裕溪船閘擴建工程樞紐布置優化試驗研究

王光平

(巢湖市裕溪閘管理處 238200)

王久晟 黃祚繼

(安徽省水利科學研究院/安徽省水利水資源重點試驗室 蚌埠 233000)

1 工程概況

裕溪閘水利樞紐工程是控制巢湖流域防洪、排澇及引水灌溉的綜合性水利樞紐，1973年建成使用。工程由節制閘、船閘、魚道、攔河壩、上下游引航道、導流堤等組成，節制閘24孔(其中淺孔16孔、深孔8孔，凈寬5m，底坎高程淺孔5.0m、深孔2.5m)。100年一遇設計流量1170m3/s，300年一遇校核流量1400m3/s，引江灌溉最大流量350m3/s。船閘航道等級為三級，通航能力2×1000t。裕溪船閘于1969年建成投入運行，設計采用前蘇聯三級標準，閘室長195.0m，閘室凈寬15.40m，上游門檻高程3.50m，下游門檻高程0.5m(為吳淞高程系，下同)。閘門采用單面板桁架結構橫拉門、卷揚機啟閉方式。原設計上游最低通航水位6.0m，最小通航水深2.5m。1991年，該工程實施安全加固，加固后閘室凈寬縮小為14.4m，閘室底板高程抬高為0.6m。上下游均無任何船舶引導、?？吭O施，按現行內河通航標準僅相當于五級標準。裕溪船閘是溝通巢湖和長江之間的咽喉要道，是安徽省骨干航道之一，故對船閘進行擴建。

擴建船閘航道等級為3級，設計最大船舶噸級為1000t級，閘室有效尺度為200m×23m×3.5m(長×寬×門檻水深)，該尺度可以滿足1000t級駁船兩排兩列一次過閘。船閘年通過能力為4000萬t。擴建船閘位于裕溪節制閘東側的原老河道內。下閘首位于攔河壩上，長29m，閘室位于內河側，長200m，為鋼筋混凝土U形槽結構;上閘首位于上游，長30m。上下游引航道直線段長均為400m。

2 主要研究內容

a.在通航水位下，遭遇節制閘各種放水條件航道內的縱橫向水流流速分布，測出主要回流區范圍，評價其對船舶和建筑物運行安全的影響，并提出消除不利影響的措施。

b.對節制閘與船閘間的導航堤、引航道等主要平面布置進行優化，并提出優化方案。

c.提出節制閘優化開啟方式，在保證其抗沖安全前提下，減少節制閘放水對通航安全的影響。

d.對將來實施的停泊區(上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區域，下游淮南鐵路備用橋200m以下至入江口)提出建議。

3 模型設計

模型比尺為Lr=75;模型試驗范圍以閘軸線為基準，上邊界取至閘上1.5km，下邊界取至閘下2km，總長3.5km;橫向取至兩側無為大堤，寬約800m。

裕溪節制閘實際發生的主要運行工況的水位、流量見表1。根據《船閘總體設計規范》(JTJ 305－2001)的要求，對于三級航道，口門區水面最大流速限值見表2。

表1 裕溪節制閘主要運行水位、流量

表2 口門區水面最大流速限值

4 原設計方案試驗

4.1 工況1

節制閘正向排水，流量1170m3/s，裕溪閘閘門全部提出水面，為敞泄工況。對應閘上水位9.92m，閘下水位9.83m，水位差0.09m。試驗時控制新汊過流820m3/s，老汊過流 350m3/s，即分流比約為 7∶3。

工況1原設計方案流量為1170m3/s時，上游口門區平行航線的最大縱向流速為1.11m/s，小于2.0m/s，說明縱向流速滿足要求;垂直航線的最大橫向流速在航道內滿足要求，為0.29m/s，但導堤裹頭附近局部橫向流速偏大，為0.41m/s;回流區范圍在閘上0～850至閘上0～550斷面之間，長度約為300m，最大寬度約為70m，形狀為三角形，除閘上0/850～0/650之間右岸水邊的最大回流流速為0.43m/s，略超出設計限值0.40m/s以外，回流區其他部位流速較小。因此，口門區的回流流速也能滿足要求。

