弯曲河道大型拦河水闸工程重建设计中的过闸水流流态水力学问题研究

张周文

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403)

近年国内对于拦河水闸的工程布置、泄流能力、消能防冲等方面进行了广泛的研究。林显兵等[1]对漠阳江双捷拦河水闸闸址选择、闸轴线进行比选分析后确定原址重建，拦河闸闸孔采用节制冲砂闸、泄洪闸对称布置，对称闸孔布置改善水流流态方面有一定的借鉴意义。邓飞[2]对潮州供水枢纽西溪拦河水闸因河床下切严重运行后消能工出现冲刷损毁，对消能工改造方案提出了增设二级消力池，为低水头、大单宽下泄流量的拦河水闸消能工加固改造提供了新思路、新方法，对本研究在消能工布置方面起到一定借鉴作用。冯达恩[3]重点研究了东江水利枢纽工程在左河汊和右河汊条件下拦河水闸的消能形式，最终结合水工模型将右河汊原设计面流消能修改为和左河汊一样的底流消能，交汊河道条件下消能设置方面有一定的参考价值。颜晓梅[4]采用理论公式计算与水工模型试验相结合的方式，最终确定高岭拦河闸采用深水闸河床中间布置的闸孔方案，降低过闸流速改善下游消能方面有借鉴之处。对于弯曲河道近年开展的研究也不少。史莹[5]采用集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块为一体的环境流体动力学模型，利用计算机进行数值模拟，对京郊某弯曲河道3种河道形态在50年一遇洪水过程，分析了河道的水流特性，提出相应河道保护措施。曹磊等[6]以浏阳河朝正垸急弯河段为例，采用MIKE21水动力平面二维水流-泥沙模型，对其上游直线段、弯段、下游直线段的水文变化、流速变化及冲淤情势进行多工况模拟，指导本河段防洪规划设计。余之光[7]在收集和整理以往工程实践经验的基础上，归纳和总结弯曲河道通航枢纽平面布置的一些规律，为弯曲河道通航枢纽的规划和设计提供参考和借鉴。上述[5-7]针对弯曲河道的流速变化及冲淤平衡等方面的模型研究方法对本研究的研究方法、分析内容等有借鉴作用。本文对弯曲河道主流偏流影响过闸流态易造成下游冲刷的问题，选取积美拦河闸坝工程作为研究对象，采用改变水闸闸孔形式、水闸轴线与河道中心线夹角的思路，开展了二维水动力数学模型模拟水闸过闸流态、下游冲刷等方面研究。

1 工程概况及存在的主要问题

积美拦河闸坝位于鉴江干流吴川境内，为鉴江第五梯级拦河坝，是一宗以排洪、灌溉、供水为主，结合航运、水力发电及公路交通的大(2)型水利枢纽工程，从左至右主要建筑物有溢流坝、深水闸、水电站、船闸，溢流坝18孔，每孔净宽5.75 m，总净宽103.5 m，深水闸11孔，每孔净宽12.0 m，总净宽132 m，水电站装机3台共600 kW，船闸下闸首通航净宽7.0 m，坝顶上建有汽-15、挂-80公路桥。由于积美拦河闸坝的交通桥作为连接梅(录)樟(铺)公路(X700)的重要桥梁，闸址处于弯曲河道段，加上左岸侧溢流坝的壅水作用，不仅导致闸前水位壅高严重，还加剧河道主流偏向右岸，进一步加大深水闸的过闸流速，导致水闸下游偏右岸侧遭受到水流长期的集中冲刷，下游消力池末端形成一个宽约200 m、长约250 m、最大深度23 m的大冲坑，管理单位采取沉船、抛石等综合措施治理仍得不到根治，严重影响水闸的安全运行，经安全鉴定评定为四类闸，计划拆除重建，积美拦河闸坝现状见图1。

图1 积美拦河闸坝现状示意

为了满足梅(录)樟(铺)公路(X700)交通要求，经论证重建闸址为原址重建，如何顺应弯曲河道主流偏流的问题，改变重建后过闸的流态、流速，使得重建后下游冲淤平衡，避免出现大冲坑影响水闸的安全运行，这是一个有待解决的技术问题。

