臨淮崗復線船閘水工模型試驗研究

王書文，張金峰，楊桂根 （安徽省港航建設投資集團有限公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概況

臨淮崗工程是迄今淮河干流上最大的水利樞紐工程，位于淮河干流中游[1]。臨淮崗船閘是臨淮崗洪水控制工程的重要組成部分，現有的臨淮崗船閘為Ⅰ等1級建筑物，Ⅳ級船閘（500t級）。在合裕線航道按Ⅱ級標準升級和引江濟淮工程按Ⅱ級標準溝通長江與淮河的航道整治要求下，現有船閘規模不能滿足淮河上游快速發展的水路運輸要求。為提高臨淮崗船閘通過能力，暢通區域對外水運運輸通道，現擬新建臨淮崗復線船閘工程。

擬建臨淮崗復線船閘為Ⅱ級船閘（2000t級），船閘有效尺度初定為240m×23m×5.2m（閘室長×閘室寬×檻上水深），設計代表船型為2000t級機動駁、1000t級機動駁。

工程可行性研究階段設計方案：主體基坑施工采用大開挖方案，需拆除城西湖蓄洪堤和城西湖船閘，城西湖蓄洪堤在復線船閘右岸還建，城西湖船閘在沿崗河左支緩建。復線船閘位于一線船閘右岸，與現有一線船閘平行布置，兩閘軸線距離取120m，船閘下行靠右行駛，直進直出；上行靠右行駛，曲進曲出，臨淮崗復線船閘工程設計方案整體布置見圖1。

圖1 臨淮崗復線船閘工程設計方案整體布置

由于受已有建筑物的制約，使得復線船閘的平面布置及水力條件較為復雜，為確保復線船閘與一線船閘通航條件滿足船舶安全進出閘的要求，且對樞紐泄水不造成影響，本文采用水工模型試驗對臨淮崗復線船閘總體布置方案進行論證并優化。

2 水工模型試驗

2.1 模型范圍

受已有建筑物的制約，為保證模型中上引航道入口及下引航道出口水流流態與原型相似，模擬范圍上游為臨淮崗主壩以上4500m，下游為碼頭以下500m。垂直水流方向左邊界至何家圩、姜唐湖南堤，右邊界至城西湖大堤。模擬范圍總長6km，總寬4km，模型中含深孔閘、49孔淺孔閘、城西湖退水閘、臨淮崗船閘、臨淮崗復線船閘、城西湖船閘、工農兵泵站、下游碼頭等建筑物，整體模型平面布置詳見圖1。

2.2 模型比尺及糙率處理

根據試驗任務及《水工（常規）模型試驗規程》（SL155/2012）相似準則規定，模型必須保持幾何相似、水流運動相似和動力相似。本試驗主要作用力為重力，故模型采用正態模型，遵循重力相似準則，即模型與原型佛勞德數相等，同時滿足阻力相似要求。模型幾何比尺采用1：100。

原型主槽糙率n主=0.0225，灘地糙率n灘=0.035，相應模型主槽糙率n模主=0.011，灘地糙率n模灘=0.012。水泥面抹光糙率為n=0.01～0.011，滿足主槽糙率相似要求，灘地要另行加糙。試驗選用塊石梅花加糙。塊石經篩分，平均粒徑d=0.02m。根據唐存本糙率計算公式，當d=0.02m，L=0.03m 時，糙率為0.035。因此，試驗選用平均粒徑d=0.02m的塊石，間距L=0.03m梅花形排列可滿足灘地阻力相似要求。

2.3 測流斷面及水位控制點布置

模型試驗以深孔閘閘軸線為0+000，選定0-250斷面為上游水位控制測點，0+300斷面為下游水位控制測點。

模型分別在 0-250、0-400、0-600、0-1000、0-1400、0-2000、0-2800、0-3500、0+300、0+600、0+1000、0+1500、0+1200、0+1600 斷面及城西湖退洪閘閘下200m處布置水位測針，測量河道沿程水位。

模型分別在 0-250、0-1000、0-1400、0-2000、0+300、0+800、0+1000、0+1600斷面及上下游航道口門區處布置流速測量斷面，測量沿程流速分布。

