阜陽船閘上游航道模型試驗(yàn)研究

張波

（安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

阜陽船閘上游航道模型試驗(yàn)研究

張波

（安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

阜陽船閘上引航道與泉河的夾角很大，泉河水流在上引航道內(nèi)形成橫向流，威脅行船安全。為合理確定航道與泉河交匯處的開挖方式與通航洪水組合，通過水工模型實(shí)驗(yàn)，研究最優(yōu)開挖方案下上游引航道內(nèi)的流場分布，提出了合理的通航洪水組合。

航道 橫向流速 洪水組合

1 工程概況

阜陽閘樞紐工程位于安徽省阜陽市潁泉區(qū)三里灣泉河入?yún)R口下游約500m處，由節(jié)制閘、船閘、攔河壩等主體工程組成?？刂屏饔蛎娣e35143km2，具有航運(yùn)、灌溉、防洪排澇、交通運(yùn)輸?shù)裙δ?。阜陽船閘擬在原閘址重建，船閘為Ⅳ級，設(shè)計(jì)最大船舶噸級為500t。船閘工程由閘首、閘室、導(dǎo)航墻、引航道、靠船建筑物、口門區(qū)和連接段、跨閘公路橋等組成。

沙潁河阜陽船閘上游引航道與泉河交匯，泉河總流域面積5260km2，總長度243km。泉河穿過船閘上游引航道匯入沙潁河，泉河與引航道中心線間的夾角約為80°，泉河水流在與引航道交匯處形成橫向水流，當(dāng)橫向流速較大時會影響船舶的航行安全。根據(jù)歷史水文資料分析，泉河口流量和水位相關(guān)性一般，即同一流量下，水位波動大、泉河流量大、水位低時對行船最為不利。為定量分析泉河匯流口的流場分布，使上游引航道滿足規(guī)范要求，須進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

因泉河與上引航道的夾角很大，泉河水流即為引航道的橫向流，泉河的水流速度決定著交匯處的開挖范圍，也決定了開挖投資額的大小。故合理確定通航洪水組合對節(jié)省投資具有重大意義。

試驗(yàn)的主要目標(biāo)為在保證航道內(nèi)的水力學(xué)指標(biāo)滿足規(guī)范要求的前提下，盡量減少開挖量，以節(jié)省投資。

原開挖方案見圖1。船閘上引航道兩側(cè)崗地被泉河和引航道分割為四個區(qū)域：泉河右岸與船閘閘室右岸崗地圍成區(qū)域?yàn)锳區(qū)；泉河右岸與船閘閘室左岸崗地圍成的區(qū)域?yàn)锽區(qū)；泉河左岸與船閘上引航道左岸崗地圍成的區(qū)域?yàn)镃區(qū)；泉河左岸與船閘上引航道右岸崗地圍成的區(qū)域?yàn)镈區(qū)。

航道內(nèi)水流須滿足的水力學(xué)指標(biāo)見表1。沙潁河與泉河的流量組合見表2。

本次研究采用1∶100的正態(tài)模型進(jìn)行，模型模擬范圍為閘上2.3km，閘下1.3km。模型橫向取至兩側(cè)大堤，寬約1.5km。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。

圖1 原布置方案上游引航道與泉河交匯處開挖示意圖

表1 口門區(qū)水面最大流速限值

表2 沙潁河與泉河的流量組合

3 原方案試驗(yàn)成果

組合1航道口門區(qū)水流條件基本滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，回流范圍與航道基本等寬，最大回流流速達(dá)-0.62m/s。該段航道出現(xiàn)回流主要是由于泉河來流受C區(qū)崗地的頂托，導(dǎo)致部分泉河來水侵入該段航道。0-700～0-900段為船閘上引航道與泉河的交匯處，由于船閘上引航道與泉河幾近正交，該工況泉河來流量較大，因而上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速均大于0.50m/s；最大值達(dá)1.05m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.25m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一死水區(qū)。

組合2航道口門區(qū)水流條件基本滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.49m/s。0-700～0-900段橫向流速均大于 0.50m/s；最大值達(dá)1.02m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.29m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一死水區(qū)。

組合3航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.33m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.64m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.20m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一死水區(qū)。

組合4航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.29m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.76m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.22m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.36m/s的回流區(qū)。

組合5航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.31m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.58m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.22m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.31m/s的回流區(qū)。

組合6航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.27m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.50m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.25m/s的回流區(qū)。

組合7航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.23m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.50m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.23m/s的回流區(qū)。

組合8航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.22m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為 0.31m/s。0-800～0-950段泉河河水向引航道上游回流，回流流速最大為-0.22m/s。

