引江濟(jì)淮航道大型跌水案例設(shè)計(jì)分析

王麗軍

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程背景

引江濟(jì)淮工程由長江下游引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程。引江流量300m3/s，入淮流量280m3/s。輸水干線長723km，自南向北可劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。

引江濟(jì)巢段菜子湖輸水線路自樅陽引江樞紐，經(jīng)菜子湖調(diào)蓄后，由南向北穿越地勢較低的丘陵區(qū)鞍部，至白石天河入巢湖，線路全長113.18km。菜子湖線輸水渠道挖寬挖深后，現(xiàn)有水系被打斷破壞，為使現(xiàn)有水系平順匯入本工程輸水渠道，需要新建一批跌水建筑物。跌水與輸水主河道渠存在不同的跌差及交角，水流的跌落勢必對交匯處的水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響，對渠道通航影響較大，需要控制跌水匯流口的入渠橫向流速，保障航運(yùn)安全。根據(jù)引江濟(jì)淮工程初步設(shè)計(jì)審查意見，引江濟(jì)淮工程主渠道通航橫向流速控制條件為：航道最高通航水位遇20年一遇洪水（泄流工況），橫向流速不大于0.3m/s（通航水域邊線，垂直航道中心線）；航道最低控制水位遇5年一遇洪水（消能條件一），橫向流速不大于0.15m/s。

2 跌水概況

尹河跌水為引江濟(jì)淮工程引江濟(jì)巢段菜子湖線典型跌水之一，工程位于菜子湖輸水線路樁號(hào)F54+000處左岸邊坡上（航道右岸邊坡為夏莊跌水），匯水面積222.0km2。規(guī)劃5年一遇設(shè)計(jì)流量為368m3/s，對應(yīng)上游支流水位13.15m，下游航道水位7.99m，相應(yīng)主渠道的流量為135m3/s，支流匯入流量大于主渠來流流量，其匯流比為2.73。規(guī)劃20年一遇設(shè)計(jì)流量為989m3/s，對應(yīng)上游支流水位15.69m，下游航道水位15.18m，相應(yīng)主渠道的來流量為1325m3/s，其匯流比為0.75。支流匯流流量大，容易在匯流口引起較大的橫向流速，特別是在主渠來流量相對較小，匯流比大的情況下，匯流口出現(xiàn)橫向流速偏大的問題將會(huì)更加突出。此外，在尹河跌水匯流口對岸有夏莊跌水匯入，這種兩座跌水隔岸相對的布置局面使得匯流口區(qū)域的水流條件更加復(fù)雜。

3 跌水布置

尹河跌水原設(shè)計(jì)依次由引渠、進(jìn)口連接段、消力池、出口連接整流段等組成，跌差6.23m，跌水縱軸線與航道中心線交角51°。

利用現(xiàn)有河道適當(dāng)擴(kuò)挖作為引渠，引渠底寬為98.0m，渠底高程為10.50m，渠頂高程為15.80m，對引渠末端30m渠道的底及邊坡采用C25素混凝土進(jìn)行防護(hù)。在跌水上游130m處設(shè)置一道壅水壩，壩高1.0m。進(jìn)口連接段長20m，底板頂高程10.5m，凈寬98m，兩岸為鋼筋混凝土扶壁式擋墻。后接消力池長為20.8m，池底高程為3.00m，池深為1.5m，兩岸為鋼筋混凝土空箱擋墻。在消力池內(nèi)設(shè)有“T”型消能墩，“T”型墩起始斷面至跌坎的距離為11.8m，消能墩后接矩形截面消能齒墩。消力池后接40m長鋼筋混凝土海漫及10m長拋石防沖槽，槽深2.0m，頂高程與航道一致為4.27m，兩岸為1∶3混凝土預(yù)制塊邊坡，設(shè)圓弧段并與航道邊坡銜接。海漫上部設(shè)交通橋，有5組橋墩位于海漫內(nèi)。

4 模型試驗(yàn)成果

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

尹河跌水和夏莊跌水工程的整體水工模型選擇5年一遇洪水和20年一遇洪水的通航設(shè)計(jì)為代表工況，主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括：

（1）觀察代表工況條件下跌水消力池的水流流態(tài)和消能效果。

（2）觀察匯流口的水流流態(tài)。

（3）測量匯流口影響范圍內(nèi)通航區(qū)域的流速分布，分析匯流對通航水流條件的影響。

（4）針對影響通航安全的水流條件提出優(yōu)化改進(jìn)措施，改善通航運(yùn)行條件。

4.2 試驗(yàn)工況

尹河跌水工程的整體水工模型的試驗(yàn)工況共有5年一遇洪水設(shè)計(jì)通航和20年一遇洪水設(shè)計(jì)通航兩種工況：

（1）5年一遇洪水設(shè)計(jì)通航工況：尹河跌水的支流流量為368m3/s，主干渠的流量為135m3/s，主干渠匯流口下游的通航水位為7.99m（相應(yīng)于最低通航水位）。

（2）20年一遇洪水設(shè)計(jì)通航工況：尹河跌水的支流流量為989m3/s，主干渠的流量為1325m3/s，主干渠匯流口下游的通航水位為15.18m（相應(yīng)于最高通航水位）。

4.3 試驗(yàn)成果

水工模型試驗(yàn)通過對原設(shè)計(jì)體型在內(nèi)共計(jì)8種方案進(jìn)行的試驗(yàn)，最終取得滿足航運(yùn)要求的結(jié)構(gòu)布置。4.3.1設(shè)計(jì)體型

