葫蘆灣樞紐泄水閘泄流能力研究

孟德臣，黎國森，邢順敬，馬殿光，李少希

（1.河南省交通運輸廳航務局，鄭州450052；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

沙河和潁河在河南省周口市交匯，周口市以下稱沙潁河，為淮河最大的支流，干流全長620 km，地跨豫皖兩省17縣市，在安徽省潁上縣沫河口入淮河。擬建的葫蘆灣樞紐位于沙河西白帝彎道處，下距兩河交匯處（周口）約25 km，是以航運為主，防洪、灌溉相結合的低壩樞紐［1-6］。

1 斷面模型簡介

樞紐采用分散式總體布置，壩軸線為曲線，總長508.2 m，壩頂高程57.5 m。從右至左依次布置為右側連接壩段（42.0 m）、船閘（24.8 m）、中間連接壩段（242.4 m）、10孔泄水閘（141 m）、左側連接壩段（58.0 m）。泄水閘采用鋼筋砼開敞式低檻設計，其堰型為寬頂堰平底閘，泄水閘沿程依次布置有閘室上游拋石防沖槽、護底、鋪蓋（高程41.8 m）、平底閘（高程41.8 m）、下挖式消力池（高程39.8 m）、海漫（高程41.8 m）、下游防沖槽以及上下游與天然河道連接的1：10斜坡。

2 模型設計

模型按重力相似準則λv=λl1/2設計，需滿足阻力相似和水流連續性相似要求，另外還需滿足紊流條件和不受表面張力影響。根據資料分析，選取λ=36作為該斷面模型比尺，經計算得出流速比尺λv=6，流量比尺λQ=7 776，時間比尺 λt=6。

為保證單寬流量下泄時水流的相似性，消除邊壁層流厚度對水槽中部流速的影響，確保水槽在各試驗條件下均能保證試驗精度，選擇位于河道中間的第五、第六兩孔水閘寬度進行模型設計，采用兩半加一整設計方式。原型兩孔閘寬為2×12+2×1.2+0.02（伸縮縫）+1.8=28.22 m，模型寬78.4 cm。根據試驗目的，斷面模型模擬了泄水閘上游天然河道至下游天然河道間的所有水工建筑物，其模擬范圍為壩上150 m至壩下250 m。為滿足模型范圍要求，需要自制試驗水槽，其長度大于20 m，高1.0 m，寬0.78 m。

3 原設計方案試驗

水閘是本樞紐工程的主要擋水及泄水建筑物之一，其泄流能力的不足往往對樞紐上游防洪工程產生不利影響，因此選擇洪水期進行試驗。樞紐泄水閘按2級建筑物設計，其設計洪水標準為50 a一遇，相應洪水流量為3 000 m3/s；校核洪水標準為300 a一遇，相應洪水流量3 500 m3/s，當上游來流量為556 m3/s（樞紐控制流量）時，樞紐開始全部敞泄來流。考慮不利情況，將樞紐下游27.8 km的周口船閘回水線水位作為壩下控制水位，確定3組泄流能力試驗的控制條件（表1）。

原設計方案下的泄水能力試驗主要結果如下：

（1）上游來流量為556 m3/s時，閘前沒有壅水，基本滿足泄流能力要求。

（2）當流量為設計洪水流量3 000 m3/s時，閘上壅水12 cm，超出允許水位2 cm，閘下消力池尾坎較消力池中部水位壅水10 cm，此時泄水閘布置不能滿足泄流能力要求。

（3）流量為校核洪水流量3 500 m3/s時，閘上壅水16 cm，超出允許水位4 cm（表2），閘下消力池尾坎較消力池中部水位壅水11 cm，此時泄水閘布置也不能滿足泄流能力要求。

設計方案試驗結果表明，兩級洪水期流量均不滿足要求。其主要原因是泄水閘閘墩阻水而引起的壅水，同時試驗中發現閘下消力池尾坎也是影響水閘泄洪能力的原因之一。降低閘底板高程、增大洪水期過流斷面是降低洪水期壩前壅水值較為有效的方法。

表1 設計布置方案泄水能力試驗組次Tab.1 Test group for discharge experiment of design scheme

4 優化方案試驗

經過多次試驗，修改方案將閘底板高程由原來的41.8 m降至41.5 m，同時將上游護底、護坦，下游消力池尾坎、海漫等消能防沖工程的高程也從原來的41.8 m降至41.5 m，其試驗研究成果如下。

（1）三級洪水流量下泄，消力池尾坎均未出現明顯的壅水現象。

（2）洪水期上下游水位差明顯降低，水流下泄更平穩。

（3）洪水期樞紐泄流能力明顯增強，壩前水位在控制值之下（表2）。

（4）綜上所述，試驗結果表明優化方案能滿足樞紐泄洪能力的要求。將該方案布置應用于整體物理模型中，結果表明能滿足樞紐各洪水期的泄洪能力要求。

表2 泄水能力試驗成果Tab.2 Test results of discharge experiment

5 單孔水閘泄流能力曲線研究

泄流能力是決定泄水建筑物尺寸大小的關鍵，關系到工程的泄水規模和具體布置。泄水方式不同，泄流能力的計算也不同。在試驗中，需要調整水閘閘門開啟度來控制下泄流量，在試驗中發現，當下游水位在正常值以下變化時，過閘流量基本不受下游水位變化影響，因此可以說明閘孔水流均為自由孔口出流。

單孔泄流試驗是在水閘優化布置方案上進行的，試驗首先確定閘門開啟度，然后調整模型進口下泄流量，待壩上水位穩定并與控制水位接近時，觀測閘門開啟度、上游水尺水位以及量水堰流量，并通過公式計算孔口自由泄流流量系數μ，得到μ與閘門相對開度（e/H）的關系曲線。

孔口自由泄流流量系數用下式計算

式中：Q為單閘孔流量，m3/s；B為閘孔寬度，B=12 m；e為閘門開啟高度，m；H0為總水頭，m；α為動能修正系數，取 α=1；h 為上游水深，m。

根據公式可算出單孔水閘孔流泄流能力曲線（圖1）。從圖1可知，當e/H介于0.3～0.65時，e/H與μ為線性相關（μ=0.727 1-0.329 1 e/H），當e/H≤0.3時，μ與e/H成冪指數關系，μ值隨e/H的減小而迅速增加。

6 結語

（1）葫蘆灣樞紐的泄水閘原設計布置方案不能滿足洪水期樞紐泄流能力要求；（2）經方案優化試驗，降低閘底板高程至41.5 m（同時降低樞紐上下游消能工底板高程），達到了降低壩前壅水值的目的，滿足了泄流能力要求；（3）在優化布置方案基礎上進行了單孔水閘自由孔流泄流能力曲線的研究，為樞紐建成后的運行調度提供技術支持。

［1］李大美，楊小婷.水力學［M］.武漢：武漢大學出版社，2004.

［2］SL265-2001，水閘設計規范［S］.

［3］孟祥瑋，周華興.那吉航運樞紐溢流壩斷面及壩下沖刷試驗報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2002.

［4］尚昆，趙子春，高慶榮，等.岸堤水庫溢洪閘堰流一孔流流量的試驗分析［J］.大壩與安全，2003（3）：38-44.SHANG K，ZHAO Z C，GAO Q R，et al.Experiment on weir over flow and hole over flow in spill way gate of Andi Reservoir［J］.Dam and Safety，2003（3）：38-44.

［5］毛昶熙.閘壩工程水力學與設計管理［M］.北京：水利水電出版社，1995.

［6］吳國華.加積水壩泄流曲線探討［J］.人民珠江，1994（1）：27-29.