河闸除险加固工程水工模型试验研究

王业红

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

1 工程概况

双台子河闸枢纽工程是辽河下游重要的拦河建筑物，位于盘锦市区东郊，闸址距河口57.3 km，位于辽河盘锦城市防洪段，是辽河下游防洪体系的一个重要组成部分。枢纽工程的主要作用是抬高闸上水位，防海潮倒灌，改善水质，调蓄水量，保证盘锦地区辽河两岸4.933万hm2水田用水和盘锦市西部近4.33万hm2芦苇的灌溉用水以及盘锦市的部分工业用水和城市居民用水，工程投入运行以来，年均供水量约为8亿m3，为盘锦市的开发建设发挥了极其重要的作用，取得了明显的社会效益和经济效益。

盘锦市双台子河闸枢纽工程包括：深孔闸、浅孔闸、进水闸、船闸、上下游导流堤、小柳河倒虹吸、过水斜堤和防汛交通桥等。工程等别为Ⅰ等，深孔闸、进水闸、船闸、浅孔闸、左右岸连接段等主要建筑物为1级，过水斜堤、下游防护堤等次要建筑物为3级，临时建筑物为4级建筑物。深孔闸、浅孔闸防洪标准按100年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。水闸设计洪水位8.10 m，相应泄量5 000 m3/s，校核洪水位9.08 m，相应泄量6 800 m3/s。正常蓄水位4.3 m。泄流建筑物为深孔闸、浅孔闸和过水斜堤。

为完善和验证初步设计成果和运行调度方案，需通过水工模型试验研究，解决枢纽布置、泄流能力、消能设施、运行管理等相关技术问题。通过定床试验，进行不同洪水频率下水面线的验证和河床糙率的修订，复核不同洪水频率下深孔闸、浅孔闸以及过水斜堤的泄量，给出双台子河闸枢纽水位～流量关系曲线、各泄水建筑物过流能力的计算公式以及在各个频率下的闸孔附近的流速流场流态，观察是否有不良流态并初步提出调度的基本方案。动床实验主要分析观测各部位下泄水流对枢纽建筑物的淤积、冲刷影响，复核枢纽及过水斜堤的消能防冲设施是否合适，给出较为合理简单的调度运行方案。

2 水工模型试验内容

双台子河闸整体模型试验包括定床试验部分和动床试验部分，每个部分有不同的试验任务，其中定床部分包括：

1）根据试验资料，给出双台子枢纽水位～流量关系曲线以及各泄水建筑物过流能力的计算公式。

2）复核设计洪水及校核洪水时深孔闸、浅孔闸及过水斜堤的相应泄量。

3）测量不同频率洪水情况下，闸上下的流场和流态情况，闸室内的流速，闸室内和整个模型范围的水面线分布。

动床部分包括：

1）复核枢纽泄水建筑物下游消能、防冲设施是否满足要求。

2）观测模型范围内关键部位水流流态及下泄水流对枢纽建筑物的淤积、冲刷影响，复核枢纽及过水斜堤的消能防冲设施是否合适。

3）根据双台子河闸枢纽的布置、天然河道淤积现状以及辽河水流、泥沙、潮汐等因素的影响，推荐浅孔闸在不同洪水频率下最优的运行调度方式。

4）根据试验资料，推荐较为合理的枢纽泥沙淤积防治措施。

3 模型设计

模型采用正态比尺，局部采用动床。模型占地面积1 300 m2，其中主体模型总长50 m左右，主体模型包括深孔闸、浅孔闸共计32孔（34个闸墩），两座大型跨河桥梁模型。模型最高控制高程为坝顶高程11.08 m，最低高程为防冲槽底部高程-8.6 m。

表1 模型比尺汇总表

4 定床试验成果分析

双台子河闸处于感潮河段，受下游潮汐影响较为明显，下游水位的选择需要充分考虑潮汐顶托作用。为了保证试验结果的科学性，设计单位提供推求的水位流量资料是根据多年实测洪水资料和潮汐资料产生，当上游来水较小时，下游采用的是高潮水位，所以根据设计单位提供的水位流量关系曲线，进行模型试验是偏安全的。

4.1 深孔闸过流能力分析

根据业主单位提出的调度方案，浅孔闸在小流量以下不开闸放水，所以在600 m3/s、900 m3/s流量下，浅孔闸和过水斜堤均不过水，流量全部从深孔闸向下倾泻。在1 800 m3/s、3 000 m3/s流量下，浅孔闸过水，过流斜堤不过水，流量将通过深孔闸和浅孔闸联合向下倾泻。在5 000 m3/s、6 800 m3/s流量下，浅孔闸和过流斜堤均过水，流量分别从深孔闸、浅孔闸和过流斜堤联合向下倾泻。测得各洪水频率下深孔闸各个闸孔的过闸流速，如表3所示。

表2 过流能力试验工况表

表3 各流量下深孔闸各闸孔过闸流速m/s

根据6个不同洪水频率的工况试验结果，可以看出在小流量时，主流的位置靠近右岸，但随着流量的不断上升，主流的位置越来越偏向于左岸，闸室内的流速也愈加平均。闸室内产生回流的现象只出现在小流量工况中。

