引江濟(jì)淮工程楊大莊跌水入渠橫向流速控制優(yōu)化研究

楊子江 馮 帥 李天華

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230001 2.國(guó)家投資項(xiàng)目評(píng)審中心 北京 100037）

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程主要由引江濟(jì)巢、江淮溝通和江水北送三段組成，主要任務(wù)是以城鄉(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、淮河水生態(tài)環(huán)境。江淮溝通段河渠滿(mǎn)足Ⅱ級(jí)航道通航要求，航道尺寸為4.5m×60m×540m（水深×底寬×彎曲半徑），通航保證率為98%。

江淮溝通段河渠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)干渠）主要利用派河、天河、東淝河等天然河道擴(kuò)挖浚深形成，沿線支流或排澇溝渠較多，流量一般為2.8～576.0 m3/s，干支流河底高差約4.0～25.0m，受支流河道天然河勢(shì)及工程總體布置要求，跌水中心線與航道中心線均存在一定夾角，支流入渠水流相對(duì)航道形成橫流，而橫流是內(nèi)河航道中不利于船舶正常航行的一種水流，它常使行駛船舶偏離航線，對(duì)航行船舶安全構(gòu)成威脅。

《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：運(yùn)河航道中的通航水流條件應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)船舶、船隊(duì)安全航行和停泊的要求，必要時(shí)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)行論證。運(yùn)河中的取泄水口和其他匯流口的水域，航道橫向流速不應(yīng)超過(guò)0.3m/s，回流流速不應(yīng)超過(guò)0.4m/s。引江濟(jì)淮工程（安徽段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告批復(fù)意見(jiàn)中提出江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件為：航道最高通航水位遭遇支流20年一遇洪水（下稱(chēng)20年一遇通航工況），橫向流速不大于0.3m/s；航道最低控制水位遭遇支流5年一遇洪水（下稱(chēng)5年一遇通航工況），橫向流速不大于0.15m/s。

為驗(yàn)證支流入渠橫向流速是否滿(mǎn)足規(guī)范和相關(guān)審查意見(jiàn)要求，本文以江淮溝通段流量最大的楊大莊跌水為研究對(duì)象，開(kāi)展水工模型試驗(yàn)對(duì)入渠匯流口的橫向流速大小及影響因素進(jìn)行分析研究。

2 跌水布置

王橋小河為江淮溝通段干渠右岸支流，現(xiàn)狀河底高程約21.0m，高出干渠設(shè)計(jì)底高程7.6m，20年一遇行洪流量（滿(mǎn)槽流量）576.0m3/s，為滿(mǎn)足消能要求和減小橫向水流對(duì)干渠通航的影響，在入渠口建設(shè)楊大莊跌水。楊大莊跌水主要由控制段、上游鋪蓋、上游護(hù)底、下游消力池、跌水段及兩岸連接建筑物等組成。根據(jù)河道走勢(shì)、現(xiàn)場(chǎng)地形條件及水流入渠橫向流速要求，楊大莊跌水控制段布置在干支流中心線交匯點(diǎn)上游約480m 處，中心線夾角55°，采用鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，共4 孔，單孔凈寬9.0m，底板頂高程21.0m?？刂贫蜗掠蝹?cè)設(shè)挖深式消力池，消力池兩側(cè)邊墻在平面上呈12 度角向兩側(cè)擴(kuò)散，消力池長(zhǎng)32.0m，池深2.0m，池底高程19.0m，消力池下游設(shè)2 級(jí)跌水與干渠連接，單級(jí)跌水落差2.6～3.0m，跌水底板頂高程分別為16.0m 和13.4m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度分別為30.0m 和22.0m，兩側(cè)擋墻與消力池?fù)鯄B接，擴(kuò)散角一致，跌水末端接下游出水渠，出水渠兩側(cè)邊坡以12 度擴(kuò)散角與干渠渠坡連接。

3 模型設(shè)計(jì)

為確保楊大莊跌水上、下游水流與原型相似，整體模型范圍：干渠取跌水與干渠中心線相交點(diǎn)上游850m 到下游950m 之間河段，支流王橋小河取跌水上游400m 河道，楊大莊跌水各段建筑物均為模型模擬范圍。

