双向过流节制闸与船闸整体布置研究

张 波李 保

（1.安徽省水利水资源重点实验室 水利部淮委·安徽省水利科学研究院 蚌埠 233001 2.长江口水文水资源勘测局 上海 200000）

双向过流节制闸与船闸整体布置研究

张 波1李 保2

（1.安徽省水利水资源重点实验室 水利部淮委·安徽省水利科学研究院 蚌埠 233001 2.长江口水文水资源勘测局 上海 200000）

巢湖闸具有正向和反向过流功能，不同过流条件下，航道上下游口门区的流速分布可能大相径庭，而船闸口门区的流态流速分布直接影响着航道的通航安全。为使巢湖复线船闸的引航道达到规范要求的安全通航条件，通过水工模型试验，对巢湖枢纽的整体布置进行研究优化，分析了双向过流节制闸与船闸的平面布置应着重考虑的因素。

双向过流 平面布置 口门区 通航条件

1 巢湖枢纽概述

巢湖是我国五大淡水湖之一，巢湖闸枢纽工程位于巢湖市南郊司家巷坡附近，主要工程于二十世纪六十年代初期建成，由节制闸、船闸、引河及导流堤等组成，具有防洪、排洪、蓄水、引水灌溉及通航多种功能。巢湖闸引河上连巢湖，下接原裕溪河，基本呈直线布置，河轴线自北向南偏西约30°，2002年加固扩建后，河底宽100m。节制闸布置在引河的左侧，老节制闸共10孔，每孔净宽5m，底坎高程4.0m，为满足排洪要求，于2002年进行了扩建，扩建闸闸室为潜孔式，单孔净宽5.0m，共6孔，高7.5m，底坎高程4.0m，节制闸总设计流量1370m3/s。

老船闸位于引河的右侧，与节制闸平行布置，两闸中心距约128m，老船闸设计采用原苏联三级标准，闸室长195.0m，净宽15.00m，底坎高程3.5m。上下闸首均为钢筋混凝土结构。闸门均采用横拉门，齿条式启闭机。

根据现状地形地质条件，复线船闸建于老船闸右侧，下闸首位于拦河堤上，参与防洪。新、老船闸中心相距80m（以现有船闸下闸首部位算），闸纵轴线相对于现有船闸轴线向南偏3°。复线船闸纵向布置长度：上、下闸首30.5m（包括检修门槽）、闸室段230m，上下游导航墙各为60m。复线船闸航道等级为Ⅲ级，设计最大船舶吨级为1000t级，年设计通过能力6000万t。闸室尺度为230m×23m×4.5m（长× 宽×门槛水深）。

2 研究目标及内容

新建复线船闸后，巢湖闸将形成老节制闸、潜孔式新节制闸、老船闸和复线船闸共存的局面。巢湖闸具有正向和反向过流功能，船闸口门区的流速流态有可能随着节制闸过流流向的改变而恶化；且新老船闸间的距离很近，中间无分隔堤，船闸灌泄水时易相互影响。因此须对船闸引航道在各运行工况的流速流态进行细致研究，以使航道内的通航条件满足规范要求，为船队的安全行驶提供参考。航道口门区的水力学要求见表1。

表1 口门区水面最大流速限值

此次研究采用1∶80的正态模型进行，模型模拟范围为节制闸闸上约1.6km，闸下约1.2km，包括船闸的上下游航道口门区、新老节制闸、新老船闸等。

3 设计条件

巢湖复线船闸设计运行条件见表2、表3。

4 船闸口门区布置研究

根据巢湖闸设计条件进行各工况下航道口门区的水力条件研究。本文以巢湖侧为上游，裕溪河侧为下游。

试验发现，各工况在上游0-350～0-600和下游0+350～0+800范围内均出现大小、强度不一的回流区。巢湖侧航道口门区在最高通航水位、船闸正常高水位运行时有部分区域横向流速超过规范要求。裕溪河侧航道口门区在正向最大水级、船闸正常运行工况1、船闸正常运行工况2、船闸正常运行工况3时均有区域的横向流速超过规范要求。为改善船闸口门区通航条件，需对口门区隔堤的平面布置进行修改。下游右岸排涝沟的出流部分增加了远调码头处的回流流速，需对排涝沟的出口布置进行调整。

