淺析阜寧腰閘拆除重建后的閘位確定

顧 青 予 勻 滕兆明 徐海峰

（1.江蘇省淮河入海水道工程管理處 淮安 223200 2.江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200 3.昆山市淀山湖防洪工程管理處 蘇州 215345 4.南京市水利規劃設計院股份有限公司南京 210000）

阜寧腰閘位于江蘇省鹽城市阜寧縣陳集鎮境內，是灌溉總渠第三級控制建筑物，主要功能為調節上下游水位、緩減渠北澇情，兼具保證通航、發電等功能。阜寧腰閘已建成使用60 多年，雖歷經多次加固，但仍存在較大安全隱患。2017年2月，江蘇省水利廳組織召開了阜寧腰閘安全鑒定會議，綜合評定阜寧腰閘安全類別為四類[1]。

為恢復阜寧腰閘工程效益，解決目前存在的防滲體系老化、安全度不足、地基基礎差等問題，需對工程進行拆除重建。工程的拆除重建首先需要確定拆建后的具體位置，對于水閘工程而言則需要合理確定其閘址位置和中心線。在確定閘位過程中，需進行合理論證，力求充分發揮工程效益、減少不利影響。

1 閘址位置確定

拆建工程的選址通常有兩種選擇：原址拆建和新址重建。綜合考慮阜寧腰閘周邊社會、交通、水情等因素，同時結合相關規范要求，經綜合分析，原址拆建相較于新址重建更為有利，其優勢包括：（1）原閘址處位于灌溉總渠擴大段中部，水流條件相對較好，且原閘址位置滿足相關規范中“節制閘上下游河道直線段長度不宜小于5 倍水閘進口處水面寬度”的要求[2]；（2）原閘址與現有交通銜接順暢，周邊交通格局已經形成；（3）原址拆建有利于維持閘區內現有布局，有利于生態環境保護和水利風景建設；（4）原址拆建可減少占地征遷，降低工程投資；（5）原址拆建將不會影響現有河道型式，減少配套工程的重建工程量，降低工程投資。

因此，在本次拆除重建中，阜寧腰閘將選用原址拆建，拆建后的閘址與原閘址保持一致。

2 中心線位置確定

2.1 三種布局方案

在確定阜寧腰閘拆除重建后的閘址位置后，還需確定其水閘中心線，方能確定拆除重建后的工程具體位置。對于阜寧腰閘而言，考慮到管理單位的實際情況，加之阜寧腰閘小水電站在2019年度長江經濟帶小水電清理整治中被定性為“保留類”工程[3]，因此在確定拆除重建后的水閘中心線時，還需要考慮到小水電工程對水閘中心線選取的影響。在全面結合水閘、小水電站尺寸以及所處河道的實際狀況后，拆除重建后的阜寧腰閘水閘中心線位置有如下三種布置方案[4]：

（1）翼墻中心線與河道中心線一致，小水電南置

在本方案中，翼墻中心線（即阜寧腰閘和腰閘小水電站的整體中心線，下同）與河道中心線一致，水閘閘室中心線距離河道中心線9.8m，小水電站位于水閘的南側。

（2）閘室中心線與河道中心線一致，小水電北置

在本方案中，水閘閘室中心線與河道中心線一致，翼墻中心線距離河道中心線9.8m，小水電站位于水閘的北側。

（3）閘室中心線與河道中心線一致，小水電對稱布置

在本方案中，翼墻中心線與水閘閘室中心線重合，同時與河道中心線一致，小水電站對稱布置于水閘兩側。

2.2 利用CFD 理論分析三種布局方案

根據計算流體動力學（CFD）的基本理論，可以把時間域及空間域上連續的物理量的場用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點的場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。通過這種數值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上的微觀流體的基本物理量分布，以及這些物理量隨時間的變化規律，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區等。

在阜寧腰閘中心線三種布置方案的分析中，可將過閘水流看作不可壓縮的流體，對于需進行分析的流體而言，通過場內某一個固定過流斷面，其流入的流體質量和流出的流體質量相等，其數學表達式為：

此外，過閘水流流動還符合動量守恒定律，即納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），簡稱N-S 方程，其數學表達式為：

將上述兩式帶入化簡后可得：

式中各字母代表的含義為：

ρ—流體密度；

t—時間；

ui（i=x,y,z）—速度沿i 方向的分量；

fi（i=x,y,z）—沿i 方向的質量力；

P—壓力；

μ—流體的運動粘性系數。

對于不可壓縮的液體，有ρ=constant 的特性，進一步分析可得ρf=-▽（ρgh），由此分析可得：

對于阜寧腰閘過閘水流流態及流速分布數值模擬計算采用有限體積法，這種方法具有守恒性，可以進行更加靈活的假設，對網格的適應性很好，能夠較好地解決復雜的工程問題，在進行流固耦合分析時能夠完美地和有限元法融合。

根據數值模擬計算，方案1 的模擬結果如圖1所示，從云圖可以看出：南側靠近小水電的閘孔處有回流，閘下游存在一個較大回流區，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線成一定較小角度；過閘水流有兩股主流，水流在防沖槽末端的最大速度為1.988m/s，離河道中心線最大偏心距離超過20m，不均勻系數為1.861。

方案2 的模擬結果如圖2所示，從云圖可以看出：南側閘孔有回流，下游存在一個較大回流區，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線成一定較小角度；過閘水流有三股主流，水流在防沖槽末端最大速度1.803m/s，離河道中心線最大偏心距離超過10m，不均勻系數為1.639。

方案3 的模擬結果如圖3所示，從云圖可以看出：兩側小水電邊閘孔有回流，河道主流方向在防沖槽末端與河道中心線基本平行；過閘水流有兩股主流，水流在防沖槽末端最大速度1.948m/s，不均勻系數1.813。

綜合上述三種布置方案模擬結果可以看出：三種方案的過閘水流流態均較良好，均未出現高速回旋水流繼而影響水流過閘流態或者壓縮主流。但相較于方案1，方案2、方案3 均存在一些不足之處：方案2 中小水電距離總渠北側堤防較近，施工時會開挖到現有堤防，產生拆遷；方案3 中雖然小水電對稱布置流態最佳，但采用分離式布置會產生側向水土壓力較大的問題，較易導致側向抗滑穩定不足、應力集中、底板沉降大等問題，并且小水電分開布置也不利于運行管理。

圖1 布置方案1 的流態分布圖

圖2 布置方案2 的流態分布圖

圖3 布置方案3 的流態分布圖

對于方案1，總體結構布置合理，過閘流態良好，征遷量相對較小，小水電緊鄰管理所，方便建成后的運行管理，因此河道內垂直水流方向的布局方案將采用小水電南置的方案。

綜合上述分析可以最終確定阜寧腰閘的拆除后的閘位，即水閘閘址仍選用原閘閘址，水閘中心線距離河道中心線9.8m，工程整體中心線與河道中心線一致。

3 結語

具體閘位的確定是水閘工程的拆除重建工作的第一步，閘位的確定通常需要通過水閘閘址位置和中心線的確定來實現，需要綜合多方面因素，對所擬定的方案進行科學地比選、分析，才能合理地確定，從而強化工程效益，降低不利影響■