裕溪船闸扩建工程枢纽布置优化试验研究

王光平

(巢湖市裕溪闸管理处 238200)

王久晟 黄祚继

(安徽省水利科学研究院/安徽省水利水资源重点试验室 蚌埠 233000)

1 工程概况

裕溪闸水利枢纽工程是控制巢湖流域防洪、排涝及引水灌溉的综合性水利枢纽，1973年建成使用。工程由节制闸、船闸、鱼道、拦河坝、上下游引航道、导流堤等组成，节制闸24孔(其中浅孔16孔、深孔8孔，净宽5m，底坎高程浅孔5.0m、深孔2.5m)。100年一遇设计流量1170m3/s，300年一遇校核流量1400m3/s，引江灌溉最大流量350m3/s。船闸航道等级为三级，通航能力2×1000t。裕溪船闸于1969年建成投入运行，设计采用前苏联三级标准，闸室长195.0m，闸室净宽15.40m，上游门槛高程3.50m，下游门槛高程0.5m(为吴淞高程系，下同)。闸门采用单面板桁架结构横拉门、卷扬机启闭方式。原设计上游最低通航水位6.0m，最小通航水深2.5m。1991年，该工程实施安全加固，加固后闸室净宽缩小为14.4m，闸室底板高程抬高为0.6m。上下游均无任何船舶引导、停靠设施，按现行内河通航标准仅相当于五级标准。裕溪船闸是沟通巢湖和长江之间的咽喉要道，是安徽省骨干航道之一，故对船闸进行扩建。

扩建船闸航道等级为3级，设计最大船舶吨级为1000t级，闸室有效尺度为200m×23m×3.5m(长×宽×门槛水深)，该尺度可以满足1000t级驳船两排两列一次过闸。船闸年通过能力为4000万t。扩建船闸位于裕溪节制闸东侧的原老河道内。下闸首位于拦河坝上，长29m，闸室位于内河侧，长200m，为钢筋混凝土U形槽结构;上闸首位于上游，长30m。上下游引航道直线段长均为400m。

2 主要研究内容

a.在通航水位下，遭遇节制闸各种放水条件航道内的纵横向水流流速分布，测出主要回流区范围，评价其对船舶和建筑物运行安全的影响，并提出消除不利影响的措施。

b.对节制闸与船闸间的导航堤、引航道等主要平面布置进行优化，并提出优化方案。

c.提出节制闸优化开启方式，在保证其抗冲安全前提下，减少节制闸放水对通航安全的影响。

d.对将来实施的停泊区(上游芜湖长江大桥铁路引桥以上2000m区域，下游淮南铁路备用桥200m以下至入江口)提出建议。

3 模型设计

模型比尺为Lr=75;模型试验范围以闸轴线为基准，上边界取至闸上1.5km，下边界取至闸下2km，总长3.5km;横向取至两侧无为大堤，宽约800m。

裕溪节制闸实际发生的主要运行工况的水位、流量见表1。根据《船闸总体设计规范》(JTJ 305－2001)的要求，对于三级航道，口门区水面最大流速限值见表2。

表1 裕溪节制闸主要运行水位、流量

表2 口门区水面最大流速限值

4 原设计方案试验

4.1 工况1

节制闸正向排水，流量1170m3/s，裕溪闸闸门全部提出水面，为敞泄工况。对应闸上水位9.92m，闸下水位9.83m，水位差0.09m。试验时控制新汊过流820m3/s，老汊过流 350m3/s，即分流比约为 7∶3。

工况1原设计方案流量为1170m3/s时，上游口门区平行航线的最大纵向流速为1.11m/s，小于2.0m/s，说明纵向流速满足要求;垂直航线的最大横向流速在航道内满足要求，为0.29m/s，但导堤裹头附近局部横向流速偏大，为0.41m/s;回流区范围在闸上0～850至闸上0～550断面之间，长度约为300m，最大宽度约为70m，形状为三角形，除闸上0/850～0/650之间右岸水边的最大回流流速为0.43m/s，略超出设计限值0.40m/s以外，回流区其他部位流速较小。因此，口门区的回流流速也能满足要求。

