王光平

(巢湖市裕溪閘管理處 238200)

王久晟 黃祚繼

(安徽省水利科學(xué)研究院/安徽省水利水資源重點試驗室 蚌埠 233000)

1 工程概況

裕溪閘水利樞紐工程是控制巢湖流域防洪、排澇及引水灌溉的綜合性水利樞紐，1973年建成使用。工程由節(jié)制閘、船閘、魚道、攔河壩、上下游引航道、導(dǎo)流堤等組成，節(jié)制閘24孔(其中淺孔16孔、深孔8孔，凈寬5m，底坎高程淺孔5.0m、深孔2.5m)。100年一遇設(shè)計流量1170m3/s，300年一遇校核流量1400m3/s，引江灌溉最大流量350m3/s。船閘航道等級為三級，通航能力2×1000t。裕溪船閘于1969年建成投入運行，設(shè)計采用前蘇聯(lián)三級標(biāo)準(zhǔn)，閘室長195.0m，閘室凈寬15.40m，上游門檻高程3.50m，下游門檻高程0.5m(為吳淞高程系，下同)。閘門采用單面板桁架結(jié)構(gòu)橫拉門、卷揚機(jī)啟閉方式。原設(shè)計上游最低通航水位6.0m，最小通航水深2.5m。1991年，該工程實施安全加固，加固后閘室凈寬縮小為14.4m，閘室底板高程抬高為0.6m。上下游均無任何船舶引導(dǎo)、?？吭O(shè)施，按現(xiàn)行內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)僅相當(dāng)于五級標(biāo)準(zhǔn)。裕溪船閘是溝通巢湖和長江之間的咽喉要道，是安徽省骨干航道之一，故對船閘進(jìn)行擴(kuò)建。

擴(kuò)建船閘航道等級為3級，設(shè)計最大船舶噸級為1000t級，閘室有效尺度為200m×23m×3.5m(長×寬×門檻水深)，該尺度可以滿足1000t級駁船兩排兩列一次過閘。船閘年通過能力為4000萬t。擴(kuò)建船閘位于裕溪節(jié)制閘東側(cè)的原老河道內(nèi)。下閘首位于攔河壩上，長29m，閘室位于內(nèi)河側(cè)，長200m，為鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu);上閘首位于上游，長30m。上下游引航道直線段長均為400m。

2 主要研究內(nèi)容

a.在通航水位下，遭遇節(jié)制閘各種放水條件航道內(nèi)的縱橫向水流流速分布，測出主要回流區(qū)范圍，評價其對船舶和建筑物運行安全的影響，并提出消除不利影響的措施。

b.對節(jié)制閘與船閘間的導(dǎo)航堤、引航道等主要平面布置進(jìn)行優(yōu)化，并提出優(yōu)化方案。

c.提出節(jié)制閘優(yōu)化開啟方式，在保證其抗沖安全前提下，減少節(jié)制閘放水對通航安全的影響。

d.對將來實施的停泊區(qū)(上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區(qū)域，下游淮南鐵路備用橋200m以下至入江口)提出建議。

3 模型設(shè)計

模型比尺為Lr=75;模型試驗范圍以閘軸線為基準(zhǔn)，上邊界取至閘上1.5km，下邊界取至閘下2km，總長3.5km;橫向取至兩側(cè)無為大堤，寬約800m。

裕溪節(jié)制閘實際發(fā)生的主要運行工況的水位、流量見表1。根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305－2001)的要求，對于三級航道，口門區(qū)水面最大流速限值見表2。

表1 裕溪節(jié)制閘主要運行水位、流量

表2 口門區(qū)水面最大流速限值

4 原設(shè)計方案試驗

4.1 工況1

節(jié)制閘正向排水，流量1170m3/s，裕溪閘閘門全部提出水面，為敞泄工況。對應(yīng)閘上水位9.92m，閘下水位9.83m，水位差0.09m。試驗時控制新汊過流820m3/s，老汊過流 350m3/s，即分流比約為 7∶3。

工況1原設(shè)計方案流量為1170m3/s時，上游口門區(qū)平行航線的最大縱向流速為1.11m/s，小于2.0m/s，說明縱向流速滿足要求;垂直航線的最大橫向流速在航道內(nèi)滿足要求，為0.29m/s，但導(dǎo)堤裹頭附近局部橫向流速偏大，為0.41m/s;回流區(qū)范圍在閘上0～850至閘上0～550斷面之間，長度約為300m，最大寬度約為70m，形狀為三角形，除閘上0/850～0/650之間右岸水邊的最大回流流速為0.43m/s，略超出設(shè)計限值0.40m/s以外，回流區(qū)其他部位流速較小。因此，口門區(qū)的回流流速也能滿足要求。

