浅析阜宁腰闸拆除重建后的闸位确定

顾 青 予 匀 滕兆明 徐海峰

（1.江苏省淮河入海水道工程管理处 淮安 223200 2.江苏省灌溉总渠管理处 淮安 223200 3.昆山市淀山湖防洪工程管理处 苏州 215345 4.南京市水利规划设计院股份有限公司南京 210000）

阜宁腰闸位于江苏省盐城市阜宁县陈集镇境内，是灌溉总渠第三级控制建筑物，主要功能为调节上下游水位、缓减渠北涝情，兼具保证通航、发电等功能。阜宁腰闸已建成使用60 多年，虽历经多次加固，但仍存在较大安全隐患。2017年2月，江苏省水利厅组织召开了阜宁腰闸安全鉴定会议，综合评定阜宁腰闸安全类别为四类[1]。

为恢复阜宁腰闸工程效益，解决目前存在的防渗体系老化、安全度不足、地基基础差等问题，需对工程进行拆除重建。工程的拆除重建首先需要确定拆建后的具体位置，对于水闸工程而言则需要合理确定其闸址位置和中心线。在确定闸位过程中，需进行合理论证，力求充分发挥工程效益、减少不利影响。

1 闸址位置确定

拆建工程的选址通常有两种选择：原址拆建和新址重建。综合考虑阜宁腰闸周边社会、交通、水情等因素，同时结合相关规范要求，经综合分析，原址拆建相较于新址重建更为有利，其优势包括：（1）原闸址处位于灌溉总渠扩大段中部，水流条件相对较好，且原闸址位置满足相关规范中“节制闸上下游河道直线段长度不宜小于5 倍水闸进口处水面宽度”的要求[2]；（2）原闸址与现有交通衔接顺畅，周边交通格局已经形成；（3）原址拆建有利于维持闸区内现有布局，有利于生态环境保护和水利风景建设；（4）原址拆建可减少占地征迁，降低工程投资；（5）原址拆建将不会影响现有河道型式，减少配套工程的重建工程量，降低工程投资。

因此，在本次拆除重建中，阜宁腰闸将选用原址拆建，拆建后的闸址与原闸址保持一致。

2 中心线位置确定

2.1 三种布局方案

在确定阜宁腰闸拆除重建后的闸址位置后，还需确定其水闸中心线，方能确定拆除重建后的工程具体位置。对于阜宁腰闸而言，考虑到管理单位的实际情况，加之阜宁腰闸小水电站在2019年度长江经济带小水电清理整治中被定性为“保留类”工程[3]，因此在确定拆除重建后的水闸中心线时，还需要考虑到小水电工程对水闸中心线选取的影响。在全面结合水闸、小水电站尺寸以及所处河道的实际状况后，拆除重建后的阜宁腰闸水闸中心线位置有如下三种布置方案[4]：

（1）翼墙中心线与河道中心线一致，小水电南置

在本方案中，翼墙中心线（即阜宁腰闸和腰闸小水电站的整体中心线，下同）与河道中心线一致，水闸闸室中心线距离河道中心线9.8m，小水电站位于水闸的南侧。

（2）闸室中心线与河道中心线一致，小水电北置

在本方案中，水闸闸室中心线与河道中心线一致，翼墙中心线距离河道中心线9.8m，小水电站位于水闸的北侧。

（3）闸室中心线与河道中心线一致，小水电对称布置

在本方案中，翼墙中心线与水闸闸室中心线重合，同时与河道中心线一致，小水电站对称布置于水闸两侧。

2.2 利用CFD 理论分析三种布局方案

根据计算流体动力学（CFD）的基本理论，可以把时间域及空间域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点的场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的微观流体的基本物理量分布，以及这些物理量随时间的变化规律，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。

在阜宁腰闸中心线三种布置方案的分析中，可将过闸水流看作不可压缩的流体，对于需进行分析的流体而言，通过场内某一个固定过流断面，其流入的流体质量和流出的流体质量相等，其数学表达式为：

此外，过闸水流流动还符合动量守恒定律，即纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），简称N-S 方程，其数学表达式为：

将上述两式带入化简后可得：

式中各字母代表的含义为：

ρ—流体密度；

t—时间；

ui（i=x,y,z）—速度沿i 方向的分量；

fi（i=x,y,z）—沿i 方向的质量力；

P—压力；

μ—流体的运动粘性系数。

对于不可压缩的液体，有ρ=constant 的特性，进一步分析可得ρf=-▽（ρgh），由此分析可得：

对于阜宁腰闸过闸水流流态及流速分布数值模拟计算采用有限体积法，这种方法具有守恒性，可以进行更加灵活的假设，对网格的适应性很好，能够较好地解决复杂的工程问题，在进行流固耦合分析时能够完美地和有限元法融合。

根据数值模拟计算，方案1 的模拟结果如图1所示，从云图可以看出：南侧靠近小水电的闸孔处有回流，闸下游存在一个较大回流区，河道主流方向在防冲槽末端与河道中心线成一定较小角度；过闸水流有两股主流，水流在防冲槽末端的最大速度为1.988m/s，离河道中心线最大偏心距离超过20m，不均匀系数为1.861。

方案2 的模拟结果如图2所示，从云图可以看出：南侧闸孔有回流，下游存在一个较大回流区，河道主流方向在防冲槽末端与河道中心线成一定较小角度；过闸水流有三股主流，水流在防冲槽末端最大速度1.803m/s，离河道中心线最大偏心距离超过10m，不均匀系数为1.639。

方案3 的模拟结果如图3所示，从云图可以看出：两侧小水电边闸孔有回流，河道主流方向在防冲槽末端与河道中心线基本平行；过闸水流有两股主流，水流在防冲槽末端最大速度1.948m/s，不均匀系数1.813。

综合上述三种布置方案模拟结果可以看出：三种方案的过闸水流流态均较良好，均未出现高速回旋水流继而影响水流过闸流态或者压缩主流。但相较于方案1，方案2、方案3 均存在一些不足之处：方案2 中小水电距离总渠北侧堤防较近，施工时会开挖到现有堤防，产生拆迁；方案3 中虽然小水电对称布置流态最佳，但采用分离式布置会产生侧向水土压力较大的问题，较易导致侧向抗滑稳定不足、应力集中、底板沉降大等问题，并且小水电分开布置也不利于运行管理。

图1 布置方案1 的流态分布图

图2 布置方案2 的流态分布图

图3 布置方案3 的流态分布图

对于方案1，总体结构布置合理，过闸流态良好，征迁量相对较小，小水电紧邻管理所，方便建成后的运行管理，因此河道内垂直水流方向的布局方案将采用小水电南置的方案。

综合上述分析可以最终确定阜宁腰闸的拆除后的闸位，即水闸闸址仍选用原闸闸址，水闸中心线距离河道中心线9.8m，工程整体中心线与河道中心线一致。

3 结语

具体闸位的确定是水闸工程的拆除重建工作的第一步，闸位的确定通常需要通过水闸闸址位置和中心线的确定来实现，需要综合多方面因素，对所拟定的方案进行科学地比选、分析，才能合理地确定，从而强化工程效益，降低不利影响■