2 研究方法与结果

2.1 下游冲坑形成原因分析

为了弄清楚水闸下游冲坑形成的成因，以现状水闸轴线上游1.2 km、下游0.6 km为边界，采用现状地形建立二维水动力数学模型，计算网格为域三角形单元，计算模型见图2。

a)下游冲坑计算模型

2.1.1有关系数选取

a)糙率系数。糙率系数反映了水流和床面相互作用过程中，床面边界粗糙程度，床面形态等因素对水流阻力的综合影响，影响到水力要素的计算精度，一般通过模型的率定和验证来确定，并参照一定的经验，本次计算取0.030。

b)动边界处理。为保证模型计算的连续性，采用干湿判别确定计算区域由于水位变化产生的动边界，干水深取0.005 m，洪水深取0.05 m，湿水深取0.1 m。

2.1.2边界条件输入

模型有上、下游2个边界条件，上游边界为50年一遇的流量Q=4 830 m3/s，下游边界为水位5.66 m(4 830 m3/s对应的下游水位)。

由图2可知，当上游洪水过境时，现状拦河闸坝存在壅水现象，水闸左岸溢流坝泄洪时过闸流速为2.8～4.6 m/s、水闸轴线下游100 m闸后流速为2.4～3.6 m/s，流速由左岸第1孔向河床第18孔呈递增趋势；河床深水闸泄洪时第19—27孔过闸流速为4.8～9.5 m/s、闸后流速为3.7～6.8 m/s，流速由第19孔向第27孔呈递增趋势，最大流速出现在第24、25、26孔，此3孔正对着下游冲坑，第28—29孔过闸流速为3.7～4.9 m/s、闸后流速为2.8～3.7 m/s，流速由第28孔向第29孔呈递减趋势。根据现场调查，洪水期间第24—26孔水闸下游40～200 m范围出现大量的漩涡，结合上述模型分析结果，由于水闸所处河道弯曲不规则，加上左岸溢流坝的壅水影响，洪水过闸时主流偏向河道右岸深水闸，导致右岸深水闸上下游流速增大，过闸流态紊乱形成漩涡，造成下游冲刷，长时间的冲刷是形成冲坑的主要原因。

2.2 方案介绍

水闸设计洪水标准为50年一遇，设计洪峰流量4 830 m3/s，校核洪水标准为100年一遇，校核洪峰流量5 333 m3/s，重建工程布置方案从左至右分别为船闸、水闸、水轮泵站，为了改善重建后水闸过闸水流流态，经过对现状过闸水流形态的分析，结合水利计算及工程总体布置，综合河底高程、原拦河坝底板高程以及水闸过流能力，拟定闸孔布置方案原则如下：减少或者取消左岸溢流坝，溢流坝对称布置，降低深水闸底槛高程和加大深水闸宽度，改变水闸轴线与河道中心线夹角；根据上述原则初步拟定了5种设计方案见表1。方案一深水闸布置在河床中间、溢流坝在深水闸左右两侧对称布置，水闸轴线与河道中心线夹角为90°；方案二在方案一的基础上调整水闸轴线与河道中心线夹角为88°(逆时针旋转2°)；方案三全部为深水闸布置在河床中间，水闸轴线与河道中心线夹角为90°；方案四深水闸同方案三，水闸轴线与河道中心线夹角为88°(逆时针旋转2°)；方案五深水闸同方案三、水闸轴线与河道中心线夹角为85°(逆时针旋转5°)。方案三至五水闸均为18孔，每孔净宽12 m，水闸按每两孔为一整体结构分缝布设，中墩厚度为2 m，边墩厚度为1.5 m，下游设置底流消力池长度为33.0 m，池深2.0 m，消力池末端设长60.0 m海漫。

表1 水闸设计方案

2.3 计算模型及边界条件

采用二维水动力数学模型，模型边界为水闸轴线上游1.2 km、下游0.6 km，计算网格为域三角形单元，为对比分析不同设计方案的上下游河道水位，在河道内选取代表点，水位代表点位置见图3，共10个水位代表点，其中t1—t5布置在水闸上游，t6—t10布置在水闸下游。糙率系数、动边界处理和边界条件输入均和现状下游冲坑计算模型相同。

