蒙城閘樞紐水工模型試驗(yàn)研究

王旭光 陳 杰

（安徽省蒙城縣水利局 蒙城 233500）

渦河蒙城樞紐位于蒙城縣城北關(guān)渦河上，由節(jié)制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)于一體的Ⅱ等大（2）型工程。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，特別是煤炭資源的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)狀蒙城船閘300t 級(jí)，通航能力嚴(yán)重不足。同時(shí)，蒙城已被列為安徽省五個(gè)生態(tài)城市之一，對(duì)水環(huán)境和水景觀有更高的需求，現(xiàn)狀蒙城樞紐位置已不能滿足蒙城城市發(fā)展對(duì)渦河水環(huán)境的要求，需將蒙城樞紐移址重建，以改善渦河的通航條件，兼顧蒙城城市水環(huán)境、水景觀建設(shè)。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的樞紐布置選址方案，為確保蒙城閘樞紐或單個(gè)建筑物的流態(tài)，保證節(jié)制閘各閘孔過(guò)流相對(duì)均勻、船閘附近水流滿足相關(guān)規(guī)范要求，本文采用水工模型試驗(yàn)對(duì)蒙城閘樞紐重建總體布置方案進(jìn)行論證并優(yōu)化，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并推薦優(yōu)化方案。

1 工程概況

樞紐下移重建后，節(jié)制閘按20年一遇設(shè)計(jì)過(guò)閘流量2400m3/s，50年一遇校核流量2900m3/s，節(jié)制閘為大（2）型水閘。渦河航道為Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為500t 級(jí)，兼顧1000t 級(jí)船型，移址重建船閘為Ⅳ級(jí)船閘。船閘是渦河蒙城樞紐的一部分，節(jié)制閘、船閘上閘首及兩岸堤防形成完全封閉的防洪體系，工程等別為Ⅱ等。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，蒙城閘樞紐最終采用徐莊方案，該方案船閘布置于左岸，10 孔節(jié)制閘布置于中部，右岸老河道預(yù)留泵站的位置。蒙城閘樞紐平面布置見(jiàn)圖1，節(jié)制閘平剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 蒙城閘樞紐平面布置圖

圖2 節(jié)制閘平剖面圖

2 水工模型試驗(yàn)

2.1 模型范圍

根據(jù)蒙城閘樞紐的試驗(yàn)內(nèi)容和要求，為保證模型進(jìn)、出流邊界相似，根據(jù)試驗(yàn)要求和《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL 155-2012），結(jié)合現(xiàn)有場(chǎng)地和供水條件，選定蒙城閘樞紐模型范圍為：樞紐上游模擬至節(jié)制閘以上約2.2km，樞紐下游模擬至節(jié)制閘以下約2.0km，橫向模擬至大堤?？偰M河道長(zhǎng)度約4.2km。

2.2 整體模型比尺

根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL 155-2012）相似準(zhǔn)則規(guī)定，水工模型試驗(yàn)在滿足重力相似的基礎(chǔ)應(yīng)采用正態(tài)模型，因而本模型按正態(tài)模型設(shè)計(jì)，根據(jù)模型范圍相似條件、試驗(yàn)室的供水條件等綜合因素，選定模型比尺為1∶80。

2.3 測(cè)流斷面及水位控制點(diǎn)布置

本次水工模型樁號(hào)以節(jié)制閘公路橋中線處為0+000，閘上游樁號(hào)用0-XXX 表示，閘下游樁號(hào)用0+XXX 表示。船閘樁號(hào)以節(jié)制閘公路橋中線為0+000。

模型分別在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400、船上0-600、船下0+600 處布置水位測(cè)針，測(cè)量河道沿程水位。

模型分別在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400 處布置流速測(cè)量斷面，測(cè)量河道沿程流速分布。

2.4 計(jì)算控制條件

采用水工模型試驗(yàn)對(duì)節(jié)制閘過(guò)流能力、上游喇叭口處理及切灘等配套工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、引航道導(dǎo)堤長(zhǎng)度優(yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行研究，本次試驗(yàn)參數(shù)包括渦河規(guī)劃流量、蒙城閘樞紐閘上閘下水位等，具體工況選擇見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算工況表

3 成果與分析

3.1 原布置方案

利用已建成的水工模型，對(duì)上述試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知：各工況閘上下游水流基本均勻，無(wú)明顯偏流。原各工況下，上下游航道口門(mén)區(qū)、上游航道與河道間裹頭河道側(cè)均存在范圍大小不等的回流區(qū)。上游航道口門(mén)區(qū)最大回流范圍為600m×120m，最大回流流速為0.36m/s，下游航道口門(mén)區(qū)最大回流范圍為350m×80m，最大回流流速為0.40m/s，均滿足規(guī)范要求。

