雙向過流節(jié)制閘與船閘整體布置研究

張 波李 保

（1.安徽省水利水資源重點實驗室 水利部淮委·安徽省水利科學研究院 蚌埠 233001 2.長江口水文水資源勘測局 上海 200000）

雙向過流節(jié)制閘與船閘整體布置研究

張 波1李 保2

（1.安徽省水利水資源重點實驗室 水利部淮委·安徽省水利科學研究院 蚌埠 233001 2.長江口水文水資源勘測局 上海 200000）

巢湖閘具有正向和反向過流功能，不同過流條件下，航道上下游口門區(qū)的流速分布可能大相徑庭，而船閘口門區(qū)的流態(tài)流速分布直接影響著航道的通航安全。為使巢湖復(fù)線船閘的引航道達到規(guī)范要求的安全通航條件，通過水工模型試驗，對巢湖樞紐的整體布置進行研究優(yōu)化，分析了雙向過流節(jié)制閘與船閘的平面布置應(yīng)著重考慮的因素。

雙向過流 平面布置 口門區(qū) 通航條件

1 巢湖樞紐概述

巢湖是我國五大淡水湖之一，巢湖閘樞紐工程位于巢湖市南郊司家巷坡附近，主要工程于二十世紀六十年代初期建成，由節(jié)制閘、船閘、引河及導(dǎo)流堤等組成，具有防洪、排洪、蓄水、引水灌溉及通航多種功能。巢湖閘引河上連巢湖，下接原裕溪河，基本呈直線布置，河軸線自北向南偏西約30°，2002年加固擴建后，河底寬100m。節(jié)制閘布置在引河的左側(cè)，老節(jié)制閘共10孔，每孔凈寬5m，底坎高程4.0m，為滿足排洪要求，于2002年進行了擴建，擴建閘閘室為潛孔式，單孔凈寬5.0m，共6孔，高7.5m，底坎高程4.0m，節(jié)制閘總設(shè)計流量1370m3/s。

老船閘位于引河的右側(cè)，與節(jié)制閘平行布置，兩閘中心距約128m，老船閘設(shè)計采用原蘇聯(lián)三級標準，閘室長195.0m，凈寬15.00m，底坎高程3.5m。上下閘首均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘門均采用橫拉門，齒條式啟閉機。

根據(jù)現(xiàn)狀地形地質(zhì)條件，復(fù)線船閘建于老船閘右側(cè)，下閘首位于攔河堤上，參與防洪。新、老船閘中心相距80m（以現(xiàn)有船閘下閘首部位算），閘縱軸線相對于現(xiàn)有船閘軸線向南偏3°。復(fù)線船閘縱向布置長度：上、下閘首30.5m（包括檢修門槽）、閘室段230m，上下游導(dǎo)航墻各為60m。復(fù)線船閘航道等級為Ⅲ級，設(shè)計最大船舶噸級為1000t級，年設(shè)計通過能力6000萬t。閘室尺度為230m×23m×4.5m（長× 寬×門檻水深）。

2 研究目標及內(nèi)容

新建復(fù)線船閘后，巢湖閘將形成老節(jié)制閘、潛孔式新節(jié)制閘、老船閘和復(fù)線船閘共存的局面。巢湖閘具有正向和反向過流功能，船閘口門區(qū)的流速流態(tài)有可能隨著節(jié)制閘過流流向的改變而惡化；且新老船閘間的距離很近，中間無分隔堤，船閘灌泄水時易相互影響。因此須對船閘引航道在各運行工況的流速流態(tài)進行細致研究，以使航道內(nèi)的通航條件滿足規(guī)范要求，為船隊的安全行駛提供參考。航道口門區(qū)的水力學要求見表1。

表1 口門區(qū)水面最大流速限值

此次研究采用1∶80的正態(tài)模型進行，模型模擬范圍為節(jié)制閘閘上約1.6km，閘下約1.2km，包括船閘的上下游航道口門區(qū)、新老節(jié)制閘、新老船閘等。

3 設(shè)計條件

巢湖復(fù)線船閘設(shè)計運行條件見表2、表3。

4 船閘口門區(qū)布置研究

根據(jù)巢湖閘設(shè)計條件進行各工況下航道口門區(qū)的水力條件研究。本文以巢湖側(cè)為上游，裕溪河側(cè)為下游。

試驗發(fā)現(xiàn)，各工況在上游0-350～0-600和下游0+350～0+800范圍內(nèi)均出現(xiàn)大小、強度不一的回流區(qū)。巢湖側(cè)航道口門區(qū)在最高通航水位、船閘正常高水位運行時有部分區(qū)域橫向流速超過規(guī)范要求。裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在正向最大水級、船閘正常運行工況1、船閘正常運行工況2、船閘正常運行工況3時均有區(qū)域的橫向流速超過規(guī)范要求。為改善船閘口門區(qū)通航條件，需對口門區(qū)隔堤的平面布置進行修改。下游右岸排澇溝的出流部分增加了遠調(diào)碼頭處的回流流速，需對排澇溝的出口布置進行調(diào)整。

