臨淮崗復(fù)線船閘水工模型試驗(yàn)研究

王書文，張金峰，楊桂根 （安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概況

臨淮崗工程是迄今淮河干流上最大的水利樞紐工程，位于淮河干流中游[1]。臨淮崗船閘是臨淮崗洪水控制工程的重要組成部分，現(xiàn)有的臨淮崗船閘為Ⅰ等1級建筑物，Ⅳ級船閘（500t級）。在合裕線航道按Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)升級和引江濟(jì)淮工程按Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)溝通長江與淮河的航道整治要求下，現(xiàn)有船閘規(guī)模不能滿足淮河上游快速發(fā)展的水路運(yùn)輸要求。為提高臨淮崗船閘通過能力，暢通區(qū)域?qū)ν馑\(yùn)運(yùn)輸通道，現(xiàn)擬新建臨淮崗復(fù)線船閘工程。

擬建臨淮崗復(fù)線船閘為Ⅱ級船閘（2000t級），船閘有效尺度初定為240m×23m×5.2m（閘室長×閘室寬×檻上水深），設(shè)計(jì)代表船型為2000t級機(jī)動駁、1000t級機(jī)動駁。

工程可行性研究階段設(shè)計(jì)方案：主體基坑施工采用大開挖方案，需拆除城西湖蓄洪堤和城西湖船閘，城西湖蓄洪堤在復(fù)線船閘右岸還建，城西湖船閘在沿崗河左支緩建。復(fù)線船閘位于一線船閘右岸，與現(xiàn)有一線船閘平行布置，兩閘軸線距離取120m，船閘下行靠右行駛，直進(jìn)直出；上行靠右行駛，曲進(jìn)曲出，臨淮崗復(fù)線船閘工程設(shè)計(jì)方案整體布置見圖1。

圖1 臨淮崗復(fù)線船閘工程設(shè)計(jì)方案整體布置

由于受已有建筑物的制約，使得復(fù)線船閘的平面布置及水力條件較為復(fù)雜，為確保復(fù)線船閘與一線船閘通航條件滿足船舶安全進(jìn)出閘的要求，且對樞紐泄水不造成影響，本文采用水工模型試驗(yàn)對臨淮崗復(fù)線船閘總體布置方案進(jìn)行論證并優(yōu)化。

2 水工模型試驗(yàn)

2.1 模型范圍

受已有建筑物的制約，為保證模型中上引航道入口及下引航道出口水流流態(tài)與原型相似，模擬范圍上游為臨淮崗主壩以上4500m，下游為碼頭以下500m。垂直水流方向左邊界至何家圩、姜唐湖南堤，右邊界至城西湖大堤。模擬范圍總長6km，總寬4km，模型中含深孔閘、49孔淺孔閘、城西湖退水閘、臨淮崗船閘、臨淮崗復(fù)線船閘、城西湖船閘、工農(nóng)兵泵站、下游碼頭等建筑物，整體模型平面布置詳見圖1。

2.2 模型比尺及糙率處理

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)及《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155/2012）相似準(zhǔn)則規(guī)定，模型必須保持幾何相似、水流運(yùn)動相似和動力相似。本試驗(yàn)主要作用力為重力，故模型采用正態(tài)模型，遵循重力相似準(zhǔn)則，即模型與原型佛勞德數(shù)相等，同時(shí)滿足阻力相似要求。模型幾何比尺采用1：100。

原型主槽糙率n主=0.0225，灘地糙率n灘=0.035，相應(yīng)模型主槽糙率n模主=0.011，灘地糙率n模灘=0.012。水泥面抹光糙率為n=0.01～0.011，滿足主槽糙率相似要求，灘地要另行加糙。試驗(yàn)選用塊石梅花加糙。塊石經(jīng)篩分，平均粒徑d=0.02m。根據(jù)唐存本糙率計(jì)算公式，當(dāng)d=0.02m，L=0.03m 時(shí)，糙率為0.035。因此，試驗(yàn)選用平均粒徑d=0.02m的塊石，間距L=0.03m梅花形排列可滿足灘地阻力相似要求。

2.3 測流斷面及水位控制點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)以深孔閘閘軸線為0+000，選定0-250斷面為上游水位控制測點(diǎn)，0+300斷面為下游水位控制測點(diǎn)。

模型分別在 0-250、0-400、0-600、0-1000、0-1400、0-2000、0-2800、0-3500、0+300、0+600、0+1000、0+1500、0+1200、0+1600 斷面及城西湖退洪閘閘下200m處布置水位測針，測量河道沿程水位。

模型分別在 0-250、0-1000、0-1400、0-2000、0+300、0+800、0+1000、0+1600斷面及上下游航道口門區(qū)處布置流速測量斷面，測量沿程流速分布。

