淮河大型河工模型試驗控制技術(shù)應(yīng)用探討

楊興菊，虞邦義

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學(xué)研究院，合肥 230000；2.水利水資源安徽省重點實驗室，合肥 230000）

河床演變過程的復(fù)雜性使得在河流治理中還不能完全依靠分析與數(shù)學(xué)模型計算的手段較好地加以解決，而須借助河工模型試驗來進行較為深入研究，以解決河流治理相關(guān)技術(shù)難題。

淮河中游河勢復(fù)雜， 一直是淮河治理的重點和難點，突出的矛盾是洪水來量大，河道泄洪能力小。每遇稍大洪水， 兩岸湖泊洼地即成為洪水滯蓄回旋的場所， 眾多的行蓄洪區(qū)是淮河泄洪通道的重要組成部分，進洪頻繁，人水爭地矛盾突出。為了直觀、準確地把握淮河的基本特性， 近年來開展了一系列淮河河工模型試驗研究［1-3］，為淮河河道整治、行蓄洪區(qū)調(diào)整、 樞紐調(diào)度等各種規(guī)劃治理方案的研究提供了重要的技術(shù)支撐。

1 淮河河工模型研究簡述

陳先樸［4］主持完成的淮濱至正陽關(guān)段大型防洪河工模型是淮河干流首個大型非恒定流河工模型，研究通過堤防退建、 生產(chǎn)圩鏟除、 低標準行洪區(qū)廢棄、切崗等方式提高河段行洪能力的措施。

完成的淮河干流正陽關(guān)至淮南段、 淮南至蚌埠段、正陽關(guān)至渦河口段、蚌埠至方邱湖段等大型河工模型試驗獲得了大量研究成果， 已廣泛應(yīng)用于正陽關(guān)至峽山口段、荊山湖河段、平圩～洛河洼河段、方邱湖～臨淮關(guān)河段的河道整治及行洪區(qū)調(diào)整建設(shè)中，為淮河干流正陽關(guān)至浮山段的河道整治及行洪區(qū)調(diào)整問題的研究提供了重要的技術(shù)支撐。 實施的河道整治工程提高了河道的泄洪能力，防洪效益顯著。

其中方邱湖～臨淮關(guān)河段河工模型研究優(yōu)化了河道堤防退建距離、疏浚規(guī)模、疏浚型式。深切灘方式改善了水流動力軸線運行軌跡，河道水流更加平順。 整治工程效果明顯，洪水位顯著降低，行洪能力明顯增加［5］，經(jīng)歷了2003年和2007年兩場大洪水的檢驗，未發(fā)生疏浚后回淤，避免了不當疏浚方式可能帶來回淤的影響［6］，給淮河提供了新的可行的整治方案。

2 測控系統(tǒng)

淮河干流洪水受到支流及眾多行蓄洪區(qū)的影響，非恒定性非常明顯，必須進行非恒定流的防洪模型試驗。 因此，淮河模型是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，研究河段長，測量參數(shù)多。試驗時，需對入流流量過程、尾水水位過程、各水工建筑物（如進洪閘、退洪閘）的開啟過程、沿程行洪口門的沖決過程進行實時量測與控制，對沿程各斷面流速、水位進行實時測量等。 淮河大型河工模型自動量測與控制系統(tǒng)［7-9］應(yīng)運而生，是一套性能完善、控制與檢測準確可靠、自動化程度高的量測與控制系統(tǒng)，為試驗研究的順利進行提供了必要手段。

2.1 系統(tǒng)組成

淮河某河工模型測控系統(tǒng)如圖1?？蓪崿F(xiàn)模型內(nèi)外邊界的自動控制和基本水力參數(shù)的自動量測。 包括入流控制、水位檢測、流速測量、閘門、口門開啟系統(tǒng)、尾水調(diào)節(jié)系統(tǒng)、尾水堰檢測系統(tǒng)等。 參數(shù)控制誤差均能在試驗誤差范圍內(nèi)。下面以流量測量為例，檢驗系統(tǒng)的運行情況。

圖1 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框

2.2 流量測量

對于清水試驗， 入流流量可采用電動量水堰量測，采用閉環(huán)方案調(diào)節(jié)堰上水頭，量水堰堰板安裝高程固定不變，用跟蹤水位計實時量測堰上水頭高程，根據(jù)目標水頭與實測堰上水頭差來調(diào)節(jié)電動溢流閘門的開度，從而保證實測堰上水頭與目標水頭一致。

圖2為淮河某大型河工模型入流流量過程檢測結(jié)果，可見與原型提供的流量過程完全一致，流量測控設(shè)備不增加量水堰的測量誤差， 仍保持量水堰原有的測量精度（1%～1.5%），說明流量控制能滿足試驗精度要求。 自動量測與控制系統(tǒng)準確可靠。

圖2 模型流量過程控制比較

經(jīng)過對其他參數(shù)的試驗檢驗， 測控系統(tǒng)能保證水流運動的相似性， 保障模型試驗的測試精度及成果質(zhì)量，加快試驗進度，提高模型運轉(zhuǎn)效益。

3 模型加糙

淮河干流河段河勢及水流條件復(fù)雜，涉及主槽、灘地與行、蓄洪區(qū)，河寬和水深變幅大，針對河道研究的河工模型均采用變態(tài)模型。 原型河道灘地、行、蓄洪區(qū)水深淺且糙率大，經(jīng)變態(tài)后，模型糙率更大，河工模型必須加糙。

