāi)挖曲線總體布置合理，上下游引航道內(nèi)均未出現(xiàn)惡劣流態(tài)；上下游口門區(qū)的水流條件部分工況下不滿足通航安全要求，通過(guò)對(duì)導(dǎo)流堤進(jìn)行修改優(yōu)化，能使該上下游口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求。

（2）具有正向和反向過(guò)流功能的節(jié)制閘和船閘的平面布置優(yōu)化研究，應(yīng)將正反向過(guò)流時(shí)的水位差作為口門區(qū)水流條件研究的控制性條件。

（3）雙向過(guò)流節(jié)制閘與船閘的平面布置還應(yīng)考慮正反向過(guò)流時(shí)河道主流的改變對(duì)航道口門區(qū)流速流態(tài)的影響■