基于水工模型试验的城东湖闸加固工程闸门控制运用分析

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 工程概况

城东湖位于安徽省霍邱境内，是淮河南岸支流汲河下游的天然湖泊，也是淮河中游的蓄洪洼地。汲河流域面积为2170km2，城东湖在设计洪水位25.40m时，湖面面积为384km2，库容为15.9 亿m3，蓄洪区人口13.21 万。城东湖蓄洪区是淮河干流防洪体系的重要组成部分，城东湖闸建成后分别于1954年、1956年、1968年、1975年、1991年、2003年 等6次滞蓄淮干洪水，有效削减淮河干流洪峰，降低干流水位，减轻下游的防洪压力[1]。

城东湖闸枢纽是淮河中游重要的蓄洪控制工程，为Ⅱ等大（2）型工程，距下游正阳关16km，距霍邱县城22km，S310 省道从闸上通过。随着一系列治淮工程陆续完工，城东湖闸运行的水文条件发生了较大变化，逐渐暴露出了水闸过流能力低于设计要求、闸室抗滑稳定安全系数和地基应力不均匀系数不满足规范要求、进退洪双向消能防冲海漫长度及冲刷坑深度不满足规范要求等问题，加之建筑物自身逐渐老化，需对其进行加固扩建。

加固方案拟对老闸进行维修加固，扩建5 孔新闸，并对淮河侧长约3.0km 引河进行疏浚等：新闸闸址位于老闸西侧，顺水流向中心线与老闸平行，亦采用闸桥结合布置型式，共5 孔，其中中孔为通航孔。扩建后枢纽包含老闸、新闸、通航孔、分流岛，受边界条件的复杂变化影响，水闸出水流速不均匀性增加，出水流态较原单一老闸更为复杂。为保障枢纽运行安全，须对城东湖闸闸门进行规范开启，本文结合水工模型对城东湖闸新、老闸门开启顺序及闸门开度优化试验[2-4]，分析闸门控制运用方案。

2 水工模型试验

2.1 模型范围

为满足上、下游、左、右岸水流流态的相似性，模型模拟范围淮河测取1200m，城东湖测取900m，横向以新老闸分流岛为中心，两侧各取550m。

模型顺水流方向总长约26m，最大宽度约25m，模型面积450m2，整体模型平面布置详见图 1。

2.2 模型比尺及糙率处理

根据试验任务及《水工（常规）模型试验规程》（SL155/2012）相似准则规定，模型必须保持与建筑物原型几何相似、水流运动相似和动力相似。本试验主要作用力为重力，故模型采用正态模型，遵循重力相似准则，即模型与原型佛劳德数相等；同时满足阻力相似要求。模型几何比尺采用1 ∶80。

原型主槽糙率n主=0.0225，滩地糙率n滩=0.035；相应模型主槽糙率n模主=0.011，滩地糙率n模滩=0.012。水泥抹面糙率为n=0.01～0.011，满足主槽糙率相似要求。滩地经试验选用块石梅花加糙，块石经筛分，平均粒径d=0.02m，间距L=0.03m 梅花形排列，根据唐存本糙率计算公式，当d=0.02m，L=0.03m时，糙率为0.035，可满足滩地阻力相似要求。

图1 城东湖闸枢纽模型布置图

表1 正向进洪闸门控制运用实测值表（H城东湖=20.5m）

2.3 测流断面及水位控制点布置

以枢纽轴线为桩号0+000，沿枢纽老闸中心线直线长度值作为断面桩号。淮河侧为0-XXX，城东湖侧为0+XXX。文中左、右岸或左、右侧均对应于正向水流方向（淮河→城东湖方向）划分，以下同。

（1）在老闸淮河侧的0-100m、0-150m、0-200m、0-250m 处分别布置水位测站；在老闸城东湖侧的0+150m、0+200m、0+250m、0+300m 处分别布置水位测站，总共8 个。用来测量淮河侧、城东湖侧水位。

（2）在新闸淮河侧0-150m 和0-200m 处分别布置水位测站；在新闸城东湖侧的0+150m 和0+200m处分别布置水位测站；总共4 个。

（3）在淮河侧航道的0-310m、0-120m、0-60m和消力池尾坎0-29m 处，城东湖侧的消力池尾坎0+47m、海漫0+80m、防冲槽末端0+125m 和航道0+175m 处各布置4 个测流断面，共8 个。

3 成果与分析

3.1 闸门开启顺序

当淮河侧水位较高、城东湖侧水位较低、水位落差较大时，为保证闸室安全、稳定运行，初始阶段闸门开度不宜过大，且可以先行开启部分闸孔[5]。经过多组试验模拟，反复观测流速流态，按从东向西（老闸→新闸 ）编号，正向宜采用分级开启，即第一档开启第1、3、5、6、通航孔、10 孔，第二档开启第2、4、7、9 孔。

当城东湖侧水位低于20.5m时，老闸开度宜从0.5m、1.0m逐渐开启至需要的开度；新闸由于出流流态较差，开度宜从0.2m、0.4m、0.6m 逐渐开启至需要的开度。

3.2 闸门开启高度

当淮河侧水位26.5m，城东湖侧水位20.5m、21.5m 或22.0m 时，上下游水位落差较大。由于新、老闸之间被分流岛隔开（分流岛高程22.0m），新闸、老闸、通航孔三处出流相互影响，流态较为复杂，沿闸宽方向流速分布不均匀；尤其是通航孔的设置导致新闸左、右侧各两孔出闸水流均产生不对称扩散，在通航孔闸室两侧形成较强的回流。

对这3 种淮河侧、城东湖侧水位组合工况进行了不同闸门开度组合的对比试验，试验成果见表1。结果表明，当所有闸门开度相同时，如工况1 和工况5，由于通航孔闸室的影响，新闸通航孔左、右侧的两孔出闸水流均产生不对称扩散，在通航孔闸室两侧形成较强的回流。

为消除或减弱工况1 和工况5 不良流态，采用适当加大老闸闸门开度、适当减小新闸闸门开度、关闭通航孔的闸门控制方式，优化成工况6。模型试验显示可有效消除或减缓新闸闸下（城东湖侧）水流不对称扩散影响，消除或减缓回流产生，达到闸下流态较为稳定，流速较为均匀的良好运行状态。

4 结论

（1）通过控制闸门开启顺序和开度，可有效消除或减缓新闸闸下（城东湖侧）水流不对称扩散影响，消除或减缓回流产生，可达到闸下流态良好，流速较为均匀的良好运行状态。

（2）闸门分级开启顺序：第一档开启第1、3、5、6、通航孔、10 孔，第二档开启第2、4、7、9 孔。

（3）闸门开度：当城东湖侧水位低于20.5m 时，老闸开度宜从0.5m、1.0m 逐渐开启至需要的开度；新闸由于出流流态较老闸差，开度宜从0.2m、0.4m、0.6m 逐渐开启至需要的开度■