表2 巢湖復(fù)線船閘設(shè)計運行條件

表3 巢湖復(fù)線船閘整體布置研究工況

因各工況下航道口門區(qū)的橫向流速超過規(guī)范要求的幅度均較小，故不對樞紐的整體布置作大幅改動，僅對上下游隔堤做適當修改。巢湖側(cè)航道口門區(qū)的回流系主流遇到隔堤后，一小部分水流改變流向而形成，要改善此處流態(tài)，僅需對堤頭型式進行優(yōu)化即可。裕溪河側(cè)航道口門區(qū)的回流是因主流向航道擴散形成，受河道地形所限，較難改變，所幸該處航道內(nèi)橫向流速超標不多，通過縮短導(dǎo)流堤，增加航道口門區(qū)斷面的過流面積，對改善此處的通航條件有一定好處。下游水位較高時，排澇溝出流受河道高水位頂托，基本與裕溪河側(cè)航道口門區(qū)的回流匯聚一起，惡化了口門區(qū)的流態(tài)，可通過在裕溪河與排澇溝間增設(shè)一道隔堤，對排澇溝出流的流向進行引導(dǎo)，可使排澇溝出流不致影響航道口門區(qū)流態(tài)。

修改后各工況下口門區(qū)最大表面流速分布見表4。

表4 修改方案各工況下航道口門處最大表面流速

修改后的樞紐布置較好地改善了口門區(qū)橫向流速超標的問題，取得了預(yù)期效果。但引航道與河道間的隔堤易導(dǎo)致淤積，船閘運行過程中應(yīng)加強監(jiān)測，當淤積影響到通航水流條件時，應(yīng)及時疏浚。

5 節(jié)制閘雙向過流對航道口門區(qū)的影響

為研究節(jié)制閘雙向過流對航道口門區(qū)的影響，選用正向最大級和反向最大級水位這兩個最惡劣工況作為研究工況。正向最大水級工況流量為561m3/s，H上游口門區(qū)=9.5m，H下游口門區(qū)=6.43m；反向最大水級工況流量為709m3/s（其中有100m3/s為排澇溝流量），H上游口門區(qū)=7.7m，H下游口門區(qū)=11.0m。

巢湖側(cè)、裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在正向最大級和反向最大級工況下的流態(tài)及流速分布見圖1～4。

比較這兩個工況上下游航道口門區(qū)的流態(tài)及流速分布可以發(fā)現(xiàn)：對于巢湖側(cè)航道口門區(qū)，兩工況的流速絕對值相差不大，其中正向最大水級略大于反向最大水級，回流范圍基本一致。

對于裕溪河側(cè)航道口門區(qū)，流速絕對值正向最大水級遠大于反向最大水級，回流范圍正向最大級略大于反向最大級。

圖1 正向最大水級上游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖2 反向最大水級上游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖3 正向最大水級下游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

圖4 反向最大水級下游口門區(qū)流態(tài)及流速分布

造成這種差異的原因主要是正向和反向過流時的流量和水位不同，導(dǎo)致過流斷面相差較大。對于流量的差別，巢湖樞紐的最大正向級和反向最大級相差148m3/s，雖然該差值達正向最大級流量的26.4%，但樞紐上下游航道口門附近最窄處河寬均約為220m，流量差值平均僅為0.67m3/m。且上下游航道口門處河道主流均不在航道側(cè)，故巢湖節(jié)制閘正反向過流流量的差別對航道口門區(qū)流速流態(tài)的影響較小。

巢湖側(cè)航道口門區(qū)正向最大級和反向最大級過流時，水位差為1.8m；裕溪河側(cè)航道口門區(qū)正向最大級和反向最大級過流時，水位差為4.57m。從圖1～4可以看出，裕溪河側(cè)航道口門區(qū)在反向最大級時，流速分布更為均勻，流速值較正向最大級小約60%，而巢湖側(cè)航道口門區(qū)的流速值卻相差不大。由此可見，相似的流量，正向過流與反向過流時水位的巨大差別才是航道口門區(qū)通航條件的最大影響因素。

比較正常運行工況3和船閘反向水頭運行這兩個流量一致的工況還可以看出，節(jié)制閘正向運行和反向運行時，河道的主流通常不一致。當航道口門區(qū)在正反向過流時的水位差別不大時，河道主流的變化對航道口門區(qū)的流速流態(tài)影響更大。

因此，在進行具有雙向過流功能的節(jié)制閘與船閘的整體平面布置時，要著重研究比較正向過流與反向過流時，航道口門區(qū)的水位差別，以及由此引起的水力條件改變，并以此作為控制性條件對樞紐的整體布置進行優(yōu)化。

6 結(jié)論

（1）巢湖復(fù)線船閘引航道開挖曲線總體布置合理，上下游引航道內(nèi)均未出現(xiàn)惡劣流態(tài)；上下游口門區(qū)的水流條件部分工況下不滿足通航安全要求，通過對導(dǎo)流堤進行修改優(yōu)化，能使該上下游口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求。

（2）具有正向和反向過流功能的節(jié)制閘和船閘的平面布置優(yōu)化研究，應(yīng)將正反向過流時的水位差作為口門區(qū)水流條件研究的控制性條件。

（3）雙向過流節(jié)制閘與船閘的平面布置還應(yīng)考慮正反向過流時河道主流的改變對航道口門區(qū)流速流態(tài)的影響■