由實(shí)驗(yàn)成果可以看出，原開挖方案下，上游引航道口門區(qū)水流條件良好。泉河與引航道交匯處在泉河流量較大時，橫向流速均超過規(guī)范要求。交匯處左右兩側(cè)均有一回流區(qū)或死水區(qū)，泉河左側(cè)的回流導(dǎo)致0-900～0-950段航道水流為回流，且回流與航道基本等寬。要使泉河與引航道交匯處的水流條件滿足規(guī)范要求，合理確定泉河的流量是關(guān)鍵。組合8在1975～2007年33年間實(shí)際僅發(fā)生345d，年均10d，最多連續(xù)天數(shù)為25d，采用組合8作為控制工況可有效改善泉河與引航道交匯處的水流條件。當(dāng)泉河流量超過200m3/s時，可通過現(xiàn)場控制管理來保障行船安全。

圖2 修改開方案示意圖

圖3 開挖曲線優(yōu)化示意圖

4 開挖方案優(yōu)化試驗(yàn)

為進(jìn)一步優(yōu)化泉河與引航道交匯處的水流條件，節(jié)約投資，開挖方案優(yōu)化試驗(yàn)主要進(jìn)行了兩個面的優(yōu)化。

4.1加大C區(qū)開挖量加寬泉河河道

修改開挖方案對潁河與泉河的交匯處（約0+620）至0+800范圍內(nèi)的三角洲加大了開挖量，使泉河河道加寬了約10～25m，見圖2。泉河河道的加寬減小了交匯處泉河左右側(cè)回流的最大回流流速，減小了上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速，改善了0-900～0-950段引航道的流態(tài)。

組合4航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.27m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.62m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.25m/s的回流區(qū)。

組合5航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流流速小于0.14m/s的死水區(qū)。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.62m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.18m/s的回流區(qū)。

組合6航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流流速小于0.14m/s的死水區(qū)。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.50m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.23m/s的回流區(qū)。

組合7航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流流速小于0.14m/s的死水區(qū)。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.40m/s。0-700斷面航道中心線右側(cè)有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左側(cè)D區(qū)附近有一最大回流流速為-0.14m/s的回流區(qū)。

組合8航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流流速小于0.14m/s的死水區(qū)。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.31m/s。0-800～0-950段泉河河水向引航道上游回流，回流流速最大為-0.14m/s。

4.2開挖曲線優(yōu)化

為減小開挖方量，節(jié)省投資，在保持流速流態(tài)基本不變的前提下，對船閘上引航道與泉河主流交匯處的開挖范圍進(jìn)行了調(diào)整，見圖3。開挖曲線優(yōu)化后，開挖面積減小約縮小12000m2，與原開挖方案相比，交匯處死水區(qū)和回流區(qū)的面積大幅減少。

開挖曲線優(yōu)化后，組合8航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。0-900～0-950段航道為回流，最大回流流速達(dá)-0.20m/s。上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值為0.31m/s。0-700斷面有一最大回流流速為-0.16m/s的局部回流區(qū)，0-800～0-850段引航道內(nèi)出現(xiàn)一回流流速小于-0.20m/s的微弱回流區(qū)。

5 結(jié)論

（1）船閘上引航道與潁河交匯點(diǎn)及上引航道口門處各洪水組合下水流平順，未出現(xiàn)明顯不良流態(tài)，水流條件基本滿足通航要求。

（2）船閘上引航道0-900～0-950段各洪水組合下均出現(xiàn)與航道等寬的回流區(qū)，回流大小與泉河流量相關(guān)，該區(qū)域回流主要是由于泉河來流受C區(qū)的頂托侵入航道所致。

（3）由于泉河來流量較大，組合1～7上引航道與泉河主槽交匯部分的橫向流速最大值在1.05～0.49m/s之間，均超出規(guī)范允許值；組合8橫向流速最大值為0.31m/s，基本滿足要求。該段局部區(qū)域出現(xiàn)小于-0.25m/s的回流和死水區(qū)，其余各處水流平順。

（4）加大C區(qū)崗地開挖范圍后，各洪水組合下船閘上引航道0-900～0-950段流態(tài)有一定改善，但對改善船閘上引航道其他各處的流態(tài)作用很小。

（5）組合8在1975～2007年33年間實(shí)際發(fā)生345d，年均10d，建議采用組合8作為通航控制工況。選用組合8作為控制工況時，在保證船閘上引航道橫向流速與回流流速基本滿足通航要求的前提下，通過減小交匯處死水區(qū)和回流區(qū)的面積可使上引航道的開挖面積減少近12000m2■