下游航道口门区平行航线的纵向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，纵向流速满足要求;回流区范围在闸下0+450～0+750断面之间，长度约为300m，最大宽度包括岸边约为90m，形状为一三角形，最大回流流速在右岸坡面水边，为0.35m/s，未超出流速限值，因此回流流速满足要求;垂直航线的最大横向流速为0.37m/s，略超出0.30m/s的范围，超标横向流速主要位于闸下0+600～0+700区域，其他区域满足要求。

同时，老船闸下游出口附近回流区近似为一梯形，在闸下1+025～1+200断面之间，顶宽约为65m，底宽约为100m，回流较弱，只在左岸水边的局部流速可达0.40m/s。因此，老船闸下游出口流速满足要求。

通过观测流速流态，在工况1条件下，新闸上游航道口门区纵向流速、回流流速以及横向流速均满足要求。但上游导堤裹头附近横向流速偏大，闸上0－850～0－650之间区域的右岸水边局部回流略超出设计限值，应在导堤裹头处设置警示标志。

下游航道口门区纵向流速和回流流速满足要求;闸下0+600～0+700断面之间航道最大横向流速超标，其他区域满足要求。

4.2 工况2

节制闸正向排水，流量700m3/s，为控泄工况。其中，16孔浅孔开启0.8m，8孔深孔开启2.5m。对应闸上水位7.84m，闸下水位7.02m，水位差0.82m。

该工况上游航道口门区平行航线的纵向流速在1.00m/s以下，小于2.0m/s，满足要求;回流范围在0－750～0－550断面之间，最大宽度约50m，回流流速在0.2m/s以下，满足要求;航道内最大横向流速0.29m/s，满足要求，但导堤裹头处横向流速偏大，局部达到0.50m/s，应在导堤裹头处设置警示标志。

下游航道口门区纵向流速、横向流速以及回流流速均满足要求，回流区范围在0+450～0+700断面之间，最大宽度约70m。因此，对于工况2，新闸上、下游航道口门区纵向流速、回流流速和横向流速均满足要求。但上游导堤裹头附近局部点的横向流速偏大，应在该处设立警示标志。

4.3 工况3

节制闸正向排水，流量498m3/s，为控泄工况。24孔均开启0.5m。对应闸上水位7.89m，闸下水位5.08m，水位差2.81m。

该工况上下游口门区平行航线的纵向流速、垂直航线的最大横向流速以及回流流速均在限速范围内，均能满足要求。上游回流区范围在0－800～0－550断面之间，最大宽度约50m;下游回流区范围在0+470～0+700断面之间，最大宽度约90m。

4.4 工况4

节制闸正向排水，流量190m3/s，为控泄工况。其中，16孔浅孔开启0.30m，8孔深孔开启0.50m。对应闸上水位7.64m，闸下水位3.44m，水位差4.20m。该工况上下游口门区各项流速均能满足要求。

4.5 工况5

正常排涝工况，流量688m3/s，闸门全部提出水面。对应闸上水位10.51m，闸下水位10.48m，水位差0.03m。

该工况为正常排涝工况，由于上下游水位较高，河道流速小，航道口门区各项流速值均能满足要求。其中上游航道口门区回流范围在0－830～0－550断面之间，最大宽度约75m，最大回流流速在0.25m/s以下。下游航道口门区回流范围在0+450～0+750断面之间，最大宽度约110m，最大回流流速在0.15m/s以下。

对原设计方案分别进行了不同工况新河道与老河道分流比为6∶4和8∶2的不同流量组合试验。试验结果表明:新船闸下引航道口门区流速、流态受下游河道分流比影响较小。

5 修改方案试验

5.1 修改方案1试验

由于上游航道导堤裹头处横向流速偏大，将上游导堤加长25m或减小30m进行试验，新河道与老河道分流比仍选定为7∶3。结果表明:加长或减小上游导堤的长度，对减小回流流速和横向流速作用不大。由于横向流速超标部分主要位于导堤裹头处，并非位于航道内，因此对航行是安全的，但为了防止出现意外，建议在导堤裹头处设置警示标志。