4.2 浅孔闸过流能力分析

浅孔闸在600 m3/s和900 m3/s以下时不参与过流，在整体模型试验中，只选择了四个工况，包括1 800 m3/s、3 000 m3/s、5 000 m3/s、6 800 m3/s。测得各洪水频率下深孔闸各个闸孔的过闸流速如表4所示。

浅孔闸在不同的四个工况下，流速分布的规律基本一致，右岸闸室内的过流流速明显大于左岸闸室，且不会随着流量的增大而产生变化，最大流速均出现在14号闸孔附近。分析原因，在浅孔闸过流的工况下，流量较大，水位较高，河流主河道的位置偏向于深孔闸，且河流进入之前的水流速度的方向也稍微偏向于右岸，在河心岛附近进行分流，大量的水流在靠近河心岛附近向下倾泄。左岸过水斜堤附近的养鱼池，也较大地阻碍了水流顺着左岸的导流堤往浅孔闸流动，使得浅孔闸上游左岸附近产生一个低流速区，该流速区和深孔闸右岸的低流速区的性质相似，流速较小，有很微小的回流，在工程运行中可能产生淤积情况，导致浅孔闸各个闸孔的流速分布不均和泄流能力不足等不良效果。

表4 各流量下浅孔闸各闸孔过闸流速m/s

4.3 联合过流能力和分流比

在试验过程中，严格控制上游来流流量和闸下游水位，此时测量闸上水位，给出上下游水位流量关系曲线，即可反映双台子河闸的联合过流能力。根据试验观测结果如表5所示。

表5 双台子河闸上下游水位流量关系表

根据双台子河闸上下游水位流量关系表，可获得拟合上下游水位流量关系曲线如图1所示。

图1 双台子河闸上下游水位流量关系曲线

根据计算的深孔闸和浅孔闸过流能力，可以算得分流比，在不同洪水频率各闸孔的下泄流量和比例如表6所示。

表6 双台子河闸各洪水频率下泄流分布表

5 动床试验成果分析

为进一步研究在不同的工况下，由浅孔闸向下的倾泻的流量对上下游淤沙形态和下游防冲槽的稳定的影响，考虑采用动床模型试验进行验证。

由天然沙粒径大小及容重，经计算后综合模型沙的特性考虑，该试验采用容重为1 150 kg/m3，干容重为600 kg/m3的人工塑料沙作为模型沙。泥沙粒径为0.08～0.15 mm，铺沙厚度为10 cm。防冲槽抛石采用散粒体石料模拟，模拟范围为防冲槽。模拟石料粒径：0.51～1.00 cm。

根据动床试验，对各个不同的调度方案进行试验研究寻找较为合适的调度方案，验证闸室的稳定性，得出结论如下：

1）浅孔闸向下倾泻的水流有明显的向右岸偏移的趋势，且右岸的闸孔流速流量明显大于左岸闸孔，右岸的冲沙效果好于左岸，在工程实际运行中可以考虑在小流量的情况下只开启左岸的闸孔已达到左岸冲沙的效果。

2）连续开启闸孔的调度方式冲沙的距离会更长，向右岸偏移的趋势会更加明显。隔孔开启闸孔的调度方式会使得冲沙的范围更大，冲沙更为均匀，但冲沙深度和冲沙距离都较小，且在中间关闭的闸室下游还有可能淤积一定的淤沙，且向右岸偏移的趋势不明显。

3）淤沙试验中可以观测到大量的淤沙停留在浅孔闸下游较近的位置，只有少量的淤沙移动到下游主河槽中，工程实际运行中存在清淤排淤工作任务。

4）在动床试验中，所有的工况下，下游防冲槽内的模型抛石体都没有明显的冲刷情况，浅孔闸消能与防冲设计合理。

6 结语

通过对这次模型试验研究成果分析可知，双台子河闸的实际泄流能力满足泄洪要求；冲刷不会对主体建筑物构成威胁，满足安全要求。根据试验研究成果，提出以下结论及建议：

1）养鱼池对过闸流速和流量的影响。在双台子河闸上游，由于修建了很多养鱼池，河道糙率较计算值偏高，对过闸的流速分布、流量及水面线有较大的影响。尤其在小流量（Q＜3 000 m3/s）的情况下，过水主河道是弯曲的，由于离心力的影响，过闸流速没有均匀地分布，深孔闸闸前左右岸出现了低流速区，有可能产生淤沙现象；左部闸孔产生了回流，对泄流量有一定影响。建议对闸前附近的养鱼池进行改造和清理，有助于河闸运行和淤沙治理。

2）深孔闸上游清淤对河闸的联合泄流能力的影响。深孔闸上游200 m附近在施工期间将会进行清淤的工作，淤沙清理使得深孔闸的泄流能力得到提高，也使得浅孔闸的泄洪任务得到减轻。通过过流能力分流比的试验结果可以看出，深孔闸泄流量较设计提高，深孔闸的过流能力增强，由此可见：深孔闸闸前清淤对双台子河闸的运行有重大作用。

3）动床试验浅孔闸拉沙和冲沙效果分析。浅孔闸在上游蓄水位达到4.9 m附近时，运用不同的调度方式进行拉沙试验，但效果均不佳。由于水头较低，浅孔闸上游的流速过小，难以通过闸门调度的方式加大淤沙向下游倾泻。下游冲沙效果较为明显，但不能满足将淤沙冲到闸下较远处的要求，所以仍需一定的清淤防淤措施。

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