下游航道口門區(qū)平行航線的縱向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，縱向流速滿足要求;回流區(qū)范圍在閘下0+450～0+750斷面之間，長度約為300m，最大寬度包括岸邊約為90m，形狀為一三角形，最大回流流速在右岸坡面水邊，為0.35m/s，未超出流速限值，因此回流流速滿足要求;垂直航線的最大橫向流速為0.37m/s，略超出0.30m/s的范圍，超標(biāo)橫向流速主要位于閘下0+600～0+700區(qū)域，其他區(qū)域滿足要求。

同時，老船閘下游出口附近回流區(qū)近似為一梯形，在閘下1+025～1+200斷面之間，頂寬約為65m，底寬約為100m，回流較弱，只在左岸水邊的局部流速可達(dá)0.40m/s。因此，老船閘下游出口流速滿足要求。

通過觀測流速流態(tài)，在工況1條件下，新閘上游航道口門區(qū)縱向流速、回流流速以及橫向流速均滿足要求。但上游導(dǎo)堤裹頭附近橫向流速偏大，閘上0－850～0－650之間區(qū)域的右岸水邊局部回流略超出設(shè)計限值，應(yīng)在導(dǎo)堤裹頭處設(shè)置警示標(biāo)志。

下游航道口門區(qū)縱向流速和回流流速滿足要求;閘下0+600～0+700斷面之間航道最大橫向流速超標(biāo)，其他區(qū)域滿足要求。

4.2 工況2

節(jié)制閘正向排水，流量700m3/s，為控泄工況。其中，16孔淺孔開啟0.8m，8孔深孔開啟2.5m。對應(yīng)閘上水位7.84m，閘下水位7.02m，水位差0.82m。

該工況上游航道口門區(qū)平行航線的縱向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，滿足要求;回流范圍在0－750～0－550斷面之間，最大寬度約50m，回流流速在0.2m/s以下，滿足要求;航道內(nèi)最大橫向流速0.29m/s，滿足要求，但導(dǎo)堤裹頭處橫向流速偏大，局部達(dá)到0.50m/s，應(yīng)在導(dǎo)堤裹頭處設(shè)置警示標(biāo)志。

下游航道口門區(qū)縱向流速、橫向流速以及回流流速均滿足要求，回流區(qū)范圍在0+450～0+700斷面之間，最大寬度約70m。因此，對于工況2，新閘上、下游航道口門區(qū)縱向流速、回流流速和橫向流速均滿足要求。但上游導(dǎo)堤裹頭附近局部點的橫向流速偏大，應(yīng)在該處設(shè)立警示標(biāo)志。

4.3 工況3

節(jié)制閘正向排水，流量498m3/s，為控泄工況。24孔均開啟0.5m。對應(yīng)閘上水位7.89m，閘下水位5.08m，水位差2.81m。

該工況上下游口門區(qū)平行航線的縱向流速、垂直航線的最大橫向流速以及回流流速均在限速范圍內(nèi)，均能滿足要求。上游回流區(qū)范圍在0－800～0－550斷面之間，最大寬度約50m;下游回流區(qū)范圍在0+470～0+700斷面之間，最大寬度約90m。

4.4 工況4

節(jié)制閘正向排水，流量190m3/s，為控泄工況。其中，16孔淺孔開啟0.30m，8孔深孔開啟0.50m。對應(yīng)閘上水位7.64m，閘下水位3.44m，水位差4.20m。該工況上下游口門區(qū)各項流速均能滿足要求。

4.5 工況5

正常排澇工況，流量688m3/s，閘門全部提出水面。對應(yīng)閘上水位10.51m，閘下水位10.48m，水位差0.03m。

該工況為正常排澇工況，由于上下游水位較高，河道流速小，航道口門區(qū)各項流速值均能滿足要求。其中上游航道口門區(qū)回流范圍在0－830～0－550斷面之間，最大寬度約75m，最大回流流速在0.25m/s以下。下游航道口門區(qū)回流范圍在0+450～0+750斷面之間，最大寬度約110m，最大回流流速在0.15m/s以下。

對原設(shè)計方案分別進(jìn)行了不同工況新河道與老河道分流比為6∶4和8∶2的不同流量組合試驗。試驗結(jié)果表明:新船閘下引航道口門區(qū)流速、流態(tài)受下游河道分流比影響較小。

5 修改方案試驗

5.1 修改方案1試驗

由于上游航道導(dǎo)堤裹頭處橫向流速偏大，將上游導(dǎo)堤加長25m或減小30m進(jìn)行試驗，新河道與老河道分流比仍選定為7∶3。結(jié)果表明:加長或減小上游導(dǎo)堤的長度，對減小回流流速和橫向流速作用不大。由于橫向流速超標(biāo)部分主要位于導(dǎo)堤裹頭處，并非位于航道內(nèi)，因此對航行是安全的，但為了防止出現(xiàn)意外，建議在導(dǎo)堤裹頭處設(shè)置警示標(biāo)志。