表2 蒙城閘樞紐工程水工物理模型試驗(yàn)結(jié)果表

設(shè)計(jì)洪水時(shí)，0-1000 斷面附近，水流主流基本位于右岸灘地開(kāi)挖區(qū)，灘槽分界線處流速約為1.0m/s，因該處水深較淺，可能造成沖刷，建議對(duì)開(kāi)挖河道邊坡采取適當(dāng)保護(hù)措施。

最高通航水位時(shí)，0+1260 附近，水流表面流速約為1.2m/s，水流方向與航道間的夾角約為20°，水流垂直于航道的流速分量為0.39m/s，平行于航道的流速分量為1.05m/s。該處航道的橫向流速超過(guò)規(guī)范要求的0.3m/s。

3.2 優(yōu)化方案

因原布置方案中最高通航水位（工況4）下游航道口門(mén)區(qū)的水流條件不滿足規(guī)范要求，修改方案對(duì)下游航道口門(mén)區(qū)左岸進(jìn)行了擴(kuò)挖，開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖3。與原布置方案相比，下游航道口門(mén)區(qū)開(kāi)挖后，航道與河道的銜接更為順暢，口門(mén)區(qū)流態(tài)無(wú)明顯變化。

圖3 修改方案開(kāi)挖示意圖

修改方案設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)流速值與流態(tài)與原布置方案相比無(wú)明顯變化。最高通航水位下游航道口門(mén)區(qū)最大回流流速為-0.37m/s，滿足規(guī)范要求。修改方案下游0+1260 附近，航道內(nèi)水流最大表面流速為0.92m/s，水流方向與航道間的夾角約為15°，水流垂直于航道的流速分量為0.24m/s，平行于航道的流速分量為0.89m/s，滿足規(guī)范要求。

3.3 閘門(mén)管理運(yùn)用分析

選取合理的閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉方式，可使閘下水流對(duì)建筑物及河道可能造成的沖刷影響降到最低。試驗(yàn)采用正常蓄水位進(jìn)行閘門(mén)管理運(yùn)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)以2 孔為一組，按照均勻、對(duì)稱的開(kāi)啟原則，依次開(kāi)啟2 孔、4 孔、6 孔、8 孔、10 孔直至全開(kāi)。試驗(yàn)時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟高度為0.3m，因惡劣放水時(shí)，下游水位較低，防沖槽尾坎處水流流速較大，建議第一輪開(kāi)啟時(shí)開(kāi)度不超過(guò)0.20m，以后按照下游水位的上漲情況及上游來(lái)流量來(lái)合理確定下一輪的開(kāi)啟高度。實(shí)際運(yùn)用時(shí)的閘門(mén)開(kāi)度級(jí)差由設(shè)計(jì)院根據(jù)操作難易程度及開(kāi)啟歷時(shí)等因素綜合考慮。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因閘孔數(shù)較多，只要不同時(shí)開(kāi)啟相鄰的兩孔，閘下流態(tài)無(wú)明顯差別。另外，若先開(kāi)啟緊靠翼墻的兩孔，有可能對(duì)翼墻造成不利影響。建議按照均勻、對(duì)稱的開(kāi)啟原則，先開(kāi)啟中部的閘孔，最后開(kāi)啟邊孔。

閘門(mén)關(guān)閉順序與開(kāi)啟順序相反。

4 結(jié)論

采用水工模型試驗(yàn)對(duì)蒙城閘樞紐重建總體布置方案進(jìn)行論證并優(yōu)化，結(jié)果表明：

（1）各工況閘上下游水流基本均勻，無(wú)明顯偏流。原布置方案上下游航道口門(mén)區(qū)、上游航道與河道間裹頭河道側(cè)均存在范圍大小不等的回流區(qū)，易產(chǎn)生淤積，建議在工程運(yùn)用過(guò)程中保持監(jiān)測(cè)。

（2）原布置方案最高通航水位時(shí)，下游航道的最大橫向流速為0.39m/s，超過(guò)規(guī)范要求的0.3m/s。采用對(duì)下游航道口門(mén)區(qū)左岸進(jìn)行了擴(kuò)挖的優(yōu)化方式，下游航道的最大橫向流速減小至0.24m/s，滿足規(guī)范要求。

（3）閘門(mén)在運(yùn)行管理中，建議按照均勻、對(duì)稱的開(kāi)啟原則，先開(kāi)啟中部的閘孔，最后開(kāi)啟邊孔。閘門(mén)關(guān)閉順序與開(kāi)啟順序相反■