淺析阜寧腰閘拆除重建后的閘位確定

顧 青 予 勻 滕兆明 徐海峰

（1.江蘇省淮河入海水道工程管理處 淮安 223200 2.江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200 3.昆山市淀山湖防洪工程管理處 蘇州 215345 4.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司南京 210000）

阜寧腰閘位于江蘇省鹽城市阜寧縣陳集鎮(zhèn)境內(nèi)，是灌溉總渠第三級控制建筑物，主要功能為調(diào)節(jié)上下游水位、緩減渠北澇情，兼具保證通航、發(fā)電等功能。阜寧腰閘已建成使用60 多年，雖歷經(jīng)多次加固，但仍存在較大安全隱患。2017年2月，江蘇省水利廳組織召開了阜寧腰閘安全鑒定會議，綜合評定阜寧腰閘安全類別為四類[1]。

為恢復(fù)阜寧腰閘工程效益，解決目前存在的防滲體系老化、安全度不足、地基基礎(chǔ)差等問題，需對工程進(jìn)行拆除重建。工程的拆除重建首先需要確定拆建后的具體位置，對于水閘工程而言則需要合理確定其閘址位置和中心線。在確定閘位過程中，需進(jìn)行合理論證，力求充分發(fā)揮工程效益、減少不利影響。

1 閘址位置確定

拆建工程的選址通常有兩種選擇：原址拆建和新址重建。綜合考慮阜寧腰閘周邊社會、交通、水情等因素，同時結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，經(jīng)綜合分析，原址拆建相較于新址重建更為有利，其優(yōu)勢包括：（1）原閘址處位于灌溉總渠擴(kuò)大段中部，水流條件相對較好，且原閘址位置滿足相關(guān)規(guī)范中“節(jié)制閘上下游河道直線段長度不宜小于5 倍水閘進(jìn)口處水面寬度”的要求[2]；（2）原閘址與現(xiàn)有交通銜接順暢，周邊交通格局已經(jīng)形成；（3）原址拆建有利于維持閘區(qū)內(nèi)現(xiàn)有布局，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水利風(fēng)景建設(shè)；（4）原址拆建可減少占地征遷，降低工程投資；（5）原址拆建將不會影響現(xiàn)有河道型式，減少配套工程的重建工程量，降低工程投資。

因此，在本次拆除重建中，阜寧腰閘將選用原址拆建，拆建后的閘址與原閘址保持一致。

2 中心線位置確定

2.1 三種布局方案

在確定阜寧腰閘拆除重建后的閘址位置后，還需確定其水閘中心線，方能確定拆除重建后的工程具體位置。對于阜寧腰閘而言，考慮到管理單位的實際情況，加之阜寧腰閘小水電站在2019年度長江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整治中被定性為“保留類”工程[3]，因此在確定拆除重建后的水閘中心線時，還需要考慮到小水電工程對水閘中心線選取的影響。在全面結(jié)合水閘、小水電站尺寸以及所處河道的實際狀況后，拆除重建后的阜寧腰閘水閘中心線位置有如下三種布置方案[4]：

（1）翼墻中心線與河道中心線一致，小水電南置

在本方案中，翼墻中心線（即阜寧腰閘和腰閘小水電站的整體中心線，下同）與河道中心線一致，水閘閘室中心線距離河道中心線9.8m，小水電站位于水閘的南側(cè)。

（2）閘室中心線與河道中心線一致，小水電北置

在本方案中，水閘閘室中心線與河道中心線一致，翼墻中心線距離河道中心線9.8m，小水電站位于水閘的北側(cè)。

（3）閘室中心線與河道中心線一致，小水電對稱布置

在本方案中，翼墻中心線與水閘閘室中心線重合，同時與河道中心線一致，小水電站對稱布置于水閘兩側(cè)。

2.2 利用CFD 理論分析三種布局方案

根據(jù)計算流體動力學(xué)（CFD）的基本理論，可以把時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點的場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的微觀流體的基本物理量分布，以及這些物理量隨時間的變化規(guī)律，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。

