淮河大型河工模型试验控制技术应用探讨

2022-09-15杨兴菊虞邦义

水科学与工程技术 2022年4期

杨兴菊，虞邦义

（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，合肥 230000；2.水利水资源安徽省重点实验室，合肥 230000）

河床演变过程的复杂性使得在河流治理中还不能完全依靠分析与数学模型计算的手段较好地加以解决，而须借助河工模型试验来进行较为深入研究，以解决河流治理相关技术难题。

淮河中游河势复杂，一直是淮河治理的重点和难点，突出的矛盾是洪水来量大，河道泄洪能力小。每遇稍大洪水，两岸湖泊洼地即成为洪水滞蓄回旋的场所，众多的行蓄洪区是淮河泄洪通道的重要组成部分，进洪频繁，人水争地矛盾突出。为了直观、准确地把握淮河的基本特性，近年来开展了一系列淮河河工模型试验研究［1-3］，为淮河河道整治、行蓄洪区调整、枢纽调度等各种规划治理方案的研究提供了重要的技术支撑。

1 淮河河工模型研究简述

陈先朴［4］主持完成的淮滨至正阳关段大型防洪河工模型是淮河干流首个大型非恒定流河工模型，研究通过堤防退建、生产圩铲除、低标准行洪区废弃、切岗等方式提高河段行洪能力的措施。

完成的淮河干流正阳关至淮南段、淮南至蚌埠段、正阳关至涡河口段、蚌埠至方邱湖段等大型河工模型试验获得了大量研究成果，已广泛应用于正阳关至峡山口段、荆山湖河段、平圩～洛河洼河段、方邱湖～临淮关河段的河道整治及行洪区调整建设中，为淮河干流正阳关至浮山段的河道整治及行洪区调整问题的研究提供了重要的技术支撑。实施的河道整治工程提高了河道的泄洪能力，防洪效益显著。

其中方邱湖～临淮关河段河工模型研究优化了河道堤防退建距离、疏浚规模、疏浚型式。深切滩方式改善了水流动力轴线运行轨迹，河道水流更加平顺。整治工程效果明显，洪水位显著降低，行洪能力明显增加［5］，经历了2003年和2007年两场大洪水的检验，未发生疏浚后回淤，避免了不当疏浚方式可能带来回淤的影响［6］，给淮河提供了新的可行的整治方案。

2 测控系统

淮河干流洪水受到支流及众多行蓄洪区的影响，非恒定性非常明显，必须进行非恒定流的防洪模型试验。因此，淮河模型是一个复杂的系统，研究河段长，测量参数多。试验时，需对入流流量过程、尾水水位过程、各水工建筑物（如进洪闸、退洪闸）的开启过程、沿程行洪口门的冲决过程进行实时量测与控制，对沿程各断面流速、水位进行实时测量等。淮河大型河工模型自动量测与控制系统［7-9］应运而生，是一套性能完善、控制与检测准确可靠、自动化程度高的量测与控制系统，为试验研究的顺利进行提供了必要手段。

2.1 系统组成

淮河某河工模型测控系统如图1。可实现模型内外边界的自动控制和基本水力参数的自动量测。包括入流控制、水位检测、流速测量、闸门、口门开启系统、尾水调节系统、尾水堰检测系统等。参数控制误差均能在试验误差范围内。下面以流量测量为例，检验系统的运行情况。

图1 测控系统总体结构框

2.2 流量测量

对于清水试验，入流流量可采用电动量水堰量测，采用闭环方案调节堰上水头，量水堰堰板安装高程固定不变，用跟踪水位计实时量测堰上水头高程，根据目标水头与实测堰上水头差来调节电动溢流闸门的开度，从而保证实测堰上水头与目标水头一致。

图2为淮河某大型河工模型入流流量过程检测结果，可见与原型提供的流量过程完全一致，流量测控设备不增加量水堰的测量误差，仍保持量水堰原有的测量精度（1%～1.5%），说明流量控制能满足试验精度要求。自动量测与控制系统准确可靠。