5.2 修改方案2試驗

將裕溪節(jié)制閘下游左導(dǎo)堤沿河道部分切除，具體切除范圍為閘下0+300～0+800，最大切寬在閘下0+600斷面處，最大切寬約33m，閘下0+800～0+900斷面間平順銜接，切除部分的邊坡1∶2.5，切除至0.5m高程。

試驗時控制過閘流量1170m3/s，對應(yīng)閘上水位9.92m，閘下水位9.83m，水位差0.09m，閘門全部提出水面，為敞泄工況(此工況對裕溪船閘上下游航道最為不利)，下游新老河分流比為7∶3。通過流速、流態(tài)觀測，下游航道口門區(qū)水流流向較原方案略向左偏，最大橫向分流速較原方案減小，為0.26m/s，仍位于閘下0+600～0+700斷面之間的區(qū)域，因此，橫向分流速滿足限速要求;回流的范圍及其流速值與原方案差別不大，最大回流流速為0.38m/s，滿足要求。

6 結(jié)論

a.新船閘上游航道口門區(qū)縱向、橫向及回流流速在各種工況下均滿足要求。只是在工況1條件下，閘上0－850～0－650之間的引航道右岸水邊，最大回流流速略超出設(shè)計限值，為0.43m/s;上游導(dǎo)堤裹頭處在工況1和工況2條件下局部橫向流速偏大，分別為0.41m/s和0.50m/s，因此，需在導(dǎo)堤裹頭處設(shè)置警示標(biāo)志。

b.下游航道口門區(qū)縱向及回流流速在各種工況下均滿足要求，橫向流速除工況1條件下的閘下0+600～0+700之間的區(qū)域超出設(shè)計限值外，其他工況均滿足要求。工況1條件下，由于流量較大，河道中流速較大，出閘水流由于受節(jié)制閘下左導(dǎo)堤限制，水流流向與航線夾角偏大，導(dǎo)致橫向分流速偏大。當(dāng)實施部分切除節(jié)制閘下左導(dǎo)堤時，可有效降低橫向流速。

c.通過加長上游導(dǎo)堤25m和縮短上游導(dǎo)堤30m分別進(jìn)行試驗，結(jié)果表明:這兩種修改方案對減小上游口門區(qū)回流流速和橫向流速作用不大。由于略超出設(shè)計限值的回流流速主要位于右岸水邊，而橫向流速超標(biāo)部位在導(dǎo)堤裹頭的局部地方，并非位于航道內(nèi)，因此對航行是安全的，但為了防止出現(xiàn)意外，建議在導(dǎo)堤裹頭處設(shè)置警示標(biāo)志。

d.考慮到裕溪河新、老船閘分別位于節(jié)制閘左右側(cè)，新閘局部范圍橫向流速與回流流速超標(biāo)僅限于1170m3/s流量工況，發(fā)生頻率較小，均略超出規(guī)范值，常年遇排澇工況流態(tài)較好;而將1170m3/s流量工況橫向流速和回流流速控制在規(guī)范值之內(nèi)工程量增大較多，且破壞了節(jié)制閘下游左側(cè)現(xiàn)有建筑物。建議遇該工況時充分利用老船閘，對新船閘短時間限航。

e.老船閘上游航道進(jìn)口在各種工況下流速滿足要求，流態(tài)良好。下游出口處回流流速基本滿足要求。

f.對設(shè)計流量級1170m3/s共進(jìn)行了下游出口河道三種不同分流比的試驗，結(jié)果表明:下游河道分流比對新船閘下引航道口門區(qū)流速流態(tài)影響較小。

g.各種工況下，口門區(qū)以外的河道中水流流態(tài)良好，流向基本與設(shè)計航道的航線一致，橫向流速均能滿足要求。

h.下游淮南鐵路備用橋0+200以下至入江口河段為開挖的順直新河。通過鐵路橋以上約0+050斷面處的流速分布可知:新河入口處主流偏于左岸，入口轉(zhuǎn)彎處右岸為弱回流區(qū)。至鐵路備用橋0+200以下，河道水流逐漸歸順，斷面流速分布趨于均勻，回流消失。因此該區(qū)域可設(shè)為停泊區(qū)。

i.上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區(qū)域可設(shè)置為停泊區(qū)。從裕溪閘上至蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m間河道順直微彎。根據(jù)閘上10+000斷面處實測流速分布的分析，鐵路引橋以上2000m區(qū)域河道水流流速分布較為均勻，流態(tài)良好。因此，上游蕪湖長江大橋鐵路引橋以上2000m區(qū)域可設(shè)為停泊區(qū)。