固镇复线船闸水工模型试验研究

王昆

（安徽省蚌埠港航管理局，安徽 蚌埠 233000）

1 工程概述

沱浍河航道由河南省境内沱河上段、安徽省境内的浍河中下段及河南省境内两河连接线人工渠道大青沟组成，全长325.5 km。拟建的固镇复线船闸是沱浍河航道梯级开发的重要组成部分，位于蚌埠市固镇县固镇节制闸及老船闸南侧，上距蕲县闸38 km，下距五河闸65 km，为沱浍河航道自下而上第二个梯级通航建筑物。

现有固镇老船闸紧邻节制闸南侧，建于1994年，为Ⅵ级，可通行100吨级船舶，闸室有效尺度为80m×8m×1.5m，设计年通过能力150万t。根据《安徽省内河航运发展规划》，沱浍河航道李口集至入淮口段航道规划等级为Ⅳ级，可常年通航500吨级船舶。本次拟建固镇复线船闸为500吨级Ⅳ级船闸，闸室有效尺度为130m×18m×3.5 m，设计年通过能力750万t。

受当地城市规划影响，闸址只能选在固镇枢纽中老船闸的右侧。在总平面布置时，上游引航道受京沪铁路浍河大桥的制约，引航道口门区及连接段的中心线与河流主流流向之间的夹角较大，产生的横流、回流等对上游航道航行安全不利，拟建复线船闸通航条件将比现有船闸差，需通过模型试验对通航条件进行验证。

2 设计水位

固镇闸枢纽工程由老节制闸、新节制闸、新老船闸组成，设计水位资料见表1。

3 试验内容、目的和要求

1）通过试验，揭示引航道口门区横流流速及其变化规律，测定天然状态下及设计状态下，上、下游引航道口门的流态，包括纵向流速、水位等情况。

2）通过试验，对船闸口门区及引航道布置进行论证，并对引航道口门角度、导堤、切滩等工程提出优化方案，以满足规范要求的口门流速标准。

3）试验执行有关规范、规程[1-3]的规定。

表1 规划及实际运行水位流量资料

4 模型设计

4.1 模型比尺选定

根据SL155—95《水工（常规）模型试验规程》相似准则2.0.3规定，水工模型试验在满足重力相似的基础上水工建筑物模型必须采用正态模型，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Lr=80。

相应的主要水力要素的比尺分别为：

模型水流进入阻力平方区；模型表面流速大于23 cm/s，水深在3 cm以上。

4.2 模型范围

上游引航道受京沪铁路浍河大桥的制约，为保证模型中上引航道入口及下引航道出口水流流态与原型相似，模型模拟范围应包括京沪铁路浍河大桥，因此主河道上游模拟至津浦铁路浍河大桥以上220m，主河道下游模拟至弯道以下并预留足够的水流稳定段，全长4 km。横向取至浍河大堤。整体模型平面布置详见图1。

图1 固镇复线船闸模型布置图

4.3 水位测点及测流断面布置

模型以节制闸公路中心线为0+000，以新节制闸中线为轴线。模型沿程布置了12个水位测点，分别在0-200（3个）、0-600（2个）、0-1 000、0-1 400、0+200、0+400、0+600（2个）、0+1 000。

为充分研究上下游引航道进出口流速，在上游引航道进口处布置了4个测流断面，分别为0-800、0-900、0-1 000、0-1 100；在下游引航道出口处布置了3个测流断面，分别为0+900、0+1 000、0+1 100。

5 原开挖方案试验成果

原开挖方案上游引航道为与京沪铁路浍河大桥航道相接，在引航道入口处设半径为320m，转角为109°的弯道，并在右岸滩地开挖出长250m，宽40m的停泊区。下游引航道在出口处设半径为320m，转角为50°的弯道。

5.1 最高通航水位试验成果

5.1.1 设计最高通航水位试验成果

该工况控制闸上水位为18.54m，闸下水位为18.42 m，节制闸闸门全开，实测浍河来流量为1 347m3/s。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺，无不良流态，引航道0-900～0-800段出现一面积约为40m×120m的回流区，最大回流流速为-0.20m/s。

