江淮溝通段楊大莊跌水水流入渠對通航影響研究

彭亮

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院（安徽省水利工程質量檢測中心站），安徽合肥 230000；2.水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230000）

1 背景

楊大莊跌水工程位于王橋小河入引江濟淮渠道右岸，現狀河底高程約21.00m，與引江濟淮渠道底高程（13.40m）相差了7.60m，為滿足消能要求及減小橫向水流對通航的影響，需修建多級跌水；另為滿足王橋小河上游飲水用水要求及減少上游泥沙進入引江濟淮渠道，在跌水控制段設低堰擋水。控制段上、下游及各級跌水兩側擋墻根據其所處位置及擋土高度，分別采用鋼筋混凝土懸臂式、扶臂式或空箱式結構，上游翼墻頂高程28.5m，下游翼墻頂高程由28.5m 漸變至15.4m。根據交通部審查意見要求，跌水下游航道橫向流速介于0.15～0.3m/s 時，航道底暫加寬15m 設計。

2 模型設計及控制條件

2.1 整體水工模型設計

為保證楊大莊跌水上下游水流與原型相似，整體模型江淮溝通段干渠取跌水與河渠相交中心線上游850m、下游950m 總長約1800m 河段，支流王橋小河取跌水上游400m 河道作為模型模擬范圍。模擬范圍包含楊大莊跌水各部分主要建筑物。模型制作主要內容包括：模型地形制作、建筑物模型制作與安裝、邊墻、量水堰及前池砌筑、尾門及制作與安裝、人行臺階砌筑及便橋等制作與安裝、模型試水與修正等。

2.2 斷面水工模型設計

楊大莊跌水控制段采用鋼筋混凝土開敞式整體結構，共4 孔，兩孔一聯，單孔凈寬9.0m。斷面模型布置在凈寬0.8m 的試驗水槽中，經比選，斷面模型橫向模擬范圍取跌水中間兩孔、中央縫墩及左右側各半個中墩，總寬21.0m，有效堰寬18.0m，占總堰寬36m 的50%；模型縱向模擬范圍包含由上游護底、上游鋪蓋、控制閘段、消力池、一、二級跌水段及兩岸部分岸坡等跌水上下游主要構筑物及河道地形。

2.3 控制條件

擬定整體模型過流通航試驗控制條件及組次時，考慮到下游瓦埠湖水位頂托，江淮溝通段輸水干渠流量取值可在0 至對應量級洪水規劃值之間。在支流流量量級及下游水位不變的情況下，干渠來流流量越小則跌水下泄水流對下游航道影響相對越大，試驗考慮偏保守情況，在滿足支流來流流量及下游水位規劃條件的前提下，先設定干渠來流流量為0，試驗時若下游水位不滿足規劃條件，整體模型通過下游水位反推干渠來流流量。由于20 年一遇設計泄流工況干渠來流流量為0～1131m3/s，為研究干渠來流對通航水流的影響，該工況分干渠無來流、來流流量5 年一遇、來流流量10 年一遇等三個組次開展試驗。

3 結果分析

整體模型試驗結果中5 年一遇不利通航工況，跌水泄流能力滿足設計要求。20 年一遇設計泄流工況（干渠不來流）除JH0+100 和JH0+200 斷面部分測點橫向流速超標外，其余斷面橫向流速均不大于規范約定上限值0.3m/s。20 年一遇設計泄流工況（干渠5 年一遇來流）依然是在JH0+100 和JH0+200 斷面有部分測點橫向流速超過規范設定的上限值0.3m/s，超標測點均位于航道中心線右側；其余斷面均滿足規范要求。20 年一遇設計泄流工況（干渠10 年一遇來流）JH0+100 斷面最大橫向流速已降至0.25m/s，滿足規范要求；JH0+200 斷面最大橫向流速為0.45m/s，航道右側部分測點橫向流速仍超標；其余斷面橫向流速均滿足規范要求。

斷面模型試驗10 年一遇消能防沖跌水消力池上下游動水壓力值在0.39～5.09mH20 之間，未出現負壓區域，不會發生氣蝕情況。20 年一遇消能防沖跌水消力池上下游區域水壓力分布在0.58～8.38mH20之間，未出現負壓區域，不會發生氣蝕情況。

3.1 跌水泄流能力分析

由于整體水工模型邊界條件更加完整，采用整體模型試驗成果分析跌水泄流能力。整體模型20 年一遇設計泄流工況及5 年一遇不利通航工況跌水上下游水位落差計算見表1。

表1 整體模型各工況跌水上下游水位落差計算表

根據上表可以看出，當試驗支流來流流量及跌水下游水位均控制為規劃設計值，實測跌水上游（D0-100 斷面）水位及上下游水位落差均較規劃值偏小，表明跌水泄流能力滿足規劃要求。

3.2 整體流態分析

各工況跌水與上游王橋小河流態相似：因王橋小河D0-330～D0-200 之間河段存在“S”形急彎段，使跌水上游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，上游翼墻以上兩側形成一定范圍回流。跌水上游河段水流流速較大，兩岸應加強護砌。跌水下游尾水渠段上游來流偏右，各工況水流經消力池和一級跌水調整后，一級跌水尾坎下泄水流基本均勻。干渠航道水流流態總體較好。