2.4 試驗工況

本次試驗參數包括淮河總泄量、臨淮崗閘上閘下水位、城西湖退水閘流量和水位等，具體參數如表1所列。

3 成果與分析

3.1 原布置方案試驗成果

利用已建成的水工模型，對上述試驗工況進行試驗研究，試驗結果見表2，部分工況上下游流態見圖2。

由表2可知：隨著上游來流的增加，水流逐漸漫灘，上游航道右側灘地水深逐漸增大，最高通航水位時水深約為4.7m；至航道口門區，航道范圍內流速先減小后增大，橫向流速也表現相同的規律，這是由于小流量時，主要是河道主槽泄水，來水沒有上灘（工況3），河道主槽過流面積較小，主流較為集中，水流流速較大；隨著上游來流的增加，水流漫灘，河道主槽和灘地同時泄水（工況2），河道過流面積急劇增大，加上灘地糙率大于主槽糙率，水流流速相應減小；上游來流繼續增加（工況1），河段過流斷面面積變化不大，水流流速隨之增大。在最高通航水位（工況1）和平槽泄水工況（工況3）時，上游航道口門區最大橫向流速分別為0.69m/s、0.38m/s，超過規范的規定值0.30m/s，建議對上游航道口門區右側進行適當擴挖，以減小航道中心線與水流方向的夾角，減低口門區橫向流速。

水流出深孔閘后沿河槽下泄，不同工況來流組合，在下游航道口門區都會形成不同范圍的回流區，回流流速隨上游來流增大而減小；下游航道口門區的橫向流速各工況均超過規范的規定值0.30m/s，建議處理方式同上游航道口門區處理方式相同。

3.2 優化方案試驗成果

為減少上下游航道口門區橫向流速及回流流速，改善航道內水流條件，須對復線船閘上下游布置進行優化。

優化方案保持船閘軸線不變，閘室底板高程降至11.94m，上游航道右側底邊線不變，底高程保持14.47m不變，航道底寬向一線船閘側由原布置方案的50.0m增加至65.0m，航道左側以1:3的坡與原地形順接。口門區向右擴挖最大約35.0m，與上下游平順連接，口門區航道底高程由16.07m降至15.67m，與底高程為14.47m的引航道以1:30的坡相接。下游航道右側底邊線不變，航道底寬向左增加至65.0m，口門區航道底高程由13.45m降至13.34m，與底高程為12.34m的引航道以1:30的坡相接。優化方案上下游航道布置圖見圖3。

對原布置方案模型進行修改，對上述試驗工況進行試驗研究，試驗結果見表3，部分工況上下游流態見圖4。

由表3和圖4可知，臨淮崗復線船閘總體布置優化方案總體優于原布置方案，優化方案上下游引航道及航道口門區內水流流態與原布置方案基本相似，但由于上游口門及引航道航道增寬，使得各工況下上下游航道及口門區的水流條件滿足規范要求；最高通航水位和河道灘槽泄水時，下游航道口門區連接段在樁號0+930～0+980，寬約20m 范圍內的橫向流速超過0.30m/s，最大橫向流速為0.36m/s。因航道寬為65.00m，滿足規范要求水流條件的航道寬度約為45.0m，約為設計最寬船型寬度的3.2倍。下游航道連接段的水流條件基本滿足通航要求。

淮河臨淮崗復線船閘工程水工物理模型試驗工況表 表1

圖2 臨淮崗復線船閘工程原布置方案部分工況上下游流態

圖3 臨淮崗復線船閘工程優化方案布置圖

淮河臨淮崗復線船閘工程原布置方案水工物理模型試驗結果 表2

淮河臨淮崗復線船閘工程優化方案水工物理模型試驗結果 表3

4 結論

①臨淮崗復線船閘總體原布置方案基本合理，除上下游航道口門區橫向流速偏大，各工況下上下游引航道內水流條件滿足規范要求；

②提出了對上游航道口門區右側進行適當擴挖的優化布置方案總體優于原布置方案，使得各工況下上下游航道及口門區的水流條件滿足規范要求。