整體水工模型比尺為1 ∶50，滿(mǎn)足《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》要求的限制條件：（1）模型水流進(jìn)入阻力平方區(qū)；（2）模型糙率能達(dá)到與原型基本相似；（3）當(dāng)模型出現(xiàn)表面波時(shí)，模型表面流速大于0.23m/s，水深在0.03m 以上；（4）模型為正態(tài)模型。模型總長(zhǎng)約35m，總寬約20m，總面積約700m2。模型共布置水位測(cè)點(diǎn)13 個(gè)，流速觀測(cè)斷面18 個(gè)，各斷面垂直于所在支流河道或干渠中心線，斷面上施測(cè)點(diǎn)垂線間距取5m 或10m（原型距離）。

模型試驗(yàn)工況組合及控制條件見(jiàn)表1。

表1 工況組合及控制條件表

4 原方案試驗(yàn)結(jié)果

4.1 整體流態(tài)

4.1.1 跌水上游河道

由于王橋小河D0-330～D0-200 之間河段存在“S”形急彎，跌水上游D0-100～D0+000 河段水流明顯偏向右岸，水流主要通過(guò)右側(cè)三個(gè)閘孔下泄。

4.1.2 跌水下游渠道

由于跌水上游來(lái)水主流偏右，消力池及一級(jí)跌水內(nèi)主流亦偏右，水流經(jīng)消力池和一級(jí)跌水消能調(diào)整后，在一級(jí)跌水尾坎處水流基本均勻。5年一遇通航工況時(shí)，跌水下游渠道右側(cè)部分區(qū)域?yàn)殪o水區(qū)或弱回流區(qū)，左側(cè)區(qū)域亦存在小范圍弱回流區(qū)，水流在D0+200～D0+300 之間稍偏向左岸匯入干渠。20年一遇通航工況時(shí)，下游渠道D0+200～D0+300 之間水流偏右匯入干渠航道，當(dāng)干渠來(lái)流流量增大時(shí)，跌水下游渠道內(nèi)水流偏右程度有所增強(qiáng)，且在渠道左、右兩側(cè)形成一定區(qū)域回流，左側(cè)回流范圍相對(duì)較大。

4.1.3 干渠航道

干渠航道水流流態(tài)總體較好，當(dāng)不考慮干渠來(lái)水時(shí)，干渠JH0-300 斷面上游河段為靜水區(qū)，在跌水下游渠道左側(cè)與干渠交匯區(qū)域形成回流；5年一遇通航工況時(shí)回流范圍和強(qiáng)度均較??；20年一遇通航工況且干渠不行洪時(shí)最大回流流速約為-0.4m/s，干渠行洪流量為5年一遇或10年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，回流區(qū)基本消失，干、支流河道水流平順交匯。各工況下匯流口流態(tài)分布見(jiàn)圖1～圖4。

4.2 橫向流速

為便于計(jì)算流速與航道中心線夾角及橫向、縱向流速分量，本次模型試驗(yàn)采用三維流速儀測(cè)量干渠航道各斷面流速。原布置方案各通航工況航道內(nèi)斷面橫向流速見(jiàn)表2。

從表2可以看出，原布置方案5年一遇通航工況下干渠各斷面橫向流速在0.00～0.15m/s 之間，均未超過(guò)規(guī)范及審查意見(jiàn)限值。20年一遇通航工況下，JH0+100至JH0+200 斷面之間均在航道中心線右側(cè)部分出現(xiàn)橫向流速超限現(xiàn)象，其他斷面均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 原布置方案各通航工況干渠內(nèi)橫向流速統(tǒng)計(jì)表（單位：m/s）