2.4 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)參數(shù)包括淮河總泄量、臨淮崗閘上閘下水位、城西湖退水閘流量和水位等，具體參數(shù)如表1所列。

3 成果與分析

3.1 原布置方案試驗(yàn)成果

利用已建成的水工模型，對上述試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表2，部分工況上下游流態(tài)見圖2。

由表2可知：隨著上游來流的增加，水流逐漸漫灘，上游航道右側(cè)灘地水深逐漸增大，最高通航水位時(shí)水深約為4.7m；至航道口門區(qū)，航道范圍內(nèi)流速先減小后增大，橫向流速也表現(xiàn)相同的規(guī)律，這是由于小流量時(shí)，主要是河道主槽泄水，來水沒有上灘（工況3），河道主槽過流面積較小，主流較為集中，水流流速較大；隨著上游來流的增加，水流漫灘，河道主槽和灘地同時(shí)泄水（工況2），河道過流面積急劇增大，加上灘地糙率大于主槽糙率，水流流速相應(yīng)減??；上游來流繼續(xù)增加（工況1），河段過流斷面面積變化不大，水流流速隨之增大。在最高通航水位（工況1）和平槽泄水工況（工況3）時(shí)，上游航道口門區(qū)最大橫向流速分別為0.69m/s、0.38m/s，超過規(guī)范的規(guī)定值0.30m/s，建議對上游航道口門區(qū)右側(cè)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)挖，以減小航道中心線與水流方向的夾角，減低口門區(qū)橫向流速。

水流出深孔閘后沿河槽下泄，不同工況來流組合，在下游航道口門區(qū)都會形成不同范圍的回流區(qū)，回流流速隨上游來流增大而減??；下游航道口門區(qū)的橫向流速各工況均超過規(guī)范的規(guī)定值0.30m/s，建議處理方式同上游航道口門區(qū)處理方式相同。

3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

為減少上下游航道口門區(qū)橫向流速及回流流速，改善航道內(nèi)水流條件，須對復(fù)線船閘上下游布置進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化方案保持船閘軸線不變，閘室底板高程降至11.94m，上游航道右側(cè)底邊線不變，底高程保持14.47m不變，航道底寬向一線船閘側(cè)由原布置方案的50.0m增加至65.0m，航道左側(cè)以1:3的坡與原地形順接。口門區(qū)向右擴(kuò)挖最大約35.0m，與上下游平順連接，口門區(qū)航道底高程由16.07m降至15.67m，與底高程為14.47m的引航道以1:30的坡相接。下游航道右側(cè)底邊線不變，航道底寬向左增加至65.0m，口門區(qū)航道底高程由13.45m降至13.34m，與底高程為12.34m的引航道以1:30的坡相接。優(yōu)化方案上下游航道布置圖見圖3。

對原布置方案模型進(jìn)行修改，對上述試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表3，部分工況上下游流態(tài)見圖4。

由表3和圖4可知，臨淮崗復(fù)線船閘總體布置優(yōu)化方案總體優(yōu)于原布置方案，優(yōu)化方案上下游引航道及航道口門區(qū)內(nèi)水流流態(tài)與原布置方案基本相似，但由于上游口門及引航道航道增寬，使得各工況下上下游航道及口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求；最高通航水位和河道灘槽泄水時(shí)，下游航道口門區(qū)連接段在樁號0+930～0+980，寬約20m 范圍內(nèi)的橫向流速超過0.30m/s，最大橫向流速為0.36m/s。因航道寬為65.00m，滿足規(guī)范要求水流條件的航道寬度約為45.0m，約為設(shè)計(jì)最寬船型寬度的3.2倍。下游航道連接段的水流條件基本滿足通航要求。

淮河臨淮崗復(fù)線船閘工程水工物理模型試驗(yàn)工況表 表1

圖2 臨淮崗復(fù)線船閘工程原布置方案部分工況上下游流態(tài)

圖3 臨淮崗復(fù)線船閘工程優(yōu)化方案布置圖

淮河臨淮崗復(fù)線船閘工程原布置方案水工物理模型試驗(yàn)結(jié)果 表2

淮河臨淮崗復(fù)線船閘工程優(yōu)化方案水工物理模型試驗(yàn)結(jié)果 表3

4 結(jié)論

①臨淮崗復(fù)線船閘總體原布置方案基本合理，除上下游航道口門區(qū)橫向流速偏大，各工況下上下游引航道內(nèi)水流條件滿足規(guī)范要求；

②提出了對上游航道口門區(qū)右側(cè)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)挖的優(yōu)化布置方案總體優(yōu)于原布置方案，使得各工況下上下游航道及口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求。