引江濟淮航道大型跌水案例設計分析

王麗軍

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程背景

引江濟淮工程由長江下游引水，向淮河中游地區補水，是一項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及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程。引江流量300m3/s，入淮流量280m3/s。輸水干線長723km，自南向北可劃分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。

引江濟巢段菜子湖輸水線路自樅陽引江樞紐，經菜子湖調蓄后，由南向北穿越地勢較低的丘陵區鞍部，至白石天河入巢湖，線路全長113.18km。菜子湖線輸水渠道挖寬挖深后，現有水系被打斷破壞，為使現有水系平順匯入本工程輸水渠道，需要新建一批跌水建筑物。跌水與輸水主河道渠存在不同的跌差及交角，水流的跌落勢必對交匯處的水流流態產生不利影響，對渠道通航影響較大，需要控制跌水匯流口的入渠橫向流速，保障航運安全。根據引江濟淮工程初步設計審查意見，引江濟淮工程主渠道通航橫向流速控制條件為：航道最高通航水位遇20年一遇洪水（泄流工況），橫向流速不大于0.3m/s（通航水域邊線，垂直航道中心線）；航道最低控制水位遇5年一遇洪水（消能條件一），橫向流速不大于0.15m/s。

2 跌水概況

尹河跌水為引江濟淮工程引江濟巢段菜子湖線典型跌水之一，工程位于菜子湖輸水線路樁號F54+000處左岸邊坡上（航道右岸邊坡為夏莊跌水），匯水面積222.0km2。規劃5年一遇設計流量為368m3/s，對應上游支流水位13.15m，下游航道水位7.99m，相應主渠道的流量為135m3/s，支流匯入流量大于主渠來流流量，其匯流比為2.73。規劃20年一遇設計流量為989m3/s，對應上游支流水位15.69m，下游航道水位15.18m，相應主渠道的來流量為1325m3/s，其匯流比為0.75。支流匯流流量大，容易在匯流口引起較大的橫向流速，特別是在主渠來流量相對較小，匯流比大的情況下，匯流口出現橫向流速偏大的問題將會更加突出。此外，在尹河跌水匯流口對岸有夏莊跌水匯入，這種兩座跌水隔岸相對的布置局面使得匯流口區域的水流條件更加復雜。

3 跌水布置

尹河跌水原設計依次由引渠、進口連接段、消力池、出口連接整流段等組成，跌差6.23m，跌水縱軸線與航道中心線交角51°。

利用現有河道適當擴挖作為引渠，引渠底寬為98.0m，渠底高程為10.50m，渠頂高程為15.80m，對引渠末端30m渠道的底及邊坡采用C25素混凝土進行防護。在跌水上游130m處設置一道壅水壩，壩高1.0m。進口連接段長20m，底板頂高程10.5m，凈寬98m，兩岸為鋼筋混凝土扶壁式擋墻。后接消力池長為20.8m，池底高程為3.00m，池深為1.5m，兩岸為鋼筋混凝土空箱擋墻。在消力池內設有“T”型消能墩，“T”型墩起始斷面至跌坎的距離為11.8m，消能墩后接矩形截面消能齒墩。消力池后接40m長鋼筋混凝土海漫及10m長拋石防沖槽，槽深2.0m，頂高程與航道一致為4.27m，兩岸為1∶3混凝土預制塊邊坡，設圓弧段并與航道邊坡銜接。海漫上部設交通橋，有5組橋墩位于海漫內。

4 模型試驗成果

4.1 試驗目的

尹河跌水和夏莊跌水工程的整體水工模型選擇5年一遇洪水和20年一遇洪水的通航設計為代表工況，主要試驗研究內容包括：

（1）觀察代表工況條件下跌水消力池的水流流態和消能效果。

（2）觀察匯流口的水流流態。

（3）測量匯流口影響范圍內通航區域的流速分布，分析匯流對通航水流條件的影響。

（4）針對影響通航安全的水流條件提出優化改進措施，改善通航運行條件。

4.2 試驗工況

尹河跌水工程的整體水工模型的試驗工況共有5年一遇洪水設計通航和20年一遇洪水設計通航兩種工況：

（1）5年一遇洪水設計通航工況：尹河跌水的支流流量為368m3/s，主干渠的流量為135m3/s，主干渠匯流口下游的通航水位為7.99m（相應于最低通航水位）。

（2）20年一遇洪水設計通航工況：尹河跌水的支流流量為989m3/s，主干渠的流量為1325m3/s，主干渠匯流口下游的通航水位為15.18m（相應于最高通航水位）。