對于淮河非恒定流河工模型的加糙， 其要求更高。 首先要考慮非恒定流洪水過程模擬中的水量平衡，要做到行蓄洪區(qū)庫容和河道槽蓄的相似；其次，非恒定流洪水從枯水到洪峰這個過程的雷諾數(shù)變幅大，為保證整個洪水過程相似，加糙須滿足在較小雷諾數(shù)時模型即進入阻力平方區(qū)。

梁斌、陳先樸等［10］研制的十字片梅花型加糙技術(shù)特點主要有：①阻力系數(shù)大；②各項阻力特性較均勻，能較好地適應(yīng)河工模型水流的三維特性；③水流進入紊流及阻力平方區(qū)的臨界雷諾數(shù)低，尤其適合低雷諾數(shù)河工模型加糙；④十字片本身體積小，對于必須考慮槽蓄量的非恒定流模型，其帶來的誤差很小；⑤能保持垂線流速分布特性與原型一致。 因此，十字片梅花型加糙技術(shù)較好地適應(yīng)了模型中灘地、行、蓄洪區(qū)水深淺、雷諾數(shù)低、糙率大的模型加糙，實現(xiàn)了洪水過程從枯水到洪峰的阻力均能達到更好的相似。

在模型中通過驗證試驗調(diào)整模型糙率， 不僅采用恒定的平槽流量、 漫灘流量和行洪流量三級流量驗證，還采用非恒定洪水過程進行率定。

圖3和圖4為淮河某大型河工模型田家庵站2007年洪水過程線、峽山口站2003年洪水過程線比較。 可見，與原型水位誤差模型值在以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。完美地解決了大變態(tài)非恒定流河工模型的加糙問題，其在淮河防洪模型中的應(yīng)用取得了滿意的成果。檢驗了模型糙率與原型相似，模型可作為試驗研究的基礎(chǔ)。

圖3 洪水過程線驗證比較

圖4 洪水過程線驗證比較

4 泄水建筑物模擬

淮河干流沿程分布眾多的行蓄洪區(qū)， 在大洪水時參與行蓄洪，是淮河行洪通道的重要組成部分。通過進、退洪閘、行洪口門向行蓄洪區(qū)分蓄、泄洪，因此模型中需要模擬較多的泄水建筑物。

如果對進、退洪閘、行洪口門等泄水建筑物仍采用平面比尺（長度X和寬度B）大于垂直比尺（垂向H）的雙向變態(tài)模擬，會導(dǎo)致堰型改變，建筑物縱向底坡變陡， 以及水躍與建筑物結(jié)構(gòu)的相對位置發(fā)生改變等。 經(jīng)試驗研究表明［11-12］，進、退洪閘、行洪口門等泄水建筑物的過流能力會較原型偏大，而流態(tài)等水力學(xué)現(xiàn)象與原型相似性變差，這在模型試驗中將不會被允許。 因此，改善進洪閘、退洪閘、行洪口門等泄水建筑物的變態(tài)模擬方式，將泄水建筑物僅在寬度方向單向變態(tài)，保持寬度方向=水平比尺，而在順水流方向上采用與垂直比尺相同的長度比尺=垂向比尺， 即將上下游河道及上游導(dǎo)堤做成常規(guī)的一般變態(tài)，而將節(jié)制閘至下游導(dǎo)堤部分的縱斷面輪廓保持幾何相似。

圖5為某進洪閘閘孔流速分布比較圖 （整體模型），圖6為某進洪閘海漫中段流速分布比較圖（斷面模型）?？梢姡瑹o論垂向或平面縱向方向的流速分布，其形態(tài)和數(shù)值大小都與正態(tài)模型相似， 與實測過流量相匹配。 充分反映了無論在斷面模型或整體模型中， 泄水建筑物的泄流能力與閘下流速分布等與正態(tài)模型的特性吻合， 說明單向變態(tài)模擬方法可以改善變態(tài)河工模型中的泄水建筑物過流條件， 實現(xiàn)其過流能力及流態(tài)等水力學(xué)現(xiàn)象與原型相似。

圖5 某進洪閘閘孔流速分布比較

圖6 某進洪閘消力池尾坎流速分布比較

5 差動式尾門

早在20世紀90年代開展的正淮段河工模型，非恒定流試驗尾水位從18.0～24.50m，水位變幅大。 為達到試驗水位的全過程自動控制， 保證尾水控制精度，研制出一種新型差動式尾門。 圖7為長江某大型防洪模型和淮河某河工模型設(shè)計的尾門型式。

圖7 差動式尾門

在實際應(yīng)用過程中［13-14］，尾水系統(tǒng)數(shù)模結(jié)構(gòu)引入線形環(huán)節(jié)，為有效抑制振蕩，還引入非線形環(huán)節(jié)，并針對不同的模擬河道特性， 尋求尾水控制系統(tǒng)最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。根據(jù)淮河和長江多個模型的應(yīng)用表明，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

差動式尾門克服了傳統(tǒng)翻版式尾門水位震蕩和拉柵式尾門小流量調(diào)節(jié)困難的缺點， 能實現(xiàn)尾水全過程自動控制，并能滿足測控精度要求，在淮河及長江等河工模型中得到很好的應(yīng)用。

6 結(jié)語

淮河模型試驗技術(shù)自20世紀90年代以來得到了不斷創(chuàng)新和完善， 其對試驗過程的控制及研究成果的精度起到了至關(guān)重要的作用。 隨著試驗研究的進一步深入， 相信還有更多的試驗技術(shù)會得到不斷發(fā)展和應(yīng)用， 促進河工模型不僅在傳統(tǒng)河流治理工程領(lǐng)域發(fā)揮作用， 也能在污染物擴散及防治等生態(tài)與環(huán)境問題相關(guān)試驗研究中發(fā)揮作用。