在阜寧腰閘中心線三種布置方案的分析中，可將過閘水流看作不可壓縮的流體，對于需進(jìn)行分析的流體而言，通過場內(nèi)某一個固定過流斷面，其流入的流體質(zhì)量和流出的流體質(zhì)量相等，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

此外，過閘水流流動還符合動量守恒定律，即納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），簡稱N-S 方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

將上述兩式帶入化簡后可得：

式中各字母代表的含義為：

ρ—流體密度；

t—時間；

ui（i=x,y,z）—速度沿i 方向的分量；

fi（i=x,y,z）—沿i 方向的質(zhì)量力；

P—壓力；

μ—流體的運動粘性系數(shù)。

對于不可壓縮的液體，有ρ=constant 的特性，進(jìn)一步分析可得ρf=-▽（ρgh），由此分析可得：

對于阜寧腰閘過閘水流流態(tài)及流速分布數(shù)值模擬計算采用有限體積法，這種方法具有守恒性，可以進(jìn)行更加靈活的假設(shè)，對網(wǎng)格的適應(yīng)性很好，能夠較好地解決復(fù)雜的工程問題，在進(jìn)行流固耦合分析時能夠完美地和有限元法融合。

根據(jù)數(shù)值模擬計算，方案1 的模擬結(jié)果如圖1所示，從云圖可以看出：南側(cè)靠近小水電的閘孔處有回流，閘下游存在一個較大回流區(qū)，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線成一定較小角度；過閘水流有兩股主流，水流在防沖槽末端的最大速度為1.988m/s，離河道中心線最大偏心距離超過20m，不均勻系數(shù)為1.861。

方案2 的模擬結(jié)果如圖2所示，從云圖可以看出：南側(cè)閘孔有回流，下游存在一個較大回流區(qū)，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線成一定較小角度；過閘水流有三股主流，水流在防沖槽末端最大速度1.803m/s，離河道中心線最大偏心距離超過10m，不均勻系數(shù)為1.639。

方案3 的模擬結(jié)果如圖3所示，從云圖可以看出：兩側(cè)小水電邊閘孔有回流，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線基本平行；過閘水流有兩股主流，水流在防沖槽末端最大速度1.948m/s，不均勻系數(shù)1.813。

綜合上述三種布置方案模擬結(jié)果可以看出：三種方案的過閘水流流態(tài)均較良好，均未出現(xiàn)高速回旋水流繼而影響水流過閘流態(tài)或者壓縮主流。但相較于方案1，方案2、方案3 均存在一些不足之處：方案2 中小水電距離總渠北側(cè)堤防較近，施工時會開挖到現(xiàn)有堤防，產(chǎn)生拆遷；方案3 中雖然小水電對稱布置流態(tài)最佳，但采用分離式布置會產(chǎn)生側(cè)向水土壓力較大的問題，較易導(dǎo)致側(cè)向抗滑穩(wěn)定不足、應(yīng)力集中、底板沉降大等問題，并且小水電分開布置也不利于運行管理。

圖1 布置方案1 的流態(tài)分布圖

圖2 布置方案2 的流態(tài)分布圖

圖3 布置方案3 的流態(tài)分布圖

對于方案1，總體結(jié)構(gòu)布置合理，過閘流態(tài)良好，征遷量相對較小，小水電緊鄰管理所，方便建成后的運行管理，因此河道內(nèi)垂直水流方向的布局方案將采用小水電南置的方案。

綜合上述分析可以最終確定阜寧腰閘的拆除后的閘位，即水閘閘址仍選用原閘閘址，水閘中心線距離河道中心線9.8m，工程整體中心線與河道中心線一致。

3 結(jié)語

具體閘位的確定是水閘工程的拆除重建工作的第一步，閘位的確定通常需要通過水閘閘址位置和中心線的確定來實現(xiàn)，需要綜合多方面因素，對所擬定的方案進(jìn)行科學(xué)地比選、分析，才能合理地確定，從而強(qiáng)化工程效益，降低不利影響■