蒙城闸枢纽水工模型试验研究

2022-01-06王旭光

治淮 2021年11期

王旭光陈杰

（安徽省蒙城县水利局蒙城 233500）

涡河蒙城枢纽位于蒙城县城北关涡河上，由节制闸、分洪闸、船闸三座建筑物组成，是涡河上一座集防洪、排涝、蓄水灌溉、交通航运于一体的Ⅱ等大（2）型工程。随着经济社会的快速发展，工业化和城镇化进程加快，特别是煤炭资源的开发，现状蒙城船闸300t 级，通航能力严重不足。同时，蒙城已被列为安徽省五个生态城市之一，对水环境和水景观有更高的需求，现状蒙城枢纽位置已不能满足蒙城城市发展对涡河水环境的要求，需将蒙城枢纽移址重建，以改善涡河的通航条件，兼顾蒙城城市水环境、水景观建设。

根据数学模型计算的枢纽布置选址方案，为确保蒙城闸枢纽或单个建筑物的流态，保证节制闸各闸孔过流相对均匀、船闸附近水流满足相关规范要求，本文采用水工模型试验对蒙城闸枢纽重建总体布置方案进行论证并优化，为工程设计提供理论依据，并推荐优化方案。

1 工程概况

枢纽下移重建后，节制闸按20年一遇设计过闸流量2400m3/s，50年一遇校核流量2900m3/s，节制闸为大（2）型水闸。涡河航道为Ⅳ级标准，设计最大船舶吨级为500t 级，兼顾1000t 级船型，移址重建船闸为Ⅳ级船闸。船闸是涡河蒙城枢纽的一部分，节制闸、船闸上闸首及两岸堤防形成完全封闭的防洪体系，工程等别为Ⅱ等。

根据数学模型计算成果，蒙城闸枢纽最终采用徐庄方案，该方案船闸布置于左岸，10 孔节制闸布置于中部，右岸老河道预留泵站的位置。蒙城闸枢纽平面布置见图1，节制闸平剖面图见图2。

图1 蒙城闸枢纽平面布置图

图2 节制闸平剖面图

2 水工模型试验

2.1 模型范围

根据蒙城闸枢纽的试验内容和要求，为保证模型进、出流边界相似，根据试验要求和《水工（常规）模型试验规程》（SL 155-2012），结合现有场地和供水条件，选定蒙城闸枢纽模型范围为：枢纽上游模拟至节制闸以上约2.2km，枢纽下游模拟至节制闸以下约2.0km，横向模拟至大堤。总模拟河道长度约4.2km。

2.2 整体模型比尺

根据《水工（常规）模型试验规程》（SL 155-2012）相似准则规定，水工模型试验在满足重力相似的基础应采用正态模型，因而本模型按正态模型设计，根据模型范围相似条件、试验室的供水条件等综合因素，选定模型比尺为1∶80。

2.3 测流断面及水位控制点布置

本次水工模型桩号以节制闸公路桥中线处为0+000，闸上游桩号用0-XXX 表示，闸下游桩号用0+XXX 表示。船闸桩号以节制闸公路桥中线为0+000。

模型分别在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400、船上0-600、船下0+600 处布置水位测针，测量河道沿程水位。

模型分别在0-1600、0-1000、0-600、0-400、0-200、0+200、0+400、0+600、0+1000、0+1400 处布置流速测量断面，测量河道沿程流速分布。

2.4 计算控制条件

采用水工模型试验对节制闸过流能力、上游喇叭口处理及切滩等配套工程优化设计、引航道导堤长度优化等问题进行研究，本次试验参数包括涡河规划流量、蒙城闸枢纽闸上闸下水位等，具体工况选择见表1。

表1 模型计算工况表

3 成果与分析

3.1 原布置方案

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。

由表2可知：各工况闸上下游水流基本均匀，无明显偏流。原各工况下，上下游航道口门区、上游航道与河道间裹头河道侧均存在范围大小不等的回流区。上游航道口门区最大回流范围为600m×120m，最大回流流速为0.36m/s，下游航道口门区最大回流范围为350m×80m，最大回流流速为0.40m/s，均满足规范要求。

表2 蒙城闸枢纽工程水工物理模型试验结果表

设计洪水时，0-1000 断面附近，水流主流基本位于右岸滩地开挖区，滩槽分界线处流速约为1.0m/s，因该处水深较浅，可能造成冲刷，建议对开挖河道边坡采取适当保护措施。

最高通航水位时，0+1260 附近，水流表面流速约为1.2m/s，水流方向与航道间的夹角约为20°，水流垂直于航道的流速分量为0.39m/s，平行于航道的流速分量为1.05m/s。该处航道的横向流速超过规范要求的0.3m/s。

3.2 优化方案

因原布置方案中最高通航水位（工况4）下游航道口门区的水流条件不满足规范要求，修改方案对下游航道口门区左岸进行了扩挖，开挖示意图见图3。与原布置方案相比，下游航道口门区开挖后，航道与河道的衔接更为顺畅，口门区流态无明显变化。

图3 修改方案开挖示意图

修改方案设计和校核洪水时流速值与流态与原布置方案相比无明显变化。最高通航水位下游航道口门区最大回流流速为-0.37m/s，满足规范要求。修改方案下游0+1260 附近，航道内水流最大表面流速为0.92m/s，水流方向与航道间的夹角约为15°，水流垂直于航道的流速分量为0.24m/s，平行于航道的流速分量为0.89m/s，满足规范要求。

3.3 闸门管理运用分析

选取合理的闸门开启或关闭方式，可使闸下水流对建筑物及河道可能造成的冲刷影响降到最低。试验采用正常蓄水位进行闸门管理运用试验。

试验以2 孔为一组，按照均匀、对称的开启原则，依次开启2 孔、4 孔、6 孔、8 孔、10 孔直至全开。试验时，闸门开启高度为0.3m，因恶劣放水时，下游水位较低，防冲槽尾坎处水流流速较大，建议第一轮开启时开度不超过0.20m，以后按照下游水位的上涨情况及上游来流量来合理确定下一轮的开启高度。实际运用时的闸门开度级差由设计院根据操作难易程度及开启历时等因素综合考虑。

试验发现，因闸孔数较多，只要不同时开启相邻的两孔，闸下流态无明显差别。另外，若先开启紧靠翼墙的两孔，有可能对翼墙造成不利影响。建议按照均匀、对称的开启原则，先开启中部的闸孔，最后开启边孔。

闸门关闭顺序与开启顺序相反。