分汊河道閘前流態優化水工模型試驗研究

許雪梅 孫猛 夏季 謝慶躍 陸雯

摘要：

分汊河道匯流區流態復雜，當水閘距離匯流區較近時，應通過整體水工模型試驗來驗證整流優化措施能否滿足水閘工程的功能要求。以武障河閘工程為例，開展了武障河閘上下游河道定床水工模型試驗，依據試驗結果，確定了流態優化最佳方案。結果表明：采用方案3導水堤加閘上游布置鏤空式整流底坎的方案，可使上游流場得到明顯改善，水流到閘前段時偏流現象已不明顯，可滿足工程安全運行要求。

關鍵詞：

分汊河道； 整流措施； 水工模型試驗； 武障河閘

中圖法分類號：TV663

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.015

文章編號：1006-0081（2023）03-0084-05

0 引 言

分汊河道水流交匯處易產生不穩定的漩流，漩流隨水流流動向下游擺動，進而引起閘前進流偏向、不穩定、過流不均等現象，無法滿足過閘水流順暢、流速分布均勻的要求。因此，采取相應的整流措施改善閘前水流流態，對水閘安全運行具有重要意義。

對于閘前不良流態的優化措施，近年來，國內外眾多學者專家基于數值模型及物理模型試驗開展了較多研究。胡旭躍等［1］對分汊河道分流區斜流流態的整治方法開展了研究，通過采取非對稱非等高魚嘴方案，有效改善了航道水流流態。羅燦等［2］采用數值試驗模擬了增設底坎后正向擴散泵站前池流態，研究底坎位置、尺寸等對前池流態影響。馮建剛等［3］基于模型試驗，研究了泵站不良流態的原因，提出了消渦板、非全段式底坎和八字形導流墩等改善不良進水流態的工程措施，并對底坎和八字形導流墩措施進行比較分析。目前，對于正向進水及側向進水泵站前池不良流態的改善措施研究較為成熟［4-7］，但對于流態更為復雜、受分汊河道偏流影響的閘前不良流態改善措施研究較少。本文以武障河閘工程為例，建立武障河及老河槽定床水工模型，分析不同整流措施對于閘前流態改善效果，以期為同類工程的整流措施設計提供參考。

1 工程概況

武障河閘位于連云港市灌南縣新安鎮境內武障河上、武障河與鹽河交匯處東側約500 m處，距縣城5 km，是鹽東控制工程的骨干工程之一。武障河擴建工程建設內容中的新閘工程，閘室總凈寬130 m，共計13孔，單孔凈寬10 m。在上游側（鹽河側）設計洪水位工況下，節制閘設計流量為849 m3/s。上下游引河疏（拓）浚工程長約1.81 km，堤防填筑工程長約1.55 km。武障河擴建工程承擔著區域防洪排澇的重要任務，工程安全極其重要。工程位置及工程平面布置示意見圖1，2。

2 模型設計

本文模型模擬范圍包括灌南縣武障河閘整體及上游老河槽拐彎段（老河槽與武障河交匯處上游約220 m處）至下游武障河與船閘交匯處（武障河閘下游約580 m處）的水工建筑物及河道部分。

根據連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程的研究范圍及內容，為保證模型和原型兩個水流系統的相似性滿足相應規程，綜合考慮采用定床正態模型。 為了模擬閘運行過程中進、出水流，模型需要滿足幾何相似、水流運動相似和動力相似準則［7］。相應的比例尺見表1。

按照相關規范要求，依據原型圖紙和試驗目的，繪制模型總體布置圖，在水工大廳進行場地施工放樣，制作灌南縣武障河閘試驗模型（圖3）。

試驗中需要采集的主要參數有流場流態、流量和水位，模型制作過程中還需要長度、高度、水平等參數的控制量測設備。流量量測采用了電磁流量計和超聲波流量計同時互驗量測，保證了流量量測的準確可靠。水位量測除采用南京水利科學研究院 WYG-Ⅲ型無線測控智能水位儀測量水位的方法外，還使用測壓管測量水位的方法進行同步校驗，保證可靠度的同時提高精度。試驗中采用了目前較為先進的流場量測設備 DPTV對樂青市武障河閘多個工況的進出水流態進行測定［8］。

