曹娥江清风枢纽船闸闸下流态研究

2022-06-29林一楠孙逸豪

水运工程 2022年6期

林一楠，孙逸豪，何昆

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310016)

船舶由主航道进入引航道后，船速减小使得舵效降低，船舶姿态不易操纵，若引航道流速过大或者存在明显回流则可能造成靠船困难甚至船撞事件[1-3]，因此对河道下泄流量和泄水闸开启方式有很高的要求[4-6]。笔者通过模型试验研究不同泄水闸开启方式对下游流态的影响，推荐了较合理的闸门开启方式，并在这种闸门开启方式下研究满足引航道流速要求的最大下泄径流量[7-9]。

对于闸下流态良好的河段，可采用平面二维数学模型计算[10]，但是二维平面数模无法模拟闸底出流。清风枢纽船闸工程前期已经开展数模计算相关工作，由于工程河段条件相对复杂，为更好地模拟船闸和泄水闸下游局部流态，进行物理模型试验。本次模型试验采用大范围表面流场拍摄系统研究船闸下游的流场条件，为工程设计提供依据。

1 工程概况

曹娥江是钱塘江下游Ⅰ级支流，流域面积4 481 km2，主流平均比降0.7‰。工程上游约2 km处有花山水文站，根据花山水文站(1983年前为东沙埠站)的流量资料统计，多年平均径流量为74.0 m3/s，年径流总量为23.3亿m3。曹娥江径流年际变化很大，花山站最大年平均流量为120 m3/s(1973年)，最小年平均流量32 m3/s(2004年)。船闸上游河道宽度约500 m，而下游河道仅约250 m，因此船闸上游库区流速较小，而下游流速较大。枢纽平面布置见图1。

本次新建清风船闸设计等级为Ⅳ级，采用坝上式布置，新建船闸拟布置于枢纽左岸，靠近左岸防洪堤。新建船闸轴线与原枢纽坝轴线交角约75°，与改建后枢纽坝轴线夹角80.5°，下闸首位于枢纽挡水线上，右侧与10孔泄水闸相接。船闸闸室有效尺度165 m×14 m×4.0 m(长×宽×槛上水深)。上闸首按照20 a一遇洪水加超高设计，上闸首顶高17.0 m。上闸首闸门按照10 a一遇洪水加超高设计，闸门顶高程为15.0 m。闸室墙顶按照上游10 a一遇洪水位加超高设计，其中墙顶高程15.1 m。下闸首顶高按人字门顶高加安装高度设计，下闸首顶高18.7 m。上游导航墙和靠船墩顶高程12.5 m；下游导航墙和靠船墩顶高程9.0 m，下游引航道底高程-0.7 m。

船闸右侧为14 m×10孔泄水闸。并在第4与第5口泄水闸之间增设长约220 m的导流墙和3座导流墩，隔流墙顶高程8.5 m。

2 模型设计与验证

2.1 模型设计

物理模型的模拟范围包含清风枢纽、新建船闸、清风大桥、上三高速桥等特征建筑物，模拟河段长约7.0 km(图2)。工程河段弯道较多，工程附近流态复杂。为准确模拟弯道流态和施工前后的水流变化，本次模型采用正态设计。对工程区域水位、流速、流态进行研究。主要考虑工程研究范围、河段岸线和地形特征、涉水工程尺度以及设备和场地因素，确定模型比尺为1:80。模型比尺参数见表1。

图2 物模照片

表1 模型比尺参数

2.2 水位验证

由于物理模型范围内没有实测水位资料，本次物理模型率定水位资料由经过验证的一维数学模型提供。整体物理模型采用一维数学模型20 a一遇洪水条件下的水位计算成果对水面线进行率定。物理模型范围共布置8个水位测点，分别位于清风枢纽上/下游、清风大桥上/下游、弯曲河段和上三高速公路桥上/下游。水位测点布置见图3，率定结果见表2。