表2 巢湖复线船闸设计运行条件

表3 巢湖复线船闸整体布置研究工况

因各工况下航道口门区的横向流速超过规范要求的幅度均较小，故不对枢纽的整体布置作大幅改动，仅对上下游隔堤做适当修改。巢湖侧航道口门区的回流系主流遇到隔堤后，一小部分水流改变流向而形成，要改善此处流态，仅需对堤头型式进行优化即可。裕溪河侧航道口门区的回流是因主流向航道扩散形成，受河道地形所限，较难改变，所幸该处航道内横向流速超标不多，通过缩短导流堤，增加航道口门区断面的过流面积，对改善此处的通航条件有一定好处。下游水位较高时，排涝沟出流受河道高水位顶托，基本与裕溪河侧航道口门区的回流汇聚一起，恶化了口门区的流态，可通过在裕溪河与排涝沟间增设一道隔堤，对排涝沟出流的流向进行引导，可使排涝沟出流不致影响航道口门区流态。

修改后各工况下口门区最大表面流速分布见表4。

表4 修改方案各工况下航道口门处最大表面流速

修改后的枢纽布置较好地改善了口门区横向流速超标的问题，取得了预期效果。但引航道与河道间的隔堤易导致淤积，船闸运行过程中应加强监测，当淤积影响到通航水流条件时，应及时疏浚。

5 节制闸双向过流对航道口门区的影响

为研究节制闸双向过流对航道口门区的影响，选用正向最大级和反向最大级水位这两个最恶劣工况作为研究工况。正向最大水级工况流量为561m3/s，H上游口门区=9.5m，H下游口门区=6.43m；反向最大水级工况流量为709m3/s（其中有100m3/s为排涝沟流量），H上游口门区=7.7m，H下游口门区=11.0m。

巢湖侧、裕溪河侧航道口门区在正向最大级和反向最大级工况下的流态及流速分布见图1～4。

比较这两个工况上下游航道口门区的流态及流速分布可以发现：对于巢湖侧航道口门区，两工况的流速绝对值相差不大，其中正向最大水级略大于反向最大水级，回流范围基本一致。

对于裕溪河侧航道口门区，流速绝对值正向最大水级远大于反向最大水级，回流范围正向最大级略大于反向最大级。

图1 正向最大水级上游口门区流态及流速分布

图2 反向最大水级上游口门区流态及流速分布

图3 正向最大水级下游口门区流态及流速分布

图4 反向最大水级下游口门区流态及流速分布

造成这种差异的原因主要是正向和反向过流时的流量和水位不同，导致过流断面相差较大。对于流量的差别，巢湖枢纽的最大正向级和反向最大级相差148m3/s，虽然该差值达正向最大级流量的26.4%，但枢纽上下游航道口门附近最窄处河宽均约为220m，流量差值平均仅为0.67m3/m。且上下游航道口门处河道主流均不在航道侧，故巢湖节制闸正反向过流流量的差别对航道口门区流速流态的影响较小。

巢湖侧航道口门区正向最大级和反向最大级过流时，水位差为1.8m；裕溪河侧航道口门区正向最大级和反向最大级过流时，水位差为4.57m。从图1～4可以看出，裕溪河侧航道口门区在反向最大级时，流速分布更为均匀，流速值较正向最大级小约60%，而巢湖侧航道口门区的流速值却相差不大。由此可见，相似的流量，正向过流与反向过流时水位的巨大差别才是航道口门区通航条件的最大影响因素。

比较正常运行工况3和船闸反向水头运行这两个流量一致的工况还可以看出，节制闸正向运行和反向运行时，河道的主流通常不一致。当航道口门区在正反向过流时的水位差别不大时，河道主流的变化对航道口门区的流速流态影响更大。

因此，在进行具有双向过流功能的节制闸与船闸的整体平面布置时，要着重研究比较正向过流与反向过流时，航道口门区的水位差别，以及由此引起的水力条件改变，并以此作为控制性条件对枢纽的整体布置进行优化。

6 结论

（1）巢湖复线船闸引航道开挖曲线总体布置合理，上下游引航道内均未出现恶劣流态；上下游口门区的水流条件部分工况下不满足通航安全要求，通过对导流堤进行修改优化，能使该上下游口门区的水流条件满足规范要求。

（2）具有正向和反向过流功能的节制闸和船闸的平面布置优化研究，应将正反向过流时的水位差作为口门区水流条件研究的控制性条件。

（3）双向过流节制闸与船闸的平面布置还应考虑正反向过流时河道主流的改变对航道口门区流速流态的影响■