基于水工模型試驗的城東湖閘加固工程閘門控制運用分析

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程概況

城東湖位于安徽省霍邱境內，是淮河南岸支流汲河下游的天然湖泊，也是淮河中游的蓄洪洼地。汲河流域面積為2170km2，城東湖在設計洪水位25.40m時，湖面面積為384km2，庫容為15.9 億m3，蓄洪區人口13.21 萬。城東湖蓄洪區是淮河干流防洪體系的重要組成部分，城東湖閘建成后分別于1954年、1956年、1968年、1975年、1991年、2003年 等6次滯蓄淮干洪水，有效削減淮河干流洪峰，降低干流水位，減輕下游的防洪壓力[1]。

城東湖閘樞紐是淮河中游重要的蓄洪控制工程，為Ⅱ等大（2）型工程，距下游正陽關16km，距霍邱縣城22km，S310 省道從閘上通過。隨著一系列治淮工程陸續完工，城東湖閘運行的水文條件發生了較大變化，逐漸暴露出了水閘過流能力低于設計要求、閘室抗滑穩定安全系數和地基應力不均勻系數不滿足規范要求、進退洪雙向消能防沖海漫長度及沖刷坑深度不滿足規范要求等問題，加之建筑物自身逐漸老化，需對其進行加固擴建。

加固方案擬對老閘進行維修加固，擴建5 孔新閘，并對淮河側長約3.0km 引河進行疏浚等：新閘閘址位于老閘西側，順水流向中心線與老閘平行，亦采用閘橋結合布置型式，共5 孔，其中中孔為通航孔。擴建后樞紐包含老閘、新閘、通航孔、分流島，受邊界條件的復雜變化影響，水閘出水流速不均勻性增加，出水流態較原單一老閘更為復雜。為保障樞紐運行安全，須對城東湖閘閘門進行規范開啟，本文結合水工模型對城東湖閘新、老閘門開啟順序及閘門開度優化試驗[2-4]，分析閘門控制運用方案。

2 水工模型試驗

2.1 模型范圍

為滿足上、下游、左、右岸水流流態的相似性，模型模擬范圍淮河測取1200m，城東湖測取900m，橫向以新老閘分流島為中心，兩側各取550m。

模型順水流方向總長約26m，最大寬度約25m，模型面積450m2，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，模型必須保持與建筑物原型幾何相似、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 ∶80。

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。水泥抹面糙率為n=0.01～0.011，滿足主槽糙率相似要求。灘地經試驗選用塊石梅花加糙，塊石經篩分，平均粒徑d=0.02m，間距L=0.03m 梅花形排列，根據唐存本糙率計算公式，當d=0.02m，L=0.03m時，糙率為0.035，可滿足灘地阻力相似要求。

圖1 城東湖閘樞紐模型布置圖

表1 正向進洪閘門控制運用實測值表（H城東湖=20.5m）

2.3 測流斷面及水位控制點布置

以樞紐軸線為樁號0+000，沿樞紐老閘中心線直線長度值作為斷面樁號。淮河側為0-XXX，城東湖側為0+XXX。文中左、右岸或左、右側均對應于正向水流方向（淮河→城東湖方向）劃分，以下同。

（1）在老閘淮河側的0-100m、0-150m、0-200m、0-250m 處分別布置水位測站；在老閘城東湖側的0+150m、0+200m、0+250m、0+300m 處分別布置水位測站，總共8 個。用來測量淮河側、城東湖側水位。

（2）在新閘淮河側0-150m 和0-200m 處分別布置水位測站；在新閘城東湖側的0+150m 和0+200m處分別布置水位測站；總共4 個。

（3）在淮河側航道的0-310m、0-120m、0-60m和消力池尾坎0-29m 處，城東湖側的消力池尾坎0+47m、海漫0+80m、防沖槽末端0+125m 和航道0+175m 處各布置4 個測流斷面，共8 個。

3 成果與分析

3.1 閘門開啟順序

當淮河側水位較高、城東湖側水位較低、水位落差較大時，為保證閘室安全、穩定運行，初始階段閘門開度不宜過大，且可以先行開啟部分閘孔[5]。經過多組試驗模擬，反復觀測流速流態，按從東向西（老閘→新閘 ）編號，正向宜采用分級開啟，即第一檔開啟第1、3、5、6、通航孔、10 孔，第二檔開啟第2、4、7、9 孔。

當城東湖側水位低于20.5m時，老閘開度宜從0.5m、1.0m逐漸開啟至需要的開度；新閘由于出流流態較差，開度宜從0.2m、0.4m、0.6m 逐漸開啟至需要的開度。

3.2 閘門開啟高度

當淮河側水位26.5m，城東湖側水位20.5m、21.5m 或22.0m 時，上下游水位落差較大。由于新、老閘之間被分流島隔開（分流島高程22.0m），新閘、老閘、通航孔三處出流相互影響，流態較為復雜，沿閘寬方向流速分布不均勻；尤其是通航孔的設置導致新閘左、右側各兩孔出閘水流均產生不對稱擴散，在通航孔閘室兩側形成較強的回流。

對這3 種淮河側、城東湖側水位組合工況進行了不同閘門開度組合的對比試驗，試驗成果見表1。結果表明，當所有閘門開度相同時，如工況1 和工況5，由于通航孔閘室的影響，新閘通航孔左、右側的兩孔出閘水流均產生不對稱擴散，在通航孔閘室兩側形成較強的回流。

為消除或減弱工況1 和工況5 不良流態，采用適當加大老閘閘門開度、適當減小新閘閘門開度、關閉通航孔的閘門控制方式，優化成工況6。模型試驗顯示可有效消除或減緩新閘閘下（城東湖側）水流不對稱擴散影響，消除或減緩回流產生，達到閘下流態較為穩定，流速較為均勻的良好運行狀態。

4 結論

（1）通過控制閘門開啟順序和開度，可有效消除或減緩新閘閘下（城東湖側）水流不對稱擴散影響，消除或減緩回流產生，可達到閘下流態良好，流速較為均勻的良好運行狀態。

（2）閘門分級開啟順序：第一檔開啟第1、3、5、6、通航孔、10 孔，第二檔開啟第2、4、7、9 孔。

（3）閘門開度：當城東湖側水位低于20.5m 時，老閘開度宜從0.5m、1.0m 逐漸開啟至需要的開度；新閘由于出流流態較老閘差，開度宜從0.2m、0.4m、0.6m 逐漸開啟至需要的開度■