5.2 修改方案2试验

将裕溪节制闸下游左导堤沿河道部分切除，具体切除范围为闸下0+300～0+800，最大切宽在闸下0+600断面处，最大切宽约33m，闸下0+800～0+900断面间平顺衔接，切除部分的边坡1∶2.5，切除至0.5m高程。

试验时控制过闸流量1170m3/s，对应闸上水位9.92m，闸下水位9.83m，水位差0.09m，闸门全部提出水面，为敞泄工况(此工况对裕溪船闸上下游航道最为不利)，下游新老河分流比为7∶3。通过流速、流态观测，下游航道口门区水流流向较原方案略向左偏，最大横向分流速较原方案减小，为0.26m/s，仍位于闸下0+600～0+700断面之间的区域，因此，横向分流速满足限速要求;回流的范围及其流速值与原方案差别不大，最大回流流速为0.38m/s，满足要求。

6 结论

a.新船闸上游航道口门区纵向、横向及回流流速在各种工况下均满足要求。只是在工况1条件下，闸上0－850～0－650之间的引航道右岸水边，最大回流流速略超出设计限值，为0.43m/s;上游导堤裹头处在工况1和工况2条件下局部横向流速偏大，分别为0.41m/s和0.50m/s，因此，需在导堤裹头处设置警示标志。

b.下游航道口门区纵向及回流流速在各种工况下均满足要求，横向流速除工况1条件下的闸下0+600～0+700之间的区域超出设计限值外，其他工况均满足要求。工况1条件下，由于流量较大，河道中流速较大，出闸水流由于受节制闸下左导堤限制，水流流向与航线夹角偏大，导致横向分流速偏大。当实施部分切除节制闸下左导堤时，可有效降低横向流速。

c.通过加长上游导堤25m和缩短上游导堤30m分别进行试验，结果表明:这两种修改方案对减小上游口门区回流流速和横向流速作用不大。由于略超出设计限值的回流流速主要位于右岸水边，而横向流速超标部位在导堤裹头的局部地方，并非位于航道内，因此对航行是安全的，但为了防止出现意外，建议在导堤裹头处设置警示标志。

d.考虑到裕溪河新、老船闸分别位于节制闸左右侧，新闸局部范围横向流速与回流流速超标仅限于1170m3/s流量工况，发生频率较小，均略超出规范值，常年遇排涝工况流态较好;而将1170m3/s流量工况横向流速和回流流速控制在规范值之内工程量增大较多，且破坏了节制闸下游左侧现有建筑物。建议遇该工况时充分利用老船闸，对新船闸短时间限航。

e.老船闸上游航道进口在各种工况下流速满足要求，流态良好。下游出口处回流流速基本满足要求。

f.对设计流量级1170m3/s共进行了下游出口河道三种不同分流比的试验，结果表明:下游河道分流比对新船闸下引航道口门区流速流态影响较小。

g.各种工况下，口门区以外的河道中水流流态良好，流向基本与设计航道的航线一致，横向流速均能满足要求。

h.下游淮南铁路备用桥0+200以下至入江口河段为开挖的顺直新河。通过铁路桥以上约0+050断面处的流速分布可知:新河入口处主流偏于左岸，入口转弯处右岸为弱回流区。至铁路备用桥0+200以下，河道水流逐渐归顺，断面流速分布趋于均匀，回流消失。因此该区域可设为停泊区。

i.上游芜湖长江大桥铁路引桥以上2000m区域可设置为停泊区。从裕溪闸上至芜湖长江大桥铁路引桥以上2000m间河道顺直微弯。根据闸上10+000断面处实测流速分布的分析，铁路引桥以上2000m区域河道水流流速分布较为均匀，流态良好。因此，上游芜湖长江大桥铁路引桥以上2000m区域可设为停泊区。