0-1100～0-1000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道范围内表面最大流速为1.56m/s，主流基本与航道方向一致。0-1 000断面处，引航道范围内表面最大流速为1.32m/s，因该处河道主流与航道航道中心线的夹角约为10°，对应平行于航线的纵向流速为1.30m/s，垂直于航线的横向流速为0.23 m/s，水流条件满足通航要求。

0-900～0-800段河道主槽与引航道基本分开，引航道内水流流速显著降低，0-900断面处引航道范围内表面最大流速为0.79m/s，因该处河道主流与航道航道中心线的夹角约30°，对应平行于航线的纵向流速为0.68m/s，垂直于航线的横向流速为0.39m/s，航道横向流速超过规范要求。0-800断面处，引航道范围内表面最大流速达0.41m/s，水流方向基本与航道方向一致，符合规范要求。

下游引航道出口在0+900～0+1 000段出现一面积约为30m×90m的回流区，最大回流流速为-0.10m/s，该段引航道与河道分离，引航道范围内表面最大流速为0.29m/s，水流方向基本与航道方向一致，水流条件满足通航要求。0+1 100断面处引航道与河道汇合，引航道范围内表面最大流速为0.34m/s，水流方向基本与航道方向一致，满足规范要求。该处出现回流主要是由于主槽内水流侵入航道所致，可结合工程施工尽可能将主槽与航道分隔开来。

由于新、老船闸相距较远，且两船闸引航道有导堤分隔，对老船闸的通航条件无明显影响。

5.1.2 实际最高通航水位试验成果

该工况浍河来流量为680m3/s，控制闸上水位为18.50 m，下水位为18.44m。节制闸闸门全开。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺，无不良流态。

0-1 100～0-1 000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道范围内表面最大流速为0.84m/s，主流基本与航道方向一致。0-1 000断面处，引航道范围内表面最大流速为0.70m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为10°，对应平行于航线的纵向流速为0.69m/s，垂直于航线的横向流速为0.12m/s，水流条件满足通航要求。

0-900～0-800段河道主槽与引航道基本分开，0-900断面处引航道范围内表面最大流速为0.37m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为30°，对应平行于航线的纵向流速为0.32m/s，垂直于航线的横向流速为0.18m/s，水流条件满足规范要求。0-800断面处，引航道范围内为死水区。

下游引航道出口在0+900-0+1 000段引航道与河道分离，引航道范围内为死水区。0+1 100断面处引航道与河道汇合，引航道范围内表面最大流速为0.24m/s，水流方向基本与航道方向一致，满足规范要求。

5.2 排涝水位试验成果

该工况浍河来流量为1 015m3/s，控制闸上水位为17.37m，闸下水位为17.26m。节制闸闸门全开。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺，无不良流态。

0-1 100～0-1 000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道范围内表面最大流速为1.74m/s，主流基本与航道方向一致。0-1 000断面处，引航道范围内表面最大流速为1.35m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为10°，对应平行于航线的纵向流速为1.33m/s，垂直于航线的横向流速为0.23m/s，水流条件满足通航要求。

0-900～0-800段河道主槽与引航道基本分开，0-900断面处引航道范围内表面最大流速为0.52m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为30°，对应平行于航线的纵向流速为0.45m/s，垂直于航线的横向流速为0.26m/s，水流条件符合规范要求。0-800断面处引航道范围内表面最大流速小于0.20m/s，符合规范要求。

下游引航道出口在0+900～0+1 000段引航道与河道分离，引航道范围内表面最大流速为0.38m/s，水流方向基本与航道方向一致，水流条件满足通航要求。0+1 100断面处引航道与河道汇合，引航道范围内表面最大流速为0.70m/s，水流方向基本与航道方向一致，满足规范要求。

5.3 正常蓄水位试验成果

5.3.1 流量680m3/s

该工况浍河来流量为680m3/s，控制闸上水位为16.50 m，闸下水位为14.50m。节制闸闸门全开。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺：无不良流态。

0-1 100～0-1 000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道范围内表面最大流速为1.37m/s，主流基本与航道方向一致。0-1 000断面处，引航道范围内表面最大流速为1.06m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为10°，对应平行于航线的纵向流速为1.04m/s，垂直于航线的横向流速为0.18m/s，水流条件满足通航要求。

