耿樓樞紐模型試驗(yàn)研究

胡國良

（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠 233000）

1前言

耿樓樞紐位于沙潁河左岸太和縣境內(nèi)，利用史老家至井孜彎道在裁彎處修建樞紐，在節(jié)制閘右側(cè)筑右岸封閉堤，將老河道封堵。整個(gè)樞紐由節(jié)制閘和船閘組成，樞紐工程建筑物設(shè)計(jì)等級為2級，節(jié)制閘設(shè)計(jì)過閘流量3910m3/s，校核流量4770m3/s；船閘按Ⅴ級航道設(shè)計(jì)，供300t級船隊(duì)通航。

節(jié)制閘布置于右側(cè)，船閘布置于南側(cè)，兩建筑物中間布置分流導(dǎo)堤。節(jié)制閘共布置12孔，單孔凈寬7.5m，總凈寬90m，底板高程21.00m，上下游引河、閘底板高程基本與現(xiàn)狀河道相同，引河底寬上下游分別為107.66m和119.18m。船閘中心線與上下游河道中心線靠近，船閘閘室長120m，凈寬12m，底板頂高程22.0m，上閘首底板頂高程為25.0m，下閘首底坎高程為22.00m。該布置中船閘上下游引航道均為直線，船隊(duì)進(jìn)出均很平順，利于船閘運(yùn)行。

2 方案整體布置及優(yōu)化試驗(yàn)

2.1節(jié)制閘泄流能力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)控制條件，以50年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)、20年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)敞泄工況作為驗(yàn)證閘孔泄流能力的兩種工況。校核泄流工況H上＝37.91m，H下＝37.66m，Q=4770m3/s；設(shè)計(jì)泄流工況H上＝37.02m，H下＝36.77m，Q=3910m3/s。試驗(yàn)時(shí)控制流量及下游水位，實(shí)測上游水位分別為37.89m、36.95m，均稍低于設(shè)計(jì)值，故節(jié)制閘泄流能力滿足要求。

2.2節(jié)制閘及船閘流速及流態(tài)分析

節(jié)制閘上游總體流態(tài)較平順，出流流態(tài)較好。由于節(jié)制閘偏向上游主河道右側(cè)，故各運(yùn)行工況下，主流經(jīng)過分流導(dǎo)堤后，從堤頂至翼墻頂出現(xiàn)大面積回流。從實(shí)測結(jié)果看，各工況下回流均影響至導(dǎo)堤坡腳處。校核工況最大回流流速達(dá)0.97m/s，同時(shí)，導(dǎo)堤頂端出現(xiàn)1.42m/s的橫向流速。

各運(yùn)行工況下，閘下游翼墻后均出現(xiàn)小范圍回流。校核工況、設(shè)計(jì)工況時(shí)防沖槽末端最大垂線平均流速分別為1.94m/s、1.74m/s，此時(shí)相應(yīng)的不沖流速分別為1.88m/s、1.85m/s，校核工況時(shí)最大垂線平均流速稍大于不沖流速。考慮到工程實(shí)際運(yùn)用過程中，校核洪水的出現(xiàn)頻率很小，而防沖槽經(jīng)少量的沖刷即可滿足不沖流速的要求，且少量沖刷不影響節(jié)制閘的結(jié)構(gòu)安全。故可以認(rèn)為各工況下防沖槽末端不致出現(xiàn)沖刷破壞。