3 優化方案設計

3.1 現狀工況流態分析

依據工程現場觀測數據，在上游側（鹽河側）汛期高水位工況下，武障河和老河槽分流比為7∶3，節制閘設計最大過流能力為660 m3/s，閘上游水位2.5 m，下游水位2.4 m。本次試驗閘門模型開度為10 cm，實際工程開度為5 m。在優化方案未實施前，獲取的面層和底層流場見圖4，5。

由圖4，5可以看出，在此工況下，由于兩側水流的匯合，武障河和老河槽交匯處水流會產生不穩定的漩流，漩流隨水流運動向下游擺動位移，進而引起閘前進流偏向且不穩定及過流不均現象。過閘后下游水流也出現兩側流速分布不均，武障河一側大，另一側小，在水閘和船閘水流交匯處出現低速漩渦。

3.2 優化方案設計

根據原設計工況下試驗結果可知，由于武障河和老河槽兩側水流交匯處水流匯合后，產生不良流態，無法滿足過閘水流順暢、流速分布均勻的要求。鑒于此，提出以下幾種優化整流措施，進而得出優化方案。優化方案的試驗均在武障河和老河槽分流比為7∶3、過流量為660 m3/s、閘上游水位2.5 m、下游水位2.4 m的工況下進行。

針對武障河閘前產生的漩流問題，擬在武障河和老河槽交匯處設置整流分水墻，阻止此處不穩定漩流的形成。試驗中進行多次反復測試，根據現場觀察以及試驗結果比較，確定如下3個形式優化方案。

（1） 在武障河和老河槽出口設置一長約45 m的導水墻，末端靠近老河槽側，與水閘中心線呈9°夾角，具體見圖6。

（2） 將武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延長，但頭部收窄，做成長約40 m導水堤的型式，見圖7。

（3） 將武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延長，頭部收窄，做成長約40 m導水堤的型式，同時在閘上游布置鏤空式整流底坎，見圖8。

3.3 數據評價方法

流速分布均勻度可用以表征流場速度的均勻性，閘門前流速分布均勻度ηua采用式（1）進行計算：

ηua=1－1ua∑ni=1（uai－ua）2n×100%（1）

式中：ua為閘門前的平均流速；uai為閘門前斷面上計算單元流速（i=1，2，…，n），n為計算單元數。

4 試驗結果分析

4.1 方案一

由圖9可以看出，增設導水墻后，武障河與老河槽交匯處的漩流分成了導水墻兩側的兩個小漩流，流場得到了明顯的改善。然而，此方案的缺點在于，由于導水墻所處的位置為無護坦的土質河床，施工困難且投資較大。

4.2 方案二

方案二在武障河與老河槽的交匯處添加導水堤。導水堤做成斜降式，末端高程為最低水位 2.5 m，頂端高程為 3.7 m，高于最高水位3.6 m。獲取的流場云圖見圖10。方案二與方案一相比，武障河和老河槽交匯處產生的渦旋進一步縮小，閘上游水流進流方向更加穩定順直，說明方案二較方案一有更好的流場改善效果；另外，考慮到施工條件與環境因素，導水堤比導水墻的結構更為穩定。

同時為了探究導水堤的安放位置對閘門前流場穩定情況的影響，通過改變導水堤墩頭的位置，同時用流速儀測量各閘孔前中心點水面下0.6倍水深處流速的方法來確定導水堤的最佳安放位置，計算得到導水堤頭位置與閘門前流速均勻度關系見表2。

由表2可知，導水堤頭置于9號線與H線交點處，即實際工程中導水堤長40 m、堤頂中心線與水閘中心線夾角為9°向北時，閘門前流速均勻度最好。

4.3 方案三

方案二中，導水堤對河道流態，尤其是新老河道交匯處的流態的改善效果顯著，但閘門前流場仍不夠順直。為了進一步改善閘門前的水流流態，提出方案三：在方案二的基礎上，在閘門前加設一道鏤空式整流底坎。

