高良涧闸水工模型试验研究

(1.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022；2.江苏省分淮入沂整治工程建设管理局，江苏 扬州 225002；3.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223100)

高良涧闸位于洪泽县高良涧镇境内的洪泽湖大堤上，是灌溉总渠的渠首，为洪泽湖的控制工程之一。水闸建成于1952年7月，共16孔，每孔净宽4.20m，闸室总宽81.24m，闸顺水流方向总长173.06m，闸底高程7.50m，底板为混凝土平底板，采用消力池消能，闸门为平板直升钢闸门。闸墩、胸墙、工作桥为钢筋混凝土结构；岸墙及上游翼墙为圆弧型空箱式钢筋混凝土结构，上游翼墙圆弧半径为50.00m;下游翼墙为重力式浆砌块石结构，圆弧半径为40.00m。设计最高防洪水位16.00m。

1 背景介绍

高良涧进水闸工程建闸以来，闸下消能防冲设施共经历了三次加固。2012年，因工程运行已久，老化情况严重，在复核计算及运行中发现水闸存在以下问题：ⓐ设计水位组合工况下，计算消力池长度、底板厚度不能满足要求；ⓑ校核工况下，消力池深度不满足要求；ⓒ闸下水流流态较差，两侧出现回流，主流受到挤压摆动形成折冲水流，防冲槽及以下河床的冲刷严重，护坡多处出现淘空、坍塌。

2014年对高良涧闸实施加固，加固主要内容为：拆除重建消力池、护坦、防冲槽等。但高良涧闸下防冲设施经过多次加固，仍冲刷严重。为更好地解决现状水闸运行中存在的主要问题，验证消力池防冲消能设施初步设计方案的合理性和优化的可能性，对高良涧闸进行基于防冲槽下游局部动床模型试验研究，监测水闸防冲槽下游河床的冲刷特性，分析现状水闸和原初步设计方案存在的主要问题，提出优化方案，并通过模型试验验证优化方案的有效性和可行性。

2 模型布置与试验工况

试验模型按重力相似准则设计，兼顾阻力相似，模型几何比例尺为1∶40，水深比尺λH=40，流速比尺λV=400.5=6.32，流量比尺λQ=402.5=10119.29，糙率比尺λn=401/6=1.849，起动流速比尺λVc=λV=400.5=6.32。考虑上游引河弯道对水闸进流的影响及电站出流对下游引河的影响范围，模型的模拟范围上游引河模拟长度确定为500.00m，水闸下引河模拟长度确定为700.00m，宽度方向模拟至最高水位以上；模型上下游增加过渡段及必要的整流措施，以保证试验范围的水流条件相似。建筑物模型全部根据结构图用彩色有机玻璃精制，上下游引河河床高程采用断面板法进行控制，并用水泥砂浆抹面(试验的五种特征工况情况见表1)。下游水位以0+181.39m处的测点水位进行控制。

表1 试验工况

3 现状试验结果

水闸现状共进行了CX-2、CX-3、CX-5三种特征工况下的试验，其试验结果如下：

3.1 上游引河

各种试验工况下水闸上游引河的水流流态基本相近，闸前来流平顺，无不良的水流流态，上游引河弯道对水流流态及流速分布的影响较小。

3.2 消力池

两边孔出闸水流在消力池内没有形成水跃，主流位于水体表面并斜向越过消力池尾坎，消力池两侧形成强烈的回流，回流区对出闸水流的挤压作用明显，消力池尾坎处的主流宽度约为40.00m。

3.3 下游河道

刚出消力池的水流主流基本位于河道中部，之后沿程主流不稳定且左右摆动，总体上主流随机性地偏于河道一侧，偏于河道左侧的概率较大。下游河道主流的两侧均产生较大的回流，主流所偏向侧回流长度较短，回流流速较大，而另一侧回流区较长，回流流速较小。河道流速分布不均匀，防冲槽末端断面的最大垂线平均流速分别为3.75m/s、3.84m/s和2.85m/s。

3.4 上游引河来流均匀性对闸下水流流态的影响

水闸上游地形较为复杂，上游来流具有一定的不确定性。针对水位组合工况人为改变上游引河左右侧不同流速分布的方法，进行了上游引河来流均匀性的试验，监测结果表明，由于现状运行工况下水闸均需闸控出流，即使上游引河存在不均匀来流，但经闸孔调整后对闸下的水流流态无显著的影响。

4 原初步设计方案试验结果

原初步设计方案：拆除重建消力池，新建消力池总长30.00m，池底高程5.00m，其中前端高程7.50m平段长2.00m，厚1.50m；高程7.50～5.00m，按1∶4坡连接，长10.00m，厚1.50～1.20m；高程5.00m平段长16.50m，厚1.20～0.70m；消力池尾坎宽1.50m，顶高程6.50m；消力池后采用直径60cm钢筋混凝土灌注排桩围护，桩长10.00m。水闸原初步设计方案共进行了五种特征工况下的试验，其试验结果如下：

4.1 流速流态

4.1.1 消力池

两边孔出闸水流在消力池内没有形成水跃，水流主流位于水体表面，并斜向越过消力池尾坎，消力池两侧仍然形成回流区，但回流区的强度和范围要比未加固前明显减小。回流区对出闸水流有挤压作用，消力池尾坎处的主流宽度约为51.00m，水流流态有一定程度的改善。出消力池的水流出现一定的跌落现象，跌落区长度约10.00m，而池长略显不足；中间10个闸孔的出闸水流均能在消力池内形成较完整的水跃，水跃的跃首均位于闸后的出流平台上。

