引江济淮航道大型跌水案例设计分析

王丽军

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 工程背景

引江济淮工程由长江下游引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。引江流量300m3/s，入淮流量280m3/s。输水干线长723km，自南向北可划分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大工程段落。

引江济巢段菜子湖输水线路自枞阳引江枢纽，经菜子湖调蓄后，由南向北穿越地势较低的丘陵区鞍部，至白石天河入巢湖，线路全长113.18km。菜子湖线输水渠道挖宽挖深后，现有水系被打断破坏，为使现有水系平顺汇入本工程输水渠道，需要新建一批跌水建筑物。跌水与输水主河道渠存在不同的跌差及交角，水流的跌落势必对交汇处的水流流态产生不利影响，对渠道通航影响较大，需要控制跌水汇流口的入渠横向流速，保障航运安全。根据引江济淮工程初步设计审查意见，引江济淮工程主渠道通航横向流速控制条件为：航道最高通航水位遇20年一遇洪水（泄流工况），横向流速不大于0.3m/s（通航水域边线，垂直航道中心线）；航道最低控制水位遇5年一遇洪水（消能条件一），横向流速不大于0.15m/s。

2 跌水概况

尹河跌水为引江济淮工程引江济巢段菜子湖线典型跌水之一，工程位于菜子湖输水线路桩号F54+000处左岸边坡上（航道右岸边坡为夏庄跌水），汇水面积222.