表1 耿樓樞紐節(jié)制閘閘門開啟順序表

表2 耿樓樞紐閘門管理運(yùn)用試驗(yàn)成果表

最高通航工況時(shí)，上游引航道出現(xiàn)300m×80m的回流，最大回流流速達(dá)到0.38m/s。下游引航道流態(tài)較好。

2.3方案優(yōu)化試驗(yàn)分析

為了減小甚至消除節(jié)制閘上游左岸分流導(dǎo)堤處回流，試驗(yàn)對樞紐上游主河道右岸進(jìn)行切灘、分流導(dǎo)堤裹頭進(jìn)行修改，在上游引航道內(nèi)回流流速不超出規(guī)定值的情況下，使上游來流盡量偏向節(jié)制閘并均勻過流。經(jīng)過對不同切灘曲線、分流導(dǎo)堤裹頭型式、下游翼墻型式進(jìn)行模型試驗(yàn)比較并優(yōu)化后，各工況下上游水流平順進(jìn)流，原導(dǎo)堤處回流現(xiàn)象完全消除；各閘孔流速基本平均；下游出流流態(tài)較好，經(jīng)翼墻后水流擴(kuò)散較充分，翼墻后回流流速較小。校核工況時(shí)防沖槽末端最大垂線平均流速實(shí)測值為1.91m/s，僅稍大于相應(yīng)不沖流速1.88m/s。設(shè)計(jì)工況時(shí)防沖槽末端最大垂線平均流速實(shí)測值為1.74m/s，小于相應(yīng)不沖流速1.85m/s。

3 樞紐運(yùn)行管理

從設(shè)計(jì)提供的試驗(yàn)工況中，選取惡劣放水工況進(jìn)行試驗(yàn)。閘上水位按33.50m控制，以2孔為一組，按均勻、對稱的開啟原則，每次開啟高度為0.5m，逐次提高。分別試驗(yàn)1-12孔、2-11孔、3-10孔、4-9孔、5-8孔、6-7孔（在此假定啟閉機(jī)同時(shí)啟動臺數(shù)為2臺，若超過2臺，則以試驗(yàn)中2的倍數(shù)按順序進(jìn)行開啟即可。因閘孔總數(shù)為偶數(shù)，則閘孔數(shù)值從左至右或從右至左均可）同時(shí)開啟時(shí)閘下流速及流態(tài)，選出最優(yōu)開啟方式。在確定2孔開啟方式后，再依次試驗(yàn)開啟4孔、6孔、8孔、10孔、12孔，以確定閘門最佳開啟過程。

在開啟1-12孔時(shí)，水流從閘孔出流后，一部分順翼墻下泄、一部分在消力池內(nèi)形成回流，但回流沒有危及閘室墻；開啟 2-11、3-10、4-9、5-8孔時(shí)，回流不僅在消力池內(nèi)形成，而且向外在翼墻邊也出現(xiàn)回流，同時(shí)隨著開啟高度及流量的增加，回流流速也隨之加大；而開啟6-7孔時(shí)，則回流由中間向兩邊擴(kuò)散。從上述試驗(yàn)現(xiàn)象可以確定若只開啟2孔，則1-12孔為最佳開啟孔位。

在2孔閘門開啟基礎(chǔ)上，依次試驗(yàn)開啟4孔、6孔、8孔、10孔，直至全開。經(jīng)過試驗(yàn)比較，得出閘門最佳開啟順序?yàn)?-12孔→3-10孔→5-8孔→2-11孔→4-9孔→6-7孔。

閘門開啟方法與順序見表1。

閘門關(guān)閉順序與閘門開啟順序相反。

4 閘門控制運(yùn)行成果

按惡劣放水工況，控制上游水位33.50m不變，下游水位與流量則按照設(shè)計(jì)院提供的流量～下流水位關(guān)系進(jìn)行控制，分別實(shí)測了齊開1m、2m、4m、6m、8m等5組工況，各工況對應(yīng)泄量、下游水位、防沖槽末端最大垂線平均流速、相應(yīng)不沖流速等試驗(yàn)值成果見表2。從表中可以看出，各工況下，防沖槽末端最大垂線平均流速均小于其相應(yīng)不沖流速，即下游防沖槽從低水位開始均不會受到?jīng)_刷。同時(shí)，可以根據(jù)上游來流情況，在閘門開度達(dá)到2～3m時(shí)即可提升至敞泄?fàn)顟B(tài)。

5結(jié)語

根據(jù)模型試驗(yàn)分析，最終確定并優(yōu)化了耿樓樞紐整體布置方案，減小甚至消除了影響工程的多種不利因素，為樞紐的安全提供了保障。同時(shí)，通過試驗(yàn)，對各種工況下閘門的啟閉方式提出了建議，有力保障了樞紐的安全運(yùn)行■