為了確定底坎的最優位置，以最大程度地改善閘門前流場，采用在導水堤位置不變的情況下移動底坎模型、同時加設流速儀測量閘門前水面下0.6倍水深處流速的方法，計算閘前流速均勻度，計算結果見表3，底坎位置試驗示意見圖11。

5 結 論

本文根據武障河閘工程設計、運行管理的需要，建立了武障河及老河槽定床水工模型，對提出的3個流態優化方案進行相同工況下的對照試驗，從而確定最優方案，得出如下結論。

（1） 武障河和老河槽兩側水流交匯處產生不穩定的漩流，漩流隨水流運動向下游擺動，進而引起閘前進流偏向、不穩定、過流不均等現象。

（2） 經過比選，最終確定為方案三。導水堤使武障河與老河槽交匯處的漩渦變小，不僅使上游河道整體流態變得更加平穩，也減小了漩渦對閘前進流流態的影響。鏤空式整流底坎使水流在進入閘室前變得更加順直，閘室前的偏流問題得到較好解決，閘前進流流場得到改善。

參考文獻：

［1］ 胡旭躍，沈小雄，黃倫超，等.分汊河道分流區航道內斜流的整治方法研究［J］.長江科學院院報，2002，19（3）：22-24，51.

［2］ 羅燦，成立，劉超.泵站正向進水前池底坎整流機理數值模擬［J］.排灌機械工程學報，2014，32（5）：393-398.

［3］ 馮建剛，李杰.大型城市水源泵站前池流態及改善措施試驗［J］.水利水電科技進展，2010，30（2）：70-74.

［4］ 夏臣智，成立，焦偉軒，等.泵站前池倒T形底坎整流措施數值模擬［J］.南水北調與水利科技，2018，16（2）：146-150，163.

［5］ 羅燦，錢均，劉超，等.非對稱式閘站結合式泵站前池導流墩整流模擬及試驗驗證［J］.農業工程學報，2015，31（7）：100-108.

［6］ 周濟人，劉超，湯方平，等.泵站復雜前池內的流態改善研究［J］.揚州大學學報（農業與生命科學版），1998，19（4）：93-96.

［7］ 奚斌，黃才安，周濟人，等.葦草對河道過流影響的河工模型試驗研究［J］.水資源與水工程學報，2010，21（5）；50-54.

［8］ 蔡守允.水利工程模型試驗量測技術［M］.北京：海洋出版社，2008.

（編輯：李 慧）

Hydraulic model test of flow pattern optimization in front of sluice in braided river

XU Xuemei1，SUN Meng2，XIA Ji1，XIE Qingyue1，LU Wen1

（1.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China； 2.The Administration of the Project of Huaihe River Waterway to the Sea in Jiangsu Province，Huaian 223200，China）Abstract：

The flow pattern in the confluence area of bifurcated rivers is complex when the sluice is close to the confluence area.The overall hydraulic model test should be conducted to verify whether the rectification optimization measures can meet the functional requirements of the sluice project.Taking the Wuzhang River Sluice Project as an example，a fixed bed hydraulic model test of upstream and downstream channels of the Wuzhang River Sluice was carried out.Based on the test results，the optimal scheme for flow pattern optimization was determined.The results showed that scheme 3 was adopted，which added a hollow rectifier sill at the upstream of the sluice to the diversion dike.It can significantly improve the upstream flow field，stabilize the flow field at the surface，bottom and layer，and eliminate the deflection phenomenon when the water flew to the front section of the gate，which can meet the requirements of engineering functions.

Key words：

braided river； flow pattern rectification measures； hydraulic model test； Wuzhang River Sluice

收稿日期：

2022-05-16

作者簡介：

許雪梅，女，高級工程師，碩士，主要從事水工建筑物結構設計研究工作。E-mail：xiajilingdian@163.com