下游航道口門區平行航線的縱向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，縱向流速滿足要求;回流區范圍在閘下0+450～0+750斷面之間，長度約為300m，最大寬度包括岸邊約為90m，形狀為一三角形，最大回流流速在右岸坡面水邊，為0.35m/s，未超出流速限值，因此回流流速滿足要求;垂直航線的最大橫向流速為0.37m/s，略超出0.30m/s的范圍，超標橫向流速主要位于閘下0+600～0+700區域，其他區域滿足要求。

同時，老船閘下游出口附近回流區近似為一梯形，在閘下1+025～1+200斷面之間，頂寬約為65m，底寬約為100m，回流較弱，只在左岸水邊的局部流速可達0.40m/s。因此，老船閘下游出口流速滿足要求。

通過觀測流速流態，在工況1條件下，新閘上游航道口門區縱向流速、回流流速以及橫向流速均滿足要求。但上游導堤裹頭附近橫向流速偏大，閘上0－850～0－650之間區域的右岸水邊局部回流略超出設計限值，應在導堤裹頭處設置警示標志。

下游航道口門區縱向流速和回流流速滿足要求;閘下0+600～0+700斷面之間航道最大橫向流速超標，其他區域滿足要求。

4.2 工況2

節制閘正向排水，流量700m3/s，為控泄工況。其中，16孔淺孔開啟0.8m，8孔深孔開啟2.5m。對應閘上水位7.84m，閘下水位7.02m，水位差0.82m。

該工況上游航道口門區平行航線的縱向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，滿足要求;回流范圍在0－750～0－550斷面之間，最大寬度約50m，回流流速在0.2m/s以下，滿足要求;航道內最大橫向流速0.29m/s，滿足要求，但導堤裹頭處橫向流速偏大，局部達到0.50m/s，應在導堤裹頭處設置警示標志。

下游航道口門區縱向流速、橫向流速以及回流流速均滿足要求，回流區范圍在0+450～0+700斷面之間，最大寬度約70m。因此，對于工況2，新閘上、下游航道口門區縱向流速、回流流速和橫向流速均滿足要求。但上游導堤裹頭附近局部點的橫向流速偏大，應在該處設立警示標志。

4.3 工況3

節制閘正向排水，流量498m3/s，為控泄工況。24孔均開啟0.5m。對應閘上水位7.89m，閘下水位5.08m，水位差2.81m。

該工況上下游口門區平行航線的縱向流速、垂直航線的最大橫向流速以及回流流速均在限速范圍內，均能滿足要求。上游回流區范圍在0－800～0－550斷面之間，最大寬度約50m;下游回流區范圍在0+470～0+700斷面之間，最大寬度約90m。

4.4 工況4

節制閘正向排水，流量190m3/s，為控泄工況。其中，16孔淺孔開啟0.30m，8孔深孔開啟0.50m。對應閘上水位7.64m，閘下水位3.44m，水位差4.20m。該工況上下游口門區各項流速均能滿足要求。

4.5 工況5

正常排澇工況，流量688m3/s，閘門全部提出水面。對應閘上水位10.51m，閘下水位10.48m，水位差0.03m。

該工況為正常排澇工況，由于上下游水位較高，河道流速小，航道口門區各項流速值均能滿足要求。其中上游航道口門區回流范圍在0－830～0－550斷面之間，最大寬度約75m，最大回流流速在0.25m/s以下。下游航道口門區回流范圍在0+450～0+750斷面之間，最大寬度約110m，最大回流流速在0.15m/s以下。

對原設計方案分別進行了不同工況新河道與老河道分流比為6∶4和8∶2的不同流量組合試驗。試驗結果表明:新船閘下引航道口門區流速、流態受下游河道分流比影響較小。

5 修改方案試驗

5.1 修改方案1試驗

由于上游航道導堤裹頭處橫向流速偏大，將上游導堤加長25m或減小30m進行試驗，新河道與老河道分流比仍選定為7∶3。結果表明:加長或減小上游導堤的長度，對減小回流流速和橫向流速作用不大。由于橫向流速超標部分主要位于導堤裹頭處，并非位于航道內，因此對航行是安全的，但為了防止出現意外，建議在導堤裹頭處設置警示標志。