4.3 試驗成果

水工模型試驗通過對原設計體型在內共計8種方案進行的試驗，最終取得滿足航運要求的結構布置。4.3.1設計體型

5年一遇設計工況下尹河跌水匯流口航道邊界橫向流速均大于0.15m/s，最大橫向流速為0.38m/s，不能滿足通航橫向流速小于0.15m/s的通航要求。20年一遇設計工況尹河跌水匯流口區域航道邊界的水流橫向流速均大于0.30m/s，最大橫向流速達0.51m/s，也不能滿足通航橫向流速小于0.30m/s的要求。4.3.2優化體型

根據對原設計體型分析，其結構布置不能滿足航運要求，模型通過不斷優化布置，分別對原布置進行了7種方案試驗并最后取得滿足航運要求的結構布置。

尹河跌水匯流口的優化體型均在前一次的體型的基礎上繼續深化。最終確定體型優化內容：在20年一遇航道邊界的通航區域外設置了7道導流墻，使匯流口水流分布較均勻。將跌水下游右岸邊坡進行了調整，即將邊坡向外（岸側）進行了擴展，底部半徑由180m調整為609.1m，邊坡由1∶3修改為1∶2.5，上下游端則與原邊坡進行平滑過渡連接，如此修改既不會影響尹河入流與主渠水流的平順銜接，同時適當擴展了尹河匯流口的寬度，增大了彎道段的過流斷面，降低匯流口右岸的岸邊流速，有利于支流平順匯入主渠。

跌水出口確定的體型出口橫向流速5年一遇洪水條件下，主干渠為最低通航水位組合工況下匯流區附近航道內各斷面的橫向流速基本控制在0.15m/s以內，在彎道末端航道邊界上個別測點的橫向流速略大于0.15m/s，但實測流速仍小于0.2m/s，且周圍其余測點的橫向流速都不大于0.15m/s，說明橫向流速的超標范圍小，這種小范圍橫向流速約大于0.15m/s的水流條件，不致影響船舶的安全航行。在支流發生20年一遇洪水，主干渠為最高通航水位的情況下，航道水域的橫向流速個別測點的橫向流速約大于0.30m/s以外（實測橫向流速為0.31m/s），航道區域內的其他部位水流的橫向流速都不大于0.30m/s。這種小范圍橫向流速大于0.3m/s的水流條件，不致影響船舶的安全航行。5年一遇和20年一遇洪水橫向流速分布圖見圖1、圖2。

圖1 5年一遇洪水橫向流速分布圖

圖2 20年一遇洪水橫向流速分布圖

5 優化設計

根據模型試驗成果，跌水平面布置上對跌水下游右岸邊坡進行了調整，將邊坡向外進行了擴展，底部半徑調整為60.91m，邊坡修改為1∶2.5，上下游端則與原邊坡進行平滑過渡連接，在靠近航道邊緣側增設導流消能墩，改善水流形態，確保航向流速在可控范圍內，保障航運安全。

6 關鍵點分析

引渠盡量足夠長，寬度與進口連接段一致或緩慢漸變至進口連接段寬度，使水流盡量平順地進入進口連接段。

跌水向支流方向后退布置（遠離主航道），使跌水出流匯流口遠離主航道。在條件 （與上游支流銜接、工程占地，工程投資等）允許情況下，盡可能加大跌水凈寬布置。

在不影響上游進水水流條件的情況下，跌水縱軸線與航道交角越小越好。在滿足跌水出口邊坡與上下游輸水渠道邊坡平順銜接的基礎上，盡量加大跌水匯流口的設計寬度。

消力池首端頂部設通氣管，以改善水流條件，通氣管管底高程要高于下游水位。

匯流比較大的跌水，應在出口連接段設置導流墩，以降低橫向流速對航運的影響。

在跌水匯流口段及上下游范圍內設置航標，提醒通行船只注意跌水匯流口區域橫流影響，切勿偏離航線駛入跌水匯流口。

7 結語

跌水作為渠化航道兩岸支流匯水渠系建筑物，不僅起到排洪泄水作用，也關系到支流來水對航運安全的影響。合理的跌水結構布置，不僅能保障排洪、泄水和安全通航，還能節約土地、節省工程投資。本文通過模型試驗多次方案調整得到滿足航運的工程布置并指導工程優化設計，總結出渠化航道兩岸跌水工程設計控制關鍵點，可為其他類似工程設計提供參考借鑒