4.1.2 下游河道

出消力池的水流主流基本位于河道中部，之后沿程主流不稳定而左右摆动，总体上主流随机性地偏于河道一侧，主流的两侧均产生较大的回流，主流所偏向侧回流长度较短，而回流流速较大，另一侧则回流区较长，回流流速较小。与现状相比，下游河道流态及流速分布较现状方案有明显改善，河道左侧回流消失，右侧回流区范围变小，回流区的强度和范围均比现状有明显减小，最大流速和回流流速都相应减小。

4.2 闸门开启运行方案试验

高良涧水闸的出流受消力池两侧平台的影响，闸下出现回流以及主流不稳定等不良的水流流态，增加了闸下消能防冲的难度。闸门开启运行方案试验通过观察闸孔不同的开启运行方式对闸下水流流态的影响，尝试通过闸孔不同开启运行方式改善闸下水流流态的可能性。试验基于工况CX-3进行，分别进行开大两边孔闸门开度和关闭两边孔的试验。试验结果表明，开大两侧边孔闸门开度对于改善闸下的水流流态和均化闸下的流速分布有一定的作用，但由于高良涧闸下河道并不是完全对称结构，开大两侧闸孔的闸门开度不能完全消除闸下回流。而关闭两侧边孔(只开启中间14孔)对改善闸下水流流态不明显(两种典型开启方式闸下D01和D02断面各测点垂线平均流速见表2)。

表2 两种典型开启方式闸下D01和D02断面各测点垂线平均流速 单位：m/s

注开启方式一：两边孔开启高度2.16m，中间14孔均匀开启高度1.44m。

开启方式二：两边孔关闭，中间14孔均匀开启高度1.96m。

4.3 闸下冲淤试验

闸下冲淤试验在局部动床模型中进行，综合考虑定床模型闸下水流垂向平均流速的大小以及水深等因素，基于CX-1和CX-5两种工况下进行。试验监测结果表明，CX-1工况虽然闸下水深较大，但是流速也比较大，对闸下河床的冲刷较为严重，防冲槽后河床冲坑最深点高程为-3.50m且冲刷范围较大；而CX-5工况虽然闸下水深比较浅，但流速较小，对闸下的冲刷较轻，防冲槽后河床冲坑最深点高程约2.94m，且冲刷的范围也不大。

4.4 原初步设计方案试验与现状试验比较

与现状相比，原初步设计方案对闸下水流流态有一定程度改善，消力池两侧回流区强度和范围均比现状有明显减小，消力池后河道的流速分布也有一定程度改善，尤其在小流量时更为明显。出闸水流经过海漫段后得到了比较充分的调整，防冲槽末端的垂线流速(见表3)分布接近河流的正常垂线流速分布，因此，海漫段长度的设计合理。但是受消力池两边孔平台的影响，闸下仍然出现偏流、回流及主流摆动等不良的水流流态，需进一步优化闸下消能防冲设施。

表3 原初步设计方案防冲槽末端断面最大流速与现状比较

5 修改方案试验结果

修改方案的确定试验工况与原初步设计方案试验相同，共进行了五种特征工况下的试验。

5.1 增设导流墩

原初步设计方案中，闸下仍出现偏流、回流以及主流摆动等不良的水流流态。为改善消力池两边孔平台的影响，进一步改善闸下水流流态，基于水流流态以及体型结构等因素考虑，在下游两侧各增加一处导流墩，分别对应两侧第一个中墩，墩顶高程9.00m，墩宽与闸墩同宽80cm，长12.40m。

增设导流墩后，在各种特征工况下，消力池内无水流集中和回流现象；水流出池后河道流速分布较为均匀，两侧均无回流，闸下水流的主流稳定。增设导流墩后水流流态大为改善，水流波动也较原初步设计方案更加平稳。

5.2 消力池体形修改

为减小闸下河床的冲刷，对消力池体形进行修改。修改后消力池长度由30.00m加长至33.50m，较除险加固方案延长3.50m；尾坎顶高程由6.50m增加至7.40m，尾坎宽度由1.50m调整为1.00m；取消尾坎后的直径60cm钢筋混凝土灌注排桩围护，改为在消力池后增设10.00m宽钢筋混凝土护坦。

修改后，与原初步设计方案相比，下游河道最大垂线平均流速明显减小，出闸水流经过海漫段后得到了比较充分的调整，防冲槽末端的垂线流速分布接近河流的正常垂线流速分布。河床冲坑深度较原初步设计方案明显较小(实测结果及比较见表4)。消力池体形修改后有效减轻了防冲槽和下游河床的冲刷现象。

表4 修改方案与原初设方案主要水力参数比较

注冲坑深度以防冲槽末端5.00m高程为基准。

6 结 语

通过模型试验模拟了高良涧闸下的水流运动规律，研究了现状闸下消能防冲设施存在的主要水力学问题，验证了原设计方案的可行性，针对发现的问题，提出了进一步改善水流流态和减小河床冲刷的可行方案和具体措施，弥补了设计不足。该成果已被应用于高良涧闸除险加固工程中，可为类似工程的设计和建设提供可借鉴的经验。