引江濟淮工程楊大莊跌水入渠橫向流速控制優化研究

楊子江 馮 帥 李天華

（1.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230001 2.國家投資項目評審中心 北京 100037）

1 工程概況

引江濟淮工程主要由引江濟巢、江淮溝通和江水北送三段組成，主要任務是以城鄉供水和發展江淮航運為主，結合灌溉補水和改善巢湖、淮河水生態環境。江淮溝通段河渠滿足Ⅱ級航道通航要求，航道尺寸為4.5m×60m×540m（水深×底寬×彎曲半徑），通航保證率為98%。

江淮溝通段河渠（以下簡稱干渠）主要利用派河、天河、東淝河等天然河道擴挖浚深形成，沿線支流或排澇溝渠較多，流量一般為2.8～576.0 m3/s，干支流河底高差約4.0～25.0m，受支流河道天然河勢及工程總體布置要求，跌水中心線與航道中心線均存在一定夾角，支流入渠水流相對航道形成橫流，而橫流是內河航道中不利于船舶正常航行的一種水流，它常使行駛船舶偏離航線，對航行船舶安全構成威脅。

《運河通航標準》規定：運河航道中的通航水流條件應滿足設計船舶、船隊安全航行和停泊的要求，必要時應通過試驗研究進行論證。運河中的取泄水口和其他匯流口的水域，航道橫向流速不應超過0.3m/s，回流流速不應超過0.4m/s。引江濟淮工程（安徽段）初步設計報告批復意見中提出江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件為：航道最高通航水位遭遇支流20年一遇洪水（下稱20年一遇通航工況），橫向流速不大于0.3m/s；航道最低控制水位遭遇支流5年一遇洪水（下稱5年一遇通航工況），橫向流速不大于0.15m/s。

為驗證支流入渠橫向流速是否滿足規范和相關審查意見要求，本文以江淮溝通段流量最大的楊大莊跌水為研究對象，開展水工模型試驗對入渠匯流口的橫向流速大小及影響因素進行分析研究。

2 跌水布置

王橋小河為江淮溝通段干渠右岸支流，現狀河底高程約21.0m，高出干渠設計底高程7.6m，20年一遇行洪流量（滿槽流量）576.0m3/s，為滿足消能要求和減小橫向水流對干渠通航的影響，在入渠口建設楊大莊跌水。楊大莊跌水主要由控制段、上游鋪蓋、上游護底、下游消力池、跌水段及兩岸連接建筑物等組成。根據河道走勢、現場地形條件及水流入渠橫向流速要求，楊大莊跌水控制段布置在干支流中心線交匯點上游約480m 處，中心線夾角55°，采用鋼筋混凝土整體結構，共4 孔，單孔凈寬9.0m，底板頂高程21.0m。控制段下游側設挖深式消力池，消力池兩側邊墻在平面上呈12 度角向兩側擴散，消力池長32.0m，池深2.0m，池底高程19.0m，消力池下游設2 級跌水與干渠連接，單級跌水落差2.6～3.0m，跌水底板頂高程分別為16.0m 和13.4m，順水流向長度分別為30.0m 和22.0m，兩側擋墻與消力池擋墻連接，擴散角一致，跌水末端接下游出水渠，出水渠兩側邊坡以12 度擴散角與干渠渠坡連接。

3 模型設計

為確保楊大莊跌水上、下游水流與原型相似，整體模型范圍：干渠取跌水與干渠中心線相交點上游850m 到下游950m 之間河段，支流王橋小河取跌水上游400m 河道，楊大莊跌水各段建筑物均為模型模擬范圍。

整體水工模型比尺為1 ∶50，滿足《水工（常規）模型試驗規程》要求的限制條件：（1）模型水流進入阻力平方區；（2）模型糙率能達到與原型基本相似；（3）當模型出現表面波時，模型表面流速大于0.23m/s，水深在0.03m 以上；（4）模型為正態模型。模型總長約35m，總寬約20m，總面積約700m2。模型共布置水位測點13 個，流速觀測斷面18 個，各斷面垂直于所在支流河道或干渠中心線，斷面上施測點垂線間距取5m 或10m（原型距離）。

模型試驗工況組合及控制條件見表1。

表1 工況組合及控制條件表

4 原方案試驗結果

4.1 整體流態

4.1.1 跌水上游河道

由于王橋小河D0-330～D0-200 之間河段存在“S”形急彎，跌水上游D0-100～D0+000 河段水流明顯偏向右岸，水流主要通過右側三個閘孔下泄。

4.1.2 跌水下游渠道

由于跌水上游來水主流偏右，消力池及一級跌水內主流亦偏右，水流經消力池和一級跌水消能調整后，在一級跌水尾坎處水流基本均勻。5年一遇通航工況時，跌水下游渠道右側部分區域為靜水區或弱回流區，左側區域亦存在小范圍弱回流區，水流在D0+200～D0+300 之間稍偏向左岸匯入干渠。20年一遇通航工況時，下游渠道D0+200～D0+300 之間水流偏右匯入干渠航道，當干渠來流流量增大時，跌水下游渠道內水流偏右程度有所增強，且在渠道左、右兩側形成一定區域回流，左側回流范圍相對較大。