5年一遇設(shè)計(jì)工況下尹河跌水匯流口航道邊界橫向流速均大于0.15m/s，最大橫向流速為0.38m/s，不能滿足通航橫向流速小于0.15m/s的通航要求。20年一遇設(shè)計(jì)工況尹河跌水匯流口區(qū)域航道邊界的水流橫向流速均大于0.30m/s，最大橫向流速達(dá)0.51m/s，也不能滿足通航橫向流速小于0.30m/s的要求。4.3.2優(yōu)化體型

根據(jù)對原設(shè)計(jì)體型分析，其結(jié)構(gòu)布置不能滿足航運(yùn)要求，模型通過不斷優(yōu)化布置，分別對原布置進(jìn)行了7種方案試驗(yàn)并最后取得滿足航運(yùn)要求的結(jié)構(gòu)布置。

尹河跌水匯流口的優(yōu)化體型均在前一次的體型的基礎(chǔ)上繼續(xù)深化。最終確定體型優(yōu)化內(nèi)容：在20年一遇航道邊界的通航區(qū)域外設(shè)置了7道導(dǎo)流墻，使匯流口水流分布較均勻。將跌水下游右岸邊坡進(jìn)行了調(diào)整，即將邊坡向外（岸側(cè)）進(jìn)行了擴(kuò)展，底部半徑由180m調(diào)整為609.1m，邊坡由1∶3修改為1∶2.5，上下游端則與原邊坡進(jìn)行平滑過渡連接，如此修改既不會(huì)影響尹河入流與主渠水流的平順銜接，同時(shí)適當(dāng)擴(kuò)展了尹河匯流口的寬度，增大了彎道段的過流斷面，降低匯流口右岸的岸邊流速，有利于支流平順匯入主渠。

跌水出口確定的體型出口橫向流速5年一遇洪水條件下，主干渠為最低通航水位組合工況下匯流區(qū)附近航道內(nèi)各斷面的橫向流速基本控制在0.15m/s以內(nèi)，在彎道末端航道邊界上個(gè)別測點(diǎn)的橫向流速略大于0.15m/s，但實(shí)測流速仍小于0.2m/s，且周圍其余測點(diǎn)的橫向流速都不大于0.15m/s，說明橫向流速的超標(biāo)范圍小，這種小范圍橫向流速約大于0.15m/s的水流條件，不致影響船舶的安全航行。在支流發(fā)生20年一遇洪水，主干渠為最高通航水位的情況下，航道水域的橫向流速個(gè)別測點(diǎn)的橫向流速約大于0.30m/s以外（實(shí)測橫向流速為0.31m/s），航道區(qū)域內(nèi)的其他部位水流的橫向流速都不大于0.30m/s。這種小范圍橫向流速大于0.3m/s的水流條件，不致影響船舶的安全航行。5年一遇和20年一遇洪水橫向流速分布圖見圖1、圖2。

圖1 5年一遇洪水橫向流速分布圖

圖2 20年一遇洪水橫向流速分布圖

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)模型試驗(yàn)成果，跌水平面布置上對跌水下游右岸邊坡進(jìn)行了調(diào)整，將邊坡向外進(jìn)行了擴(kuò)展，底部半徑調(diào)整為60.91m，邊坡修改為1∶2.5，上下游端則與原邊坡進(jìn)行平滑過渡連接，在靠近航道邊緣側(cè)增設(shè)導(dǎo)流消能墩，改善水流形態(tài)，確保航向流速在可控范圍內(nèi)，保障航運(yùn)安全。

6 關(guān)鍵點(diǎn)分析

引渠盡量足夠長，寬度與進(jìn)口連接段一致或緩慢漸變至進(jìn)口連接段寬度，使水流盡量平順地進(jìn)入進(jìn)口連接段。

跌水向支流方向后退布置（遠(yuǎn)離主航道），使跌水出流匯流口遠(yuǎn)離主航道。在條件 （與上游支流銜接、工程占地，工程投資等）允許情況下，盡可能加大跌水凈寬布置。

在不影響上游進(jìn)水水流條件的情況下，跌水縱軸線與航道交角越小越好。在滿足跌水出口邊坡與上下游輸水渠道邊坡平順銜接的基礎(chǔ)上，盡量加大跌水匯流口的設(shè)計(jì)寬度。

消力池首端頂部設(shè)通氣管，以改善水流條件，通氣管管底高程要高于下游水位。

匯流比較大的跌水，應(yīng)在出口連接段設(shè)置導(dǎo)流墩，以降低橫向流速對航運(yùn)的影響。

在跌水匯流口段及上下游范圍內(nèi)設(shè)置航標(biāo)，提醒通行船只注意跌水匯流口區(qū)域橫流影響，切勿偏離航線駛?cè)氲畢R流口。

7 結(jié)語

跌水作為渠化航道兩岸支流匯水渠系建筑物，不僅起到排洪泄水作用，也關(guān)系到支流來水對航運(yùn)安全的影響。合理的跌水結(jié)構(gòu)布置，不僅能保障排洪、泄水和安全通航，還能節(jié)約土地、節(jié)省工程投資。本文通過模型試驗(yàn)多次方案調(diào)整得到滿足航運(yùn)的工程布置并指導(dǎo)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，總結(jié)出渠化航道兩岸跌水工程設(shè)計(jì)控制關(guān)鍵點(diǎn)，可為其他類似工程設(shè)計(jì)提供參考借鑒