3.3 通航水流條件評價

楊大莊跌水下游干渠通航水流條件應滿足《運河通航標準》（JTS180-2-2011）及工程設計專家評審意見要求的航道橫向流速、回流流速等特征流速相關要求。根據整體模型原布置方案試驗成果，重點統計各通航工況水深2.5m 以上有效航行區域的橫向流速。經復測，20 年一遇設計泄流工況（干渠不來流）在尾水渠左側與干渠交匯區域出現的回流區，最大回流流速不超過-0.4m/s，其中有效通航區域內最大回流流速不超過-0.3m/s，小于規范約定的上限值；5 年一遇不利通航工況，尾水渠左側與干渠交匯區域回流區強度較20 年一遇設計泄流工況更弱。

3.4 消能工合理性分析

10 年一遇消能防沖水流狀態消力池內發生穩定水躍，躍尾距離尾坎約10m；一級跌水產生強水躍，水躍躍尾位于尾坎附近；二級跌水產生水躍，完全發生在二級跌水范圍內，之后水面逐漸趨于平穩，跌水下游護底后（D0+200 斷面）底速為1.96m/s。20年一遇消能防沖消力池內發生穩定水躍，躍尾距離尾坎約7m；一級跌水產生水躍，躍尾位于尾坎附近；經二級跌水后水面仍有較大波動，至二級跌水末端水面波動逐漸趨于平穩。跌水下游護底后（D0+200斷面）底速為1.23m/s。原布置10 年及20 年一遇消能防沖工況，消力池及一、二級跌水內水流流態總體較好。10 年一遇消能防沖工況一級跌水內水躍躍尾位于尾坎附近，20 年一遇消能防沖工況躍尾略超出一級跌水尾坎，一級跌水長度稍顯不足。

3.5 跌水空蝕可能性分析

斷面模型在消力池、一級跌水、二級跌水等水壓力變化相對較劇烈的結構部位設置了8 處壓力測管，分析跌水發生空蝕破壞的可能性。根據斷面模型試驗成果，各工況跌水在消力池等水壓力變化相對較劇烈的部位動水壓力值分布在0.39～9.03mH20區間，未出現負壓區域，不會發生氣蝕破壞。

4 右側交匯區堤岸優化試驗

4.1 優化方案

20 年一遇設計泄流工況在JH0+100 和JH0+200斷面出現航道局部橫向流速超標，主要原因：一是由于跌水中心線與航道中線存在55°夾角，二是跌水下泄水流匯入干渠后行洪斷面相對上游出現收窄。修改布置擬對此處尾水渠與航道右側連接堤進行不同程度后退，通過試驗確定合適的修改布置方案。試驗先擬了三種右側連接堤修改布置方案：方案一，類似原布置，采用圓弧與上下游堤防相切順接，坡底圓弧半徑由原布置100m 增至300m，坡底線最大后退距離約15m；方案二，坡底線最大后退距離為30m，為減少占地，兩端采用半徑200m 圓弧與上下游堤線相切順接，中段采用直段的形式與兩端圓弧線實現相切連接；方案三，在方案二的基礎上將底坡線直段繞其中點逆時針旋轉10°，并與上游底坡線采用R400m 圓弧相切順接，與下游底坡線采用R150m 圓弧相切順接。

4.2 優化結果

（1）通過三方案比選，修改布置方案三解決了原布置20 年一遇設計泄流工況航道在JH0+100 和JH0+200 斷面出現航道中心線右側部分測點橫向流速超標的問題，是右側交匯區堤岸布置的最優方案。

（2）當采用右側交匯區堤岸布置的最優方案（方案三）布置時，各通航工況匯流口有效通航區域最大回流流速均不大于規范約定的上限值-0.40m/s。除20 年一遇設計泄流部分工況個別斷面匯流口有效通航區域右側邊緣個別測點橫向流速值為0.31m/s，其余各處橫向流速均符合要求。

（3）由于各通航工況尾水渠內均形成大范圍靜水區或回流，其中20 年一遇泄流工況左側D0-090～D0+320 區間回流或靜水區最大寬度達70～100m，D0+300 斷面水流幾乎全部自中心線右側下泄。為適當減小尾水渠內回流和靜水區范圍，根據試驗成果專家審查意見，可適當減少尾水渠左側導流堤相對于跌水中心線的開角，進一步優化尾水渠左側導流堤布置，下一步需通過試驗研究合適的尾水渠左側導流堤優化布置，并觀測優化布置的水流流態及通航水流條件。

5 結語

該項目通過整體及斷面水工模型試驗，重點研究楊大莊跌水下游航道水流條件是否滿足通航安全要求，同時驗證消能工布置的合理性。研究表明，消力池及一、二級跌水內水流流態總體較好，下一步可通過適當增加一級跌水長度，使水躍完全發生在消力池內，進一步改善消能效果■