图2 模型流量过程控制比较

经过对其他参数的试验检验，测控系统能保证水流运动的相似性，保障模型试验的测试精度及成果质量，加快试验进度，提高模型运转效益。

3 模型加糙

淮河干流河段河势及水流条件复杂，涉及主槽、滩地与行、蓄洪区，河宽和水深变幅大，针对河道研究的河工模型均采用变态模型。原型河道滩地、行、蓄洪区水深浅且糙率大，经变态后，模型糙率更大，河工模型必须加糙。

对于淮河非恒定流河工模型的加糙，其要求更高。首先要考虑非恒定流洪水过程模拟中的水量平衡，要做到行蓄洪区库容和河道槽蓄的相似；其次，非恒定流洪水从枯水到洪峰这个过程的雷诺数变幅大，为保证整个洪水过程相似，加糙须满足在较小雷诺数时模型即进入阻力平方区。

梁斌、陈先朴等［10］研制的十字片梅花型加糙技术特点主要有：①阻力系数大；②各项阻力特性较均匀，能较好地适应河工模型水流的三维特性；③水流进入紊流及阻力平方区的临界雷诺数低，尤其适合低雷诺数河工模型加糙；④十字片本身体积小，对于必须考虑槽蓄量的非恒定流模型，其带来的误差很小；⑤能保持垂线流速分布特性与原型一致。因此，十字片梅花型加糙技术较好地适应了模型中滩地、行、蓄洪区水深浅、雷诺数低、糙率大的模型加糙，实现了洪水过程从枯水到洪峰的阻力均能达到更好的相似。

在模型中通过验证试验调整模型糙率，不仅采用恒定的平槽流量、漫滩流量和行洪流量三级流量验证，还采用非恒定洪水过程进行率定。

图3和图4为淮河某大型河工模型田家庵站2007年洪水过程线、峡山口站2003年洪水过程线比较。可见，与原型水位误差模型值在以内，满足规范要求。完美地解决了大变态非恒定流河工模型的加糙问题，其在淮河防洪模型中的应用取得了满意的成果。检验了模型糙率与原型相似，模型可作为试验研究的基础。

图3 洪水过程线验证比较

图4 洪水过程线验证比较

4 泄水建筑物模拟

淮河干流沿程分布众多的行蓄洪区，在大洪水时参与行蓄洪，是淮河行洪通道的重要组成部分。通过进、退洪闸、行洪口门向行蓄洪区分蓄、泄洪，因此模型中需要模拟较多的泄水建筑物。

如果对进、退洪闸、行洪口门等泄水建筑物仍采用平面比尺（长度X和宽度B）大于垂直比尺（垂向H）的双向变态模拟，会导致堰型改变，建筑物纵向底坡变陡，以及水跃与建筑物结构的相对位置发生改变等。经试验研究表明［11-12］，进、退洪闸、行洪口门等泄水建筑物的过流能力会较原型偏大，而流态等水力学现象与原型相似性变差，这在模型试验中将不会被允许。因此，改善进洪闸、退洪闸、行洪口门等泄水建筑物的变态模拟方式，将泄水建筑物仅在宽度方向单向变态，保持宽度方向=水平比尺，而在顺水流方向上采用与垂直比尺相同的长度比尺=垂向比尺，即将上下游河道及上游导堤做成常规的一般变态，而将节制闸至下游导堤部分的纵断面轮廓保持几何相似。

图5为某进洪闸闸孔流速分布比较图（整体模型），图6为某进洪闸海漫中段流速分布比较图（断面模型）。可见，无论垂向或平面纵向方向的流速分布，其形态和数值大小都与正态模型相似，与实测过流量相匹配。充分反映了无论在断面模型或整体模型中，泄水建筑物的泄流能力与闸下流速分布等与正态模型的特性吻合，说明单向变态模拟方法可以改善变态河工模型中的泄水建筑物过流条件，实现其过流能力及流态等水力学现象与原型相似。