蒙城閘樞紐水工模型試驗研究

王旭光 陳 杰

（安徽省蒙城縣水利局 蒙城 233500）

渦河蒙城樞紐位于蒙城縣城北關渦河上，由節制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運于一體的Ⅱ等大（2）型工程。隨著經濟社會的快速發展，工業化和城鎮化進程加快，特別是煤炭資源的開發，現狀蒙城船閘300t 級，通航能力嚴重不足。同時，蒙城已被列為安徽省五個生態城市之一，對水環境和水景觀有更高的需求，現狀蒙城樞紐位置已不能滿足蒙城城市發展對渦河水環境的要求，需將蒙城樞紐移址重建，以改善渦河的通航條件，兼顧蒙城城市水環境、水景觀建設。

根據數學模型計算的樞紐布置選址方案，為確保蒙城閘樞紐或單個建筑物的流態，保證節制閘各閘孔過流相對均勻、船閘附近水流滿足相關規范要求，本文采用水工模型試驗對蒙城閘樞紐重建總體布置方案進行論證并優化，為工程設計提供理論依據，并推薦優化方案。

1 工程概況

樞紐下移重建后，節制閘按20年一遇設計過閘流量2400m3/s，50年一遇校核流量2900m3/s，節制閘為大（2）型水閘。渦河航道為Ⅳ級標準，設計最大船舶噸級為500t 級，兼顧1000t 級船型，移址重建船閘為Ⅳ級船閘。船閘是渦河蒙城樞紐的一部分，節制閘、船閘上閘首及兩岸堤防形成完全封閉的防洪體系，工程等別為Ⅱ等。

根據數學模型計算成果，蒙城閘樞紐最終采用徐莊方案，該方案船閘布置于左岸，10 孔節制閘布置于中部，右岸老河道預留泵站的位置。蒙城閘樞紐平面布置見圖1，節制閘平剖面圖見圖2。

圖1 蒙城閘樞紐平面布置圖

圖2 節制閘平剖面圖

2 水工模型試驗

2.1 模型范圍

根據蒙城閘樞紐的試驗內容和要求，為保證模型進、出流邊界相似，根據試驗要求和《水工（常規）模型試驗規程》（SL 155-2012），結合現有場地和供水條件，選定蒙城閘樞紐模型范圍為：樞紐上游模擬至節制閘以上約2.2km，樞紐下游模擬至節制閘以下約2.0km，橫向模擬至大堤。總模擬河道長度約4.2km。

2.2 整體模型比尺

根據《水工（常規）模型試驗規程》（SL 155-2012）相似準則規定，水工模型試驗在滿足重力相似的基礎應采用正態模型，因而本模型按正態模型設計，根據模型范圍相似條件、試驗室的供水條件等綜合因素，選定模型比尺為1∶80。

2.3 測流斷面及水位控制點布置

本次水工模型樁號以節制閘公路橋中線處為0+000，閘上游樁號用0-XXX 表示，閘下游樁號用0+XXX 表示。船閘樁號以節制閘公路橋中線為0+000。

模型分別在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400、船上0-600、船下0+600 處布置水位測針，測量河道沿程水位。

模型分別在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400 處布置流速測量斷面，測量河道沿程流速分布。

2.4 計算控制條件

采用水工模型試驗對節制閘過流能力、上游喇叭口處理及切灘等配套工程優化設計、引航道導堤長度優化等問題進行研究，本次試驗參數包括渦河規劃流量、蒙城閘樞紐閘上閘下水位等，具體工況選擇見表1。

表1 模型計算工況表

3 成果與分析

3.1 原布置方案

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。

由表2可知：各工況閘上下游水流基本均勻，無明顯偏流。原各工況下，上下游航道口門區、上游航道與河道間裹頭河道側均存在范圍大小不等的回流區。上游航道口門區最大回流范圍為600m×120m，最大回流流速為0.36m/s，下游航道口門區最大回流范圍為350m×80m，最大回流流速為0.40m/s，均滿足規范要求。

表2 蒙城閘樞紐工程水工物理模型試驗結果表

設計洪水時，0-1000 斷面附近，水流主流基本位于右岸灘地開挖區，灘槽分界線處流速約為1.0m/s，因該處水深較淺，可能造成沖刷，建議對開挖河道邊坡采取適當保護措施。

最高通航水位時，0+1260 附近，水流表面流速約為1.2m/s，水流方向與航道間的夾角約為20°，水流垂直于航道的流速分量為0.39m/s，平行于航道的流速分量為1.05m/s。該處航道的橫向流速超過規范要求的0.3m/s。

3.2 優化方案

因原布置方案中最高通航水位（工況4）下游航道口門區的水流條件不滿足規范要求，修改方案對下游航道口門區左岸進行了擴挖，開挖示意圖見圖3。與原布置方案相比，下游航道口門區開挖后，航道與河道的銜接更為順暢，口門區流態無明顯變化。

圖3 修改方案開挖示意圖

修改方案設計和校核洪水時流速值與流態與原布置方案相比無明顯變化。最高通航水位下游航道口門區最大回流流速為-0.37m/s，滿足規范要求。修改方案下游0+1260 附近，航道內水流最大表面流速為0.92m/s，水流方向與航道間的夾角約為15°，水流垂直于航道的流速分量為0.24m/s，平行于航道的流速分量為0.89m/s，滿足規范要求。

3.3 閘門管理運用分析

選取合理的閘門開啟或關閉方式，可使閘下水流對建筑物及河道可能造成的沖刷影響降到最低。試驗采用正常蓄水位進行閘門管理運用試驗。

試驗以2 孔為一組，按照均勻、對稱的開啟原則，依次開啟2 孔、4 孔、6 孔、8 孔、10 孔直至全開。試驗時，閘門開啟高度為0.3m，因惡劣放水時，下游水位較低，防沖槽尾坎處水流流速較大，建議第一輪開啟時開度不超過0.20m，以后按照下游水位的上漲情況及上游來流量來合理確定下一輪的開啟高度。實際運用時的閘門開度級差由設計院根據操作難易程度及開啟歷時等因素綜合考慮。

試驗發現，因閘孔數較多，只要不同時開啟相鄰的兩孔，閘下流態無明顯差別。另外，若先開啟緊靠翼墻的兩孔，有可能對翼墻造成不利影響。建議按照均勻、對稱的開啟原則，先開啟中部的閘孔，最后開啟邊孔。

閘門關閉順序與開啟順序相反。

4 結論

采用水工模型試驗對蒙城閘樞紐重建總體布置方案進行論證并優化，結果表明：

（1）各工況閘上下游水流基本均勻，無明顯偏流。原布置方案上下游航道口門區、上游航道與河道間裹頭河道側均存在范圍大小不等的回流區，易產生淤積，建議在工程運用過程中保持監測。

（2）原布置方案最高通航水位時，下游航道的最大橫向流速為0.39m/s，超過規范要求的0.3m/s。采用對下游航道口門區左岸進行了擴挖的優化方式，下游航道的最大橫向流速減小至0.24m/s，滿足規范要求。

（3）閘門在運行管理中，建議按照均勻、對稱的開啟原則，先開啟中部的閘孔，最后開啟邊孔。閘門關閉順序與開啟順序相反■