图3 水位及流速测点布置

表2 模型沿程水位验证结果

2.3 流速验证

采用20 a一遇洪水条件下的数模计算成果对沿程流速分布进行校核。共选取枢纽上、下游共19个代表点进行流速对比，测流断面分布见图3，沿程流速校核成果见表3。由表3可知，数模计算成果与物模试验成果沿程各断面的流速分布特征基本一致，各代表点流速比较接近，流速误差绝对值在20%以内，因此模型能较好地反映本河段流速分布情况。

表3 流速验证成果

3 方案研究

3.1 泄水闸开启方式试验

泄水闸的开启方式直接影响下游流态，若开启方式不合理则可能产生不良流态，对船闸通过能力和电站尾水下泄造成不利影响，更可能对涉水建筑物造成不良影响。因此在800 m3/s径流量条件下，分别对开启第5孔、第7孔、第8孔、第9孔和5～10孔均匀开启的泄水闸调度方式进行试验，并采用大范围PIV表面流场监测装置得到各工况的下游流态见图4。

如图4a)所示，单独开启第5孔泄水闸时，由于主流靠左侧隔流墙下泄，电站出流经下游凸体挑向左岸，两股流汇合后在凸体下游靠近右岸处形成一顺时针回流，主流在出隔流墙末端后经清风大桥桥墩右侧下泄，桥墩左侧形成回流区，下泄能力较弱。

如图4b)所示，单独开启第7孔泄水闸时，闸下流态与单独开启第5孔时基本相似，在闸下形成顺时针回流，主流通过隔流墙末端后主要通过清风大桥桥墩右侧下泄。

如图4c)所示，单独开启第8孔泄水闸时，泄水闸下泄水流和电站出流混合，在靠近隔流墙附近形成一逆时针回流，回流范围覆盖了隔流墙右侧的江道，回流区下游的水流相对平顺，主流出隔流墙末端后被桥墩分为左右两股下泄。

如图4d)所示，单独开启第9孔泄水闸时，由于泄水闸下泄水流和电站出流位置接近，两股水流在右岸凸体上游即汇合成一股，经凸体挑流后与河道呈一定夹角向下游流动，下游形成多个回流区。在主流与隔流墙之间形成一逆时针回流，又在凸体下游右岸附近形成一顺时针回流，在清风大桥左跨附近形成逆时针回流，在回流区下游主流逐渐扩散至整个断面。

如图4e)所示，均匀开启5～10孔泄水闸时，下游断面流速分布较为均匀，不存在较大的流速差异，虽然电站的出流在一定程度上破坏了断面流速分布的均匀性，但由于电站出流的流量占比较小对水流影响有限，下游河道仅在引航道下游形成回流流速小于0.15 m/s的回流区。

图4 各工况的下游流态

由于表面流场拍摄范围有限，在拍摄范围外利用旋浆流速仪进行了补充测量。根据测量成果，单独开启第5孔时对下游流态影响范围最远，可至闸下约1 km，而均匀开启5～10孔对下游流态影响范围较小，可至闸下约700 m。因此均匀开启5～10孔泄水闸是较合理的闸门开启方式。

3.2 最大安全通航流量试验

为满足《船闸总体设计规范》中引航道流速要求的最大通航流量，分别进行台汛期平均流量200 m3/s、最大安全通航流量850 m3/s和1 a一遇流量1 000 m3/s 3种流量条件下的试验，闸下水位由数学模型计算提供。试验时参照正常通航条件下闸门启闭和电站运行方式：清风枢纽电站正常发电，同时开启隔流墙右侧6孔泄水闸进行泄流，左侧4孔泄水闸关闭。工况设计见表4。

表4 最大安全通航流量试验条件

不同流量条件下航道范围内最大纵向流速、最大横向流速、最大回流流速和船闸下游水位见表5。由表5可知，在3种流量条件下，导航段受隔流墙掩护均为静水状态，而隔流墙下游靠船段区域由于河道右侧水流扩散，水流流速有所增大，且水流流速与航道呈一定角度，导致在850 m3/s流量条件下靠船段最大横向流速达到0.15 m/s，为最大横向流速标准的临界值。在1 000 m3/s流量条件下靠船段最大横向流速达到0.18 m/s，超出相关流速标准，因此上游850 m3/s为船闸下游最大安全通航流量。