5.2 修改方案2試驗

將裕溪節制閘下游左導堤沿河道部分切除，具體切除范圍為閘下0+300～0+800，最大切寬在閘下0+600斷面處，最大切寬約33m，閘下0+800～0+900斷面間平順銜接，切除部分的邊坡1∶2.5，切除至0.5m高程。

試驗時控制過閘流量1170m3/s，對應閘上水位9.92m，閘下水位9.83m，水位差0.09m，閘門全部提出水面，為敞泄工況(此工況對裕溪船閘上下游航道最為不利)，下游新老河分流比為7∶3。通過流速、流態觀測，下游航道口門區水流流向較原方案略向左偏，最大橫向分流速較原方案減小，為0.26m/s，仍位于閘下0+600～0+700斷面之間的區域，因此，橫向分流速滿足限速要求;回流的范圍及其流速值與原方案差別不大，最大回流流速為0.38m/s，滿足要求。

6 結論

a.新船閘上游航道口門區縱向、橫向及回流流速在各種工況下均滿足要求。只是在工況1條件下，閘上0－850～0－650之間的引航道右岸水邊，最大回流流速略超出設計限值，為0.43m/s;上游導堤裹頭處在工況1和工況2條件下局部橫向流速偏大，分別為0.41m/s和0.50m/s，因此，需在導堤裹頭處設置警示標志。

b.下游航道口門區縱向及回流流速在各種工況下均滿足要求，橫向流速除工況1條件下的閘下0+600～0+700之間的區域超出設計限值外，其他工況均滿足要求。工況1條件下，由于流量較大，河道中流速較大，出閘水流由于受節制閘下左導堤限制，水流流向與航線夾角偏大，導致橫向分流速偏大。當實施部分切除節制閘下左導堤時，可有效降低橫向流速。

c.通過加長上游導堤25m和縮短上游導堤30m分別進行試驗，結果表明:這兩種修改方案對減小上游口門區回流流速和橫向流速作用不大。由于略超出設計限值的回流流速主要位于右岸水邊，而橫向流速超標部位在導堤裹頭的局部地方，并非位于航道內，因此對航行是安全的，但為了防止出現意外，建議在導堤裹頭處設置警示標志。

d.考慮到裕溪河新、老船閘分別位于節制閘左右側，新閘局部范圍橫向流速與回流流速超標僅限于1170m3/s流量工況，發生頻率較小，均略超出規范值，常年遇排澇工況流態較好;而將1170m3/s流量工況橫向流速和回流流速控制在規范值之內工程量增大較多，且破壞了節制閘下游左側現有建筑物。建議遇該工況時充分利用老船閘，對新船閘短時間限航。

e.老船閘上游航道進口在各種工況下流速滿足要求，流態良好。下游出口處回流流速基本滿足要求。

f.對設計流量級1170m3/s共進行了下游出口河道三種不同分流比的試驗，結果表明:下游河道分流比對新船閘下引航道口門區流速流態影響較小。

g.各種工況下，口門區以外的河道中水流流態良好，流向基本與設計航道的航線一致，橫向流速均能滿足要求。

h.下游淮南鐵路備用橋0+200以下至入江口河段為開挖的順直新河。通過鐵路橋以上約0+050斷面處的流速分布可知:新河入口處主流偏于左岸，入口轉彎處右岸為弱回流區。至鐵路備用橋0+200以下，河道水流逐漸歸順，斷面流速分布趨于均勻，回流消失。因此該區域可設為停泊區。

i.上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區域可設置為停泊區。從裕溪閘上至蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m間河道順直微彎。根據閘上10+000斷面處實測流速分布的分析，鐵路引橋以上2000m區域河道水流流速分布較為均勻，流態良好。因此，上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區域可設為停泊區。