高良澗閘水工模型試驗(yàn)研究

(1.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022；2.江蘇省分淮入沂整治工程建設(shè)管理局，江蘇 揚(yáng)州 225002；3.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223100)

高良澗閘位于洪澤縣高良澗鎮(zhèn)境內(nèi)的洪澤湖大堤上，是灌溉總渠的渠首，為洪澤湖的控制工程之一。水閘建成于1952年7月，共16孔，每孔凈寬4.20m，閘室總寬81.24m，閘順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)173.06m，閘底高程7.50m，底板為混凝土平底板，采用消力池消能，閘門為平板直升鋼閘門。閘墩、胸墻、工作橋?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)；岸墻及上游翼墻為圓弧型空箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游翼墻圓弧半徑為50.00m;下游翼墻為重力式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，圓弧半徑為40.00m。設(shè)計(jì)最高防洪水位16.00m。

1 背景介紹

高良澗進(jìn)水閘工程建閘以來(lái)，閘下消能防沖設(shè)施共經(jīng)歷了三次加固。2012年，因工程運(yùn)行已久，老化情況嚴(yán)重，在復(fù)核計(jì)算及運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)水閘存在以下問(wèn)題：?設(shè)計(jì)水位組合工況下，計(jì)算消力池長(zhǎng)度、底板厚度不能滿足要求；?校核工況下，消力池深度不滿足要求；?閘下水流流態(tài)較差，兩側(cè)出現(xiàn)回流，主流受到擠壓擺動(dòng)形成折沖水流，防沖槽及以下河床的沖刷嚴(yán)重，護(hù)坡多處出現(xiàn)淘空、坍塌。

2014年對(duì)高良澗閘實(shí)施加固，加固主要內(nèi)容為：拆除重建消力池、護(hù)坦、防沖槽等。但高良澗閘下防沖設(shè)施經(jīng)過(guò)多次加固，仍沖刷嚴(yán)重。為更好地解決現(xiàn)狀水閘運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題，驗(yàn)證消力池防沖消能設(shè)施初步設(shè)計(jì)方案的合理性和優(yōu)化的可能性，對(duì)高良澗閘進(jìn)行基于防沖槽下游局部動(dòng)床模型試驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)水閘防沖槽下游河床的沖刷特性，分析現(xiàn)狀水閘和原初步設(shè)計(jì)方案存在的主要問(wèn)題，提出優(yōu)化方案，并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性和可行性。

2 模型布置與試驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，兼顧阻力相似，模型幾何比例尺為1∶40，水深比尺λH=40，流速比尺λV=400.5=6.32，流量比尺λQ=402.5=10119.29，糙率比尺λn=401/6=1.849，起動(dòng)流速比尺λVc=λV=400.5=6.32?？紤]上游引河彎道對(duì)水閘進(jìn)流的影響及電站出流對(duì)下游引河的影響范圍，模型的模擬范圍上游引河模擬長(zhǎng)度確定為500.00m，水閘下引河模擬長(zhǎng)度確定為700.00m，寬度方向模擬至最高水位以上；模型上下游增加過(guò)渡段及必要的整流措施，以保證試驗(yàn)范圍的水流條件相似。建筑物模型全部根據(jù)結(jié)構(gòu)圖用彩色有機(jī)玻璃精制，上下游引河河床高程采用斷面板法進(jìn)行控制，并用水泥砂漿抹面(試驗(yàn)的五種特征工況情況見(jiàn)表1)。下游水位以0+181.39m處的測(cè)點(diǎn)水位進(jìn)行控制。

表1 試驗(yàn)工況

3 現(xiàn)狀試驗(yàn)結(jié)果

水閘現(xiàn)狀共進(jìn)行了CX-2、CX-3、CX-5三種特征工況下的試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如下：

3.1 上游引河

各種試驗(yàn)工況下水閘上游引河的水流流態(tài)基本相近，閘前來(lái)流平順，無(wú)不良的水流流態(tài)，上游引河彎道對(duì)水流流態(tài)及流速分布的影響較小。

3.2 消力池

兩邊孔出閘水流在消力池內(nèi)沒(méi)有形成水躍，主流位于水體表面并斜向越過(guò)消力池尾坎，消力池兩側(cè)形成強(qiáng)烈的回流，回流區(qū)對(duì)出閘水流的擠壓作用明顯，消力池尾坎處的主流寬度約為40.00m。

3.3 下游河道

剛出消力池的水流主流基本位于河道中部，之后沿程主流不穩(wěn)定且左右擺動(dòng)，總體上主流隨機(jī)性地偏于河道一側(cè)，偏于河道左側(cè)的概率較大。下游河道主流的兩側(cè)均產(chǎn)生較大的回流，主流所偏向側(cè)回流長(zhǎng)度較短，回流流速較大，而另一側(cè)回流區(qū)較長(zhǎng)，回流流速較小。河道流速分布不均勻，防沖槽末端斷面的最大垂線平均流速分別為3.75m/s、3.84m/s和2.85m/s。