0-900～0-800段河道主槽与引航道基本分开，0-900断面处引航道范围内表面最大流速为0.50m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为30°，对应平行于航线的纵向流速为0.43m/s，垂直于航线的横向流速为0.25m/s，水流条件符合规范要求。0-800断面处引航道范围内为死水区，水流条件符合规范要求。

下游引航道出口在0+900～0+1 000段引航道与河道分离，引航道范围内表面最大流速为0.52m/s，水流方向基本与航道方向一致，水流条件满足通航要求。0+1 100断面处引航道与河道汇合，引航道范围内表面最大流速为0.96m/s，水流方向基本与航道方向一致，满足规范要求。

5.3.2 流量120m3/s

该工况浍河来流量为120m3/s，控制闸上水位为16.50 m，闸下水位为14.50m。节制闸老闸关闭，新闸开中间6孔，开度为0.50m。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺，无不良流态。

0-1 100～0-1000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道范围内表面最大流速为0.34m/s，主流基本与航道方向一致。0-1 000断面处，引航道范围内表面最大流速为0.27m/s，因该处河道主流向与航道中心线的夹角约为10°，对应平行于航线的纵向流速为0.27m/s，垂直于航线的横向流速为0.05m/s，水流条件满足通航要求。

0-900～0-800段河道主槽与引航道基本分开，引航道内为死水区。

0+900～0+1 000段引航道与河道分离，航道内为死水区，水流条件满足通航要求。0+1 100断面处引航道与河道汇合，最大流速为0.43m/s，水流方向与航道方向一致，满足规范要求。

5.4 最低通航水位试验成果

该工况浍河来流量为100m/s，控制闸上水位为14.37 m，闸下水位为13.00m。节制闸老闸关闭，新闸开中间4孔，开度为0.60m。

该工况下，京沪铁路浍河大桥至上游引航道入口段水流平顺，无不良流态。

0-1100～0-1000段河道主槽与航道基本重合，0-1 100断面处，引航道表面最大流速为0.37 m/s，0-1 000断面处，引航道表面最大流速为0.22m/s，满足规范要求。

0-900～0-800段河道主槽与航道基本分开，航道内为死水区。

0+900～0+1 000段引航道与河道分离，航道内为死水区，水流条件满足通航要求。0+1 100断面处引航道与河道汇合，最大流速为0.32m/s，水流方向与航道方向一致，满足规范要求。

6 结语

1）引航道开挖曲线总体布置合理，上下游引航道内均未出现较为恶劣的流态。

2）最高通航水位时，0-900～0-1 000段横向流速在0.23～0.39m/s之间，该段局部区域横向流速超出规范要求，可通过调整上引航道开挖线加以改善。下游0+900～0+1 000段航道范围内出现小范围微弱回流，回流流速为-0.10 m/s，该处回流主要是由于河道主槽水流侵入航道所导致，可结合现场土方平衡优化分流导堤予以改善。其余各处纵向流速、横向流速、回流流速等各项指标均满足规范要求。

3）排涝水位时上下游引航道内纵向流速、横向流速、回流流速等各项指标均满足规范要求。

4）正常蓄水位下，下泄流量按固镇闸建成后历史实际发生流量120m/s控制时，上下游引航道内纵向流速、横向流速、回流流速等各项指标均满足规范要求。为验证极端恶劣情况下新船闸建成后的通航效果，进行了正常蓄水位下节制闸下泄流量为680m/s（历史上通航水位范围内发生的最大流量）时的补充试验，试验结果偏安全，此时0-900～0-1 000段横向流速在0.05～0.26m/s之间，满足规范要求，其余各处纵向流速、横向流速、回流流速等各项指标均满足规范要求。

5）最低通航水位时上下游引航道内纵向流速、横向流速、回流流速等各项指标均满足规范要求。

6）由于新、老船闸相距较远，且两船闸引航道有导堤分隔，新船闸建成后对老船闸的通航条件无明显影响。

[1] JTJ305—2001，船闸总体设计规范[S].

[2] SL155—1995，水工（常规）模型试验规程[S].

[3] JTJ/T232—1995，内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程[S].