临淮岗复线船闸水工模型试验研究

2020-09-05王书文张金峰杨桂根安徽省港航建设投资集团有限公司安徽合肥230051

安徽建筑 2020年9期

王书文，张金峰，杨桂根（安徽省港航建设投资集团有限公司，安徽合肥 230051）

1 工程概况

临淮岗工程是迄今淮河干流上最大的水利枢纽工程，位于淮河干流中游[1]。临淮岗船闸是临淮岗洪水控制工程的重要组成部分，现有的临淮岗船闸为Ⅰ等1级建筑物，Ⅳ级船闸（500t级）。在合裕线航道按Ⅱ级标准升级和引江济淮工程按Ⅱ级标准沟通长江与淮河的航道整治要求下，现有船闸规模不能满足淮河上游快速发展的水路运输要求。为提高临淮岗船闸通过能力，畅通区域对外水运运输通道，现拟新建临淮岗复线船闸工程。

拟建临淮岗复线船闸为Ⅱ级船闸（2000t级），船闸有效尺度初定为240m×23m×5.2m（闸室长×闸室宽×槛上水深），设计代表船型为2000t级机动驳、1000t级机动驳。

工程可行性研究阶段设计方案：主体基坑施工采用大开挖方案，需拆除城西湖蓄洪堤和城西湖船闸，城西湖蓄洪堤在复线船闸右岸还建，城西湖船闸在沿岗河左支缓建。复线船闸位于一线船闸右岸，与现有一线船闸平行布置，两闸轴线距离取120m，船闸下行靠右行驶，直进直出；上行靠右行驶，曲进曲出，临淮岗复线船闸工程设计方案整体布置见图1。

图1 临淮岗复线船闸工程设计方案整体布置

由于受已有建筑物的制约，使得复线船闸的平面布置及水力条件较为复杂，为确保复线船闸与一线船闸通航条件满足船舶安全进出闸的要求，且对枢纽泄水不造成影响，本文采用水工模型试验对临淮岗复线船闸总体布置方案进行论证并优化。

2 水工模型试验

2.1 模型范围

受已有建筑物的制约，为保证模型中上引航道入口及下引航道出口水流流态与原型相似，模拟范围上游为临淮岗主坝以上4500m，下游为码头以下500m。垂直水流方向左边界至何家圩、姜唐湖南堤，右边界至城西湖大堤。模拟范围总长6km，总宽4km，模型中含深孔闸、49孔浅孔闸、城西湖退水闸、临淮岗船闸、临淮岗复线船闸、城西湖船闸、工农兵泵站、下游码头等建筑物，整体模型平面布置详见图1。

2.2 模型比尺及糙率处理

根据试验任务及《水工（常规）模型试验规程》（SL155/2012）相似准则规定，模型必须保持几何相似、水流运动相似和动力相似。本试验主要作用力为重力，故模型采用正态模型，遵循重力相似准则，即模型与原型佛劳德数相等，同时满足阻力相似要求。模型几何比尺采用1：100。

原型主槽糙率n主=0.0225，滩地糙率n滩=0.035，相应模型主槽糙率n模主=0.011，滩地糙率n模滩=0.012。水泥面抹光糙率为n=0.01～0.011，满足主槽糙率相似要求，滩地要另行加糙。试验选用块石梅花加糙。块石经筛分，平均粒径d=0.02m。根据唐存本糙率计算公式，当d=0.02m，L=0.03m 时，糙率为0.035。因此，试验选用平均粒径d=0.02m的块石，间距L=0.03m梅花形排列可满足滩地阻力相似要求。

2.3 测流断面及水位控制点布置

模型试验以深孔闸闸轴线为0+000，选定0-250断面为上游水位控制测点，0+300断面为下游水位控制测点。

模型分别在 0-250、0-400、0-600、0-1000、0-1400、0-2000、0-2800、0-3500、0+300、0+600、0+1000、0+1500、0+1200、0+1600 断面及城西湖退洪闸闸下200m处布置水位测针，测量河道沿程水位。

模型分别在 0-250、0-1000、0-1400、0-2000、0+300、0+800、0+1000、0+1600断面及上下游航道口门区处布置流速测量断面，测量沿程流速分布。

2.4 试验工况

本次试验参数包括淮河总泄量、临淮岗闸上闸下水位、城西湖退水闸流量和水位等，具体参数如表1所列。

3 成果与分析

3.1 原布置方案试验成果

利用已建成的水工模型，对上述试验工况进行试验研究，试验结果见表2，部分工况上下游流态见图2。

由表2可知：随着上游来流的增加，水流逐渐漫滩，上游航道右侧滩地水深逐渐增大，最高通航水位时水深约为4.7m；至航道口门区，航道范围内流速先减小后增大，横向流速也表现相同的规律，这是由于小流量时，主要是河道主槽泄水，来水没有上滩（工况3），河道主槽过流面积较小，主流较为集中，水流流速较大；随着上游来流的增加，水流漫滩，河道主槽和滩地同时泄水（工况2），河道过流面积急剧增大，加上滩地糙率大于主槽糙率，水流流速相应减小；上游来流继续增加（工况1），河段过流断面面积变化不大，水流流速随之增大。在最高通航水位（工况1）和平槽泄水工况（工况3）时，上游航道口门区最大横向流速分别为0.69m/s、0.38m/s，超过规范的规定值0.30m/s，建议对上游航道口门区右侧进行适当扩挖，以减小航道中心线与水流方向的夹角，减低口门区横向流速。

水流出深孔闸后沿河槽下泄，不同工况来流组合，在下游航道口门区都会形成不同范围的回流区，回流流速随上游来流增大而减小；下游航道口门区的横向流速各工况均超过规范的规定值0.30m/s，建议处理方式同上游航道口门区处理方式相同。

3.2 优化方案试验成果

为减少上下游航道口门区横向流速及回流流速，改善航道内水流条件，须对复线船闸上下游布置进行优化。

优化方案保持船闸轴线不变，闸室底板高程降至11.94m，上游航道右侧底边线不变，底高程保持14.47m不变，航道底宽向一线船闸侧由原布置方案的50.0m增加至65.0m，航道左侧以1:3的坡与原地形顺接。口门区向右扩挖最大约35.0m，与上下游平顺连接，口门区航道底高程由16.07m降至15.67m，与底高程为14.47m的引航道以1:30的坡相接。下游航道右侧底边线不变，航道底宽向左增加至65.0m，口门区航道底高程由13.45m降至13.34m，与底高程为12.34m的引航道以1:30的坡相接。优化方案上下游航道布置图见图3。

对原布置方案模型进行修改，对上述试验工况进行试验研究，试验结果见表3，部分工况上下游流态见图4。

由表3和图4可知，临淮岗复线船闸总体布置优化方案总体优于原布置方案，优化方案上下游引航道及航道口门区内水流流态与原布置方案基本相似，但由于上游口门及引航道航道增宽，使得各工况下上下游航道及口门区的水流条件满足规范要求；最高通航水位和河道滩槽泄水时，下游航道口门区连接段在桩号0+930～0+980，宽约20m 范围内的横向流速超过0.30m/s，最大横向流速为0.36m/s。因航道宽为65.00m，满足规范要求水流条件的航道宽度约为45.0m，约为设计最宽船型宽度的3.2倍。下游航道连接段的水流条件基本满足通航要求。