2.4 水位变化分析

各设计方案代表点水位统计见表2。由表2可知，5个方案下游水位差别不大，左右两岸对称布置6孔溢流坝的方案一、二水闸上游水位均高于全深水闸的方案三至五，而全深水闸水闸轴线与河道中心线夹角为90°的方案三水闸上游水位最低，其次是方案四、五，由此可见，从水闸上下游水位而言，全深水闸方案优于溢流坝+深水闸方案，水闸轴线与河道中心线夹角90°优于88°、85°。

图3 水位代表点位置

表2 水闸各方案代表点水位统计 单位：m

2.5 流态分析

50年一遇设计洪峰流量4 830 m3/s下各设计方案的河道流场见图4，代表点流速统计见表3，水闸轴线上游100 m河道上游流速，水闸轴线上游20 m闸前流速、过闸流速和水闸轴线下游100 m闸后流速分布统计见表4。

a)方案一

e)方案五

表3 各设计方案代表点流速统计 单位：m/s

表4 各设计方案流速分布统计 单位：m/s

由图4可知，左右两岸对称布置6孔溢流坝的方案一、二其左右岸流速均减小，流速带两侧向中心偏移，水闸闸下水流流向偏向于右岸，且过闸流速较大，最大过闸流速为7.5 m/s，下游流速带较长，影响范围较远，防冲措施需加强；方案二是在方案一的基础上水闸轴线逆时针旋转2°，水闸闸下水流流向和方案一差不多，下游流速有减小的趋势；全深水闸的方案三、四、五流速分布均匀，水闸闸下水流流向依然存在偏向于右岸的趋势，但较方案一、二已得到很大的改善，过闸流速最大为6.0 m/s；方案四在方案三的基础上水闸轴线逆时针旋转2°，方案四上游左岸流速较方案三小，下游左岸流速较方案三大，最大流速为3.5 m/s；方案五在方案三的基础上水闸轴线逆时针旋转5°，方案五上游左岸流速较方案三、四小，下游左岸流速较方案三、四大，最大流速为4.2 m/s；方案四、五水闸下游左岸会有一定程度的冲刷。

由表3、4可知，5个方案水闸上游流速、闸前流速和闸后流速相近，方案四水闸轴线逆时针旋转2°其过闸流速较小，其他4个方案过闸流速相差不大。

综合上述，采用溢流坝+深水闸结合的方案一将溢流坝于深水闸两边对称布置，两岸的冲刷有所改善，中间深水闸的流态也相对比较均衡；方案二在方案一的基础上水闸轴线逆时针旋转2°，泄洪时水闸上下游洪水流态更加均衡，泄洪效果好于方案一，全深水闸的方案三、四、五整体泄洪能力大大加强，上游水位下降比较明显，上下游流态也更加均衡，但是，水闸轴线逆时针旋转5°的方案五由于水闸轴线与河道中心线夹角增大后，右岸流速反而增大，下游冲刷较严重。因此，推荐方案四，即全深水闸水闸轴线逆时针旋转2°。

2.6 冲淤分析

为了验证重建后水闸上下游的冲淤情况，模拟单次50年一遇洪水过程下推荐方案水闸下游冲淤计算，冲淤计算床沙粒径根据对河床泥沙孔分析河床泥沙级配取床沙平均中值粒径0.4 mm，对应设计频率为2%上游边界为流量Q=4 830 m3/s，闸上水位为7.88 m，上游来沙量为0.36 kg/m3，河床冲淤模型计算结果见图5。由图5可知，在设计工况下，由于闸下护坦的作用，单次洪水对水闸下游的冲淤影响不大，推荐方案闸下最大冲淤厚度0.03 m，海漫末端河床流速为1.0～1.5 m/s，下游中粗砂层河床不会出现严重冲刷现象。

图5 水闸上下游河床冲淤厚度细部(红色为淤，蓝色为冲)

3 结语

针对位于弯曲河道上的拦河水闸因主流偏流导致其下游冲刷严重形成大冲坑影响水闸安全运行的问题，以重建中的积美拦河闸坝工程为研究对象开展了研究。结论如下：①溢流坝不仅导致壅水现象，且单侧布置还可能导致主流偏流，宜尽量避免单侧布置，有条件采用对称布置；②通过比选，流态、闸型、冲淤平衡全深水闸水闸轴线逆时针旋转2°较优的结果，有效解决过闸流速大、流态紊乱、主流偏流问题，重建后水闸下游河床不会出现严重的冲刷。