阜阳船闸上游航道模型试验研究

2014-04-25张波

治淮 2014年1期

关键词：引航道口门交汇

张波

（安徽省水利水资源重点实验室安徽省水利科学研究院蚌埠 233000）

阜阳船闸上游航道模型试验研究

张波

（安徽省水利水资源重点实验室安徽省水利科学研究院蚌埠 233000）

阜阳船闸上引航道与泉河的夹角很大，泉河水流在上引航道内形成横向流，威胁行船安全。为合理确定航道与泉河交汇处的开挖方式与通航洪水组合，通过水工模型实验，研究最优开挖方案下上游引航道内的流场分布，提出了合理的通航洪水组合。

航道横向流速洪水组合

1 工程概况

阜阳闸枢纽工程位于安徽省阜阳市颍泉区三里湾泉河入汇口下游约500m处，由节制闸、船闸、拦河坝等主体工程组成。控制流域面积35143km2，具有航运、灌溉、防洪排涝、交通运输等功能。阜阳船闸拟在原闸址重建，船闸为Ⅳ级，设计最大船舶吨级为500t。船闸工程由闸首、闸室、导航墙、引航道、靠船建筑物、口门区和连接段、跨闸公路桥等组成。

沙颍河阜阳船闸上游引航道与泉河交汇，泉河总流域面积5260km2，总长度243km。泉河穿过船闸上游引航道汇入沙颍河，泉河与引航道中心线间的夹角约为80°，泉河水流在与引航道交汇处形成横向水流，当横向流速较大时会影响船舶的航行安全。根据历史水文资料分析，泉河口流量和水位相关性一般，即同一流量下，水位波动大、泉河流量大、水位低时对行船最为不利。为定量分析泉河汇流口的流场分布，使上游引航道满足规范要求，须进行水工模型试验研究。

2 研究目标及内容

因泉河与上引航道的夹角很大，泉河水流即为引航道的横向流，泉河的水流速度决定着交汇处的开挖范围，也决定了开挖投资额的大小。故合理确定通航洪水组合对节省投资具有重大意义。

试验的主要目标为在保证航道内的水力学指标满足规范要求的前提下，尽量减少开挖量，以节省投资。

原开挖方案见图1。船闸上引航道两侧岗地被泉河和引航道分割为四个区域：泉河右岸与船闸闸室右岸岗地围成区域为A区；泉河右岸与船闸闸室左岸岗地围成的区域为B区；泉河左岸与船闸上引航道左岸岗地围成的区域为C区；泉河左岸与船闸上引航道右岸岗地围成的区域为D区。

航道内水流须满足的水力学指标见表1。沙颍河与泉河的流量组合见表2。

本次研究采用1∶100的正态模型进行，模型模拟范围为闸上2.3km，闸下1.3km。模型横向取至两侧大堤，宽约1.5km。包括船闸的上下游航道口门区、新老节制闸、新老船闸等。

图1 原布置方案上游引航道与泉河交汇处开挖示意图

表1 口门区水面最大流速限值

表2 沙颍河与泉河的流量组合

3 原方案试验成果

组合1航道口门区水流条件基本满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，回流范围与航道基本等宽，最大回流流速达-0.62m/s。该段航道出现回流主要是由于泉河来流受C区岗地的顶托，导致部分泉河来水侵入该段航道。0-700～0-900段为船闸上引航道与泉河的交汇处，由于船闸上引航道与泉河几近正交，该工况泉河来流量较大，因而上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速均大于0.50m/s；最大值达1.05m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.25m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左侧D区附近有一死水区。

组合2航道口门区水流条件基本满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.49m/s。0-700～0-900段横向流速均大于 0.50m/s；最大值达1.02m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.29m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左侧D区附近有一死水区。

组合3航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.33m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.64m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.20m/s的局部回流，0-900～0-920段泉河左侧D区附近有一死水区。

组合4航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.29m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.76m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.22m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.36m/s的回流区。

组合5航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.31m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.58m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.22m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.31m/s的回流区。

组合6航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.27m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.50m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.25m/s的回流区。

组合7航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.23m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.50m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.23m/s的回流区。

组合8航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.22m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为 0.31m/s。0-800～0-950段泉河河水向引航道上游回流，回流流速最大为-0.22m/s。

由实验成果可以看出，原开挖方案下，上游引航道口门区水流条件良好。泉河与引航道交汇处在泉河流量较大时，横向流速均超过规范要求。交汇处左右两侧均有一回流区或死水区，泉河左侧的回流导致0-900～0-950段航道水流为回流，且回流与航道基本等宽。要使泉河与引航道交汇处的水流条件满足规范要求，合理确定泉河的流量是关键。组合8在1975～2007年33年间实际仅发生345d，年均10d，最多连续天数为25d，采用组合8作为控制工况可有效改善泉河与引航道交汇处的水流条件。当泉河流量超过200m3/s时，可通过现场控制管理来保障行船安全。

图2 修改开方案示意图

图3 开挖曲线优化示意图

4 开挖方案优化试验

为进一步优化泉河与引航道交汇处的水流条件，节约投资，开挖方案优化试验主要进行了两个面的优化。

4.1加大C区开挖量加宽泉河河道

修改开挖方案对颍河与泉河的交汇处（约0+620）至0+800范围内的三角洲加大了开挖量，使泉河河道加宽了约10～25m，见图2。泉河河道的加宽减小了交汇处泉河左右侧回流的最大回流流速，减小了上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速，改善了0-900～0-950段引航道的流态。

组合4航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.27m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.62m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.25m/s的回流区。

组合5航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流流速小于0.14m/s的死水区。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.62m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.18m/s的回流区。

组合6航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流流速小于0.14m/s的死水区。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.50m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.23m/s的回流区。

组合7航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流流速小于0.14m/s的死水区。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.40m/s。0-700断面航道中心线右侧有一流速小于-0.14m/s的局部回流，0-800～0-950段泉河左侧D区附近有一最大回流流速为-0.14m/s的回流区。

组合8航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流流速小于0.14m/s的死水区。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.31m/s。0-800～0-950段泉河河水向引航道上游回流，回流流速最大为-0.14m/s。

4.2开挖曲线优化

为减小开挖方量，节省投资，在保持流速流态基本不变的前提下，对船闸上引航道与泉河主流交汇处的开挖范围进行了调整，见图3。开挖曲线优化后，开挖面积减小约缩小12000m2，与原开挖方案相比，交汇处死水区和回流区的面积大幅减少。

开挖曲线优化后，组合8航道口门区水流条件满足通航要求。0-900～0-950段航道为回流，最大回流流速达-0.20m/s。上引航道与泉河主槽交汇部分的横向流速最大值为0.31m/s。0-700断面有一最大回流流速为-0.16m/s的局部回流区，0-800～0-850段引航道内出现一回流流速小于-0.20m/s的微弱回流区。