3.4 上游引河來(lái)流均勻性對(duì)閘下水流流態(tài)的影響

水閘上游地形較為復(fù)雜，上游來(lái)流具有一定的不確定性。針對(duì)水位組合工況人為改變上游引河左右側(cè)不同流速分布的方法，進(jìn)行了上游引河來(lái)流均勻性的試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，由于現(xiàn)狀運(yùn)行工況下水閘均需閘控出流，即使上游引河存在不均勻來(lái)流，但經(jīng)閘孔調(diào)整后對(duì)閘下的水流流態(tài)無(wú)顯著的影響。

4 原初步設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

原初步設(shè)計(jì)方案：拆除重建消力池，新建消力池總長(zhǎng)30.00m，池底高程5.00m，其中前端高程7.50m平段長(zhǎng)2.00m，厚1.50m；高程7.50～5.00m，按1∶4坡連接，長(zhǎng)10.00m，厚1.50～1.20m；高程5.00m平段長(zhǎng)16.50m，厚1.20～0.70m；消力池尾坎寬1.50m，頂高程6.50m；消力池后采用直徑60cm鋼筋混凝土灌注排樁圍護(hù)，樁長(zhǎng)10.00m。水閘原初步設(shè)計(jì)方案共進(jìn)行了五種特征工況下的試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如下：

4.1 流速流態(tài)

4.1.1 消力池

兩邊孔出閘水流在消力池內(nèi)沒(méi)有形成水躍，水流主流位于水體表面，并斜向越過(guò)消力池尾坎，消力池兩側(cè)仍然形成回流區(qū)，但回流區(qū)的強(qiáng)度和范圍要比未加固前明顯減小?；亓鲄^(qū)對(duì)出閘水流有擠壓作用，消力池尾坎處的主流寬度約為51.00m，水流流態(tài)有一定程度的改善。出消力池的水流出現(xiàn)一定的跌落現(xiàn)象，跌落區(qū)長(zhǎng)度約10.00m，而池長(zhǎng)略顯不足；中間10個(gè)閘孔的出閘水流均能在消力池內(nèi)形成較完整的水躍，水躍的躍首均位于閘后的出流平臺(tái)上。

4.1.2 下游河道

出消力池的水流主流基本位于河道中部，之后沿程主流不穩(wěn)定而左右擺動(dòng)，總體上主流隨機(jī)性地偏于河道一側(cè)，主流的兩側(cè)均產(chǎn)生較大的回流，主流所偏向側(cè)回流長(zhǎng)度較短，而回流流速較大，另一側(cè)則回流區(qū)較長(zhǎng)，回流流速較小。與現(xiàn)狀相比，下游河道流態(tài)及流速分布較現(xiàn)狀方案有明顯改善，河道左側(cè)回流消失，右側(cè)回流區(qū)范圍變小，回流區(qū)的強(qiáng)度和范圍均比現(xiàn)狀有明顯減小，最大流速和回流流速都相應(yīng)減小。

4.2 閘門開(kāi)啟運(yùn)行方案試驗(yàn)

高良澗水閘的出流受消力池兩側(cè)平臺(tái)的影響，閘下出現(xiàn)回流以及主流不穩(wěn)定等不良的水流流態(tài)，增加了閘下消能防沖的難度。閘門開(kāi)啟運(yùn)行方案試驗(yàn)通過(guò)觀察閘孔不同的開(kāi)啟運(yùn)行方式對(duì)閘下水流流態(tài)的影響，嘗試通過(guò)閘孔不同開(kāi)啟運(yùn)行方式改善閘下水流流態(tài)的可能性。試驗(yàn)基于工況CX-3進(jìn)行，分別進(jìn)行開(kāi)大兩邊孔閘門開(kāi)度和關(guān)閉兩邊孔的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)大兩側(cè)邊孔閘門開(kāi)度對(duì)于改善閘下的水流流態(tài)和均化閘下的流速分布有一定的作用，但由于高良澗閘下河道并不是完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，開(kāi)大兩側(cè)閘孔的閘門開(kāi)度不能完全消除閘下回流。而關(guān)閉兩側(cè)邊孔(只開(kāi)啟中間14孔)對(duì)改善閘下水流流態(tài)不明顯(兩種典型開(kāi)啟方式閘下D01和D02斷面各測(cè)點(diǎn)垂線平均流速見(jiàn)表2)。

表2 兩種典型開(kāi)啟方式閘下D01和D02斷面各測(cè)點(diǎn)垂線平均流速 單位：m/s

注開(kāi)啟方式一：兩邊孔開(kāi)啟高度2.16m，中間14孔均勻開(kāi)啟高度1.44m。

開(kāi)啟方式二：兩邊孔關(guān)閉，中間14孔均勻開(kāi)啟高度1.96m。

4.3 閘下沖淤試驗(yàn)