4.1.3 干渠航道

干渠航道水流流態總體較好，當不考慮干渠來水時，干渠JH0-300 斷面上游河段為靜水區，在跌水下游渠道左側與干渠交匯區域形成回流；5年一遇通航工況時回流范圍和強度均較小；20年一遇通航工況且干渠不行洪時最大回流流速約為-0.4m/s，干渠行洪流量為5年一遇或10年一遇標準時，回流區基本消失，干、支流河道水流平順交匯。各工況下匯流口流態分布見圖1～圖4。

4.2 橫向流速

為便于計算流速與航道中心線夾角及橫向、縱向流速分量，本次模型試驗采用三維流速儀測量干渠航道各斷面流速。原布置方案各通航工況航道內斷面橫向流速見表2。

從表2可以看出，原布置方案5年一遇通航工況下干渠各斷面橫向流速在0.00～0.15m/s 之間，均未超過規范及審查意見限值。20年一遇通航工況下，JH0+100至JH0+200 斷面之間均在航道中心線右側部分出現橫向流速超限現象，其他斷面均滿足規范要求。

表2 原布置方案各通航工況干渠內橫向流速統計表（單位：m/s）

表3 優化工程布置后各通航工況干渠內橫向流速統計表（單位：m/s）

圖1 5年一遇通航工況流態分布圖（原布置，干渠不行洪）

圖2 20年一遇通航工況流態分布圖（原布置，干渠不行洪）

圖3 20年一遇通航工況流態分布圖（原布置，干渠5年一遇洪水）

圖4 20年一遇通航工況流態分布圖（原布置，干渠10年一遇洪水）

5 布置方案優化

楊大莊跌水與干渠匯流口橫向流速超限的工況為20年一遇通航工況，具體范圍主要集中在斷面JH0+100 至JH0+200 附近，其原因主要是：（1）跌水上游王橋小河整體河勢偏向右岸，水流主要由跌水控制段右側進入消能設施，雖經一級消力池及兩級跌水調整，但下游渠道內主流仍然偏右，導致局部流速偏大；（2）在20年一遇通航工況下，干渠來水對支流匯水存在一定擠壓作用，對匯流口水流流向有一定調整，利于降低橫向流速，但同時也減小了過流斷面，相應增大了水流總流速；（3）跌水右岸邊坡與干渠右岸邊坡連段轉彎半徑偏小，水流匯入干渠時流向與干渠水流方向（即通航方向）角度較大，且基本無調整空間。

因此，工程布置方案優化主要針對跌水右岸邊坡，具體措施為：將楊大莊跌水下游右岸邊坡與干渠右岸邊坡坡腳線連接線調整為兩個圓弧段加一個直線段的連接型式，直線段與上游底坡線采用R400m 圓弧連接，與下游底坡線采用R150m 圓弧連接，以加大主流入干渠的過流斷面，增加水流方向調整段的長度，減小橫向流速。經模型試驗驗證，右岸邊坡調整后，5年一遇通航工況（干渠不行洪）及20年一遇通航工況（包括干渠不行洪、干渠5年一遇洪水、干渠10年一遇洪水）匯流口干渠內橫向流速均滿足要求，但在不同通航工況、不同干渠行洪流量情況下，跌水下游渠道左岸仍存在一定范圍的靜水區或回水區，而此區域對降低橫向流速作用微乎其微，為減小工程量及投資，將楊大莊跌水下游左岸邊坡與中心線夾角由12°調整為7°，并對橫向流速進一步驗證。

6 優化方案試驗成果

6.1 整體流態

跌水上游、控制段，消力池及跌水范圍內流態及流速分布情況與優化前基本一致。5年一遇通航工況時，跌水下游渠道右側區域為靜水區或弱回流區，左側區域回流區基本消失。20年一遇通航工況時，渠道內左、右岸回流區范圍也較布置優化前大幅減小。

當不考慮干渠行洪時，干渠斷面JH0-300 上游河段為靜水區。在5年一遇通航工況時，在跌水下游渠道與干渠交匯口上下游均未出現回流區。在20年一遇設計通航工況時，匯流口下游未出現回流區，上游回流區最大回流流速由工程布置優化前的-0.40m/s 降至-0.23m/s。

6.2 橫向流速

工程布置優化后，各斷面的橫向流速范圍見表3。從表3可以看出，5年一遇通航工況下干渠各斷面橫向流速在0.00～0.15m/s 之間，20年一遇通航工況下不考慮干渠來流時各斷面橫向流速在0.00～0.28m/s 之間，均滿足規范和審查意見要求。

7 結語

內河航道內的橫流對通航安全有一定影響。本文以楊大莊跌水為研究對象，采用水工模型試驗對匯流口橫向流速進行觀測，分析了影響橫向流速主要因素，并對工程布置進行優化和模型驗證。結果表明優化后的楊大莊跌水工程布置能有效降低匯流口橫向流速，減小回流區范圍和回流強度，關鍵指標均滿足相關規范和審查意見要求，工程投資較省，為工程運行管理創造了良好條件■