表3 優(yōu)化工程布置后各通航工況干渠內(nèi)橫向流速統(tǒng)計(jì)表（單位：m/s）

圖1 5年一遇通航工況流態(tài)分布圖（原布置，干渠不行洪）

圖2 20年一遇通航工況流態(tài)分布圖（原布置，干渠不行洪）

圖3 20年一遇通航工況流態(tài)分布圖（原布置，干渠5年一遇洪水）

圖4 20年一遇通航工況流態(tài)分布圖（原布置，干渠10年一遇洪水）

5 布置方案優(yōu)化

楊大莊跌水與干渠匯流口橫向流速超限的工況為20年一遇通航工況，具體范圍主要集中在斷面JH0+100 至JH0+200 附近，其原因主要是：（1）跌水上游王橋小河整體河勢(shì)偏向右岸，水流主要由跌水控制段右側(cè)進(jìn)入消能設(shè)施，雖經(jīng)一級(jí)消力池及兩級(jí)跌水調(diào)整，但下游渠道內(nèi)主流仍然偏右，導(dǎo)致局部流速偏大；（2）在20年一遇通航工況下，干渠來(lái)水對(duì)支流匯水存在一定擠壓作用，對(duì)匯流口水流流向有一定調(diào)整，利于降低橫向流速，但同時(shí)也減小了過(guò)流斷面，相應(yīng)增大了水流總流速；（3）跌水右岸邊坡與干渠右岸邊坡連段轉(zhuǎn)彎半徑偏小，水流匯入干渠時(shí)流向與干渠水流方向（即通航方向）角度較大，且基本無(wú)調(diào)整空間。

因此，工程布置方案優(yōu)化主要針對(duì)跌水右岸邊坡，具體措施為：將楊大莊跌水下游右岸邊坡與干渠右岸邊坡坡腳線連接線調(diào)整為兩個(gè)圓弧段加一個(gè)直線段的連接型式，直線段與上游底坡線采用R400m 圓弧連接，與下游底坡線采用R150m 圓弧連接，以加大主流入干渠的過(guò)流斷面，增加水流方向調(diào)整段的長(zhǎng)度，減小橫向流速。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，右岸邊坡調(diào)整后，5年一遇通航工況（干渠不行洪）及20年一遇通航工況（包括干渠不行洪、干渠5年一遇洪水、干渠10年一遇洪水）匯流口干渠內(nèi)橫向流速均滿(mǎn)足要求，但在不同通航工況、不同干渠行洪流量情況下，跌水下游渠道左岸仍存在一定范圍的靜水區(qū)或回水區(qū)，而此區(qū)域?qū)档蜋M向流速作用微乎其微，為減小工程量及投資，將楊大莊跌水下游左岸邊坡與中心線夾角由12°調(diào)整為7°，并對(duì)橫向流速進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 優(yōu)化方案試驗(yàn)成果

6.1 整體流態(tài)

跌水上游、控制段，消力池及跌水范圍內(nèi)流態(tài)及流速分布情況與優(yōu)化前基本一致。5年一遇通航工況時(shí)，跌水下游渠道右側(cè)區(qū)域?yàn)殪o水區(qū)或弱回流區(qū)，左側(cè)區(qū)域回流區(qū)基本消失。20年一遇通航工況時(shí)，渠道內(nèi)左、右岸回流區(qū)范圍也較布置優(yōu)化前大幅減小。

當(dāng)不考慮干渠行洪時(shí)，干渠斷面JH0-300 上游河段為靜水區(qū)。在5年一遇通航工況時(shí)，在跌水下游渠道與干渠交匯口上下游均未出現(xiàn)回流區(qū)。在20年一遇設(shè)計(jì)通航工況時(shí)，匯流口下游未出現(xiàn)回流區(qū)，上游回流區(qū)最大回流流速由工程布置優(yōu)化前的-0.40m/s 降至-0.23m/s。

6.2 橫向流速

工程布置優(yōu)化后，各斷面的橫向流速范圍見(jiàn)表3。從表3可以看出，5年一遇通航工況下干渠各斷面橫向流速在0.00～0.15m/s 之間，20年一遇通航工況下不考慮干渠來(lái)流時(shí)各斷面橫向流速在0.00～0.28m/s 之間，均滿(mǎn)足規(guī)范和審查意見(jiàn)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)河航道內(nèi)的橫流對(duì)通航安全有一定影響。本文以楊大莊跌水為研究對(duì)象，采用水工模型試驗(yàn)對(duì)匯流口橫向流速進(jìn)行觀測(cè)，分析了影響橫向流速主要因素，并對(duì)工程布置進(jìn)行優(yōu)化和模型驗(yàn)證。結(jié)果表明優(yōu)化后的楊大莊跌水工程布置能有效降低匯流口橫向流速，減小回流區(qū)范圍和回流強(qiáng)度，關(guān)鍵指標(biāo)均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和審查意見(jiàn)要求，工程投資較省，為工程運(yùn)行管理創(chuàng)造了良好條件■