閘下沖淤試驗(yàn)在局部動(dòng)床模型中進(jìn)行，綜合考慮定床模型閘下水流垂向平均流速的大小以及水深等因素，基于CX-1和CX-5兩種工況下進(jìn)行。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，CX-1工況雖然閘下水深較大，但是流速也比較大，對(duì)閘下河床的沖刷較為嚴(yán)重，防沖槽后河床沖坑最深點(diǎn)高程為-3.50m且沖刷范圍較大；而CX-5工況雖然閘下水深比較淺，但流速較小，對(duì)閘下的沖刷較輕，防沖槽后河床沖坑最深點(diǎn)高程約2.94m，且沖刷的范圍也不大。

4.4 原初步設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)與現(xiàn)狀試驗(yàn)比較

與現(xiàn)狀相比，原初步設(shè)計(jì)方案對(duì)閘下水流流態(tài)有一定程度改善，消力池兩側(cè)回流區(qū)強(qiáng)度和范圍均比現(xiàn)狀有明顯減小，消力池后河道的流速分布也有一定程度改善，尤其在小流量時(shí)更為明顯。出閘水流經(jīng)過(guò)海漫段后得到了比較充分的調(diào)整，防沖槽末端的垂線流速(見(jiàn)表3)分布接近河流的正常垂線流速分布，因此，海漫段長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)合理。但是受消力池兩邊孔平臺(tái)的影響，閘下仍然出現(xiàn)偏流、回流及主流擺動(dòng)等不良的水流流態(tài)，需進(jìn)一步優(yōu)化閘下消能防沖設(shè)施。

表3 原初步設(shè)計(jì)方案防沖槽末端斷面最大流速與現(xiàn)狀比較

5 修改方案試驗(yàn)結(jié)果

修改方案的確定試驗(yàn)工況與原初步設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)相同，共進(jìn)行了五種特征工況下的試驗(yàn)。

5.1 增設(shè)導(dǎo)流墩

原初步設(shè)計(jì)方案中，閘下仍出現(xiàn)偏流、回流以及主流擺動(dòng)等不良的水流流態(tài)。為改善消力池兩邊孔平臺(tái)的影響，進(jìn)一步改善閘下水流流態(tài)，基于水流流態(tài)以及體型結(jié)構(gòu)等因素考慮，在下游兩側(cè)各增加一處導(dǎo)流墩，分別對(duì)應(yīng)兩側(cè)第一個(gè)中墩，墩頂高程9.00m，墩寬與閘墩同寬80cm，長(zhǎng)12.40m。

增設(shè)導(dǎo)流墩后，在各種特征工況下，消力池內(nèi)無(wú)水流集中和回流現(xiàn)象；水流出池后河道流速分布較為均勻，兩側(cè)均無(wú)回流，閘下水流的主流穩(wěn)定。增設(shè)導(dǎo)流墩后水流流態(tài)大為改善，水流波動(dòng)也較原初步設(shè)計(jì)方案更加平穩(wěn)。

5.2 消力池體形修改

為減小閘下河床的沖刷，對(duì)消力池體形進(jìn)行修改。修改后消力池長(zhǎng)度由30.00m加長(zhǎng)至33.50m，較除險(xiǎn)加固方案延長(zhǎng)3.50m；尾坎頂高程由6.50m增加至7.40m，尾坎寬度由1.50m調(diào)整為1.00m；取消尾坎后的直徑60cm鋼筋混凝土灌注排樁圍護(hù)，改為在消力池后增設(shè)10.00m寬鋼筋混凝土護(hù)坦。

修改后，與原初步設(shè)計(jì)方案相比，下游河道最大垂線平均流速明顯減小，出閘水流經(jīng)過(guò)海漫段后得到了比較充分的調(diào)整，防沖槽末端的垂線流速分布接近河流的正常垂線流速分布。河床沖坑深度較原初步設(shè)計(jì)方案明顯較小(實(shí)測(cè)結(jié)果及比較見(jiàn)表4)。消力池體形修改后有效減輕了防沖槽和下游河床的沖刷現(xiàn)象。

表4 修改方案與原初設(shè)方案主要水力參數(shù)比較

注沖坑深度以防沖槽末端5.00m高程為基準(zhǔn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)模型試驗(yàn)?zāi)M了高良澗閘下的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究了現(xiàn)狀閘下消能防沖設(shè)施存在的主要水力學(xué)問(wèn)題，驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)方案的可行性，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了進(jìn)一步改善水流流態(tài)和減小河床沖刷的可行方案和具體措施，彌補(bǔ)了設(shè)計(jì)不足。該成果已被應(yīng)用于高良澗閘除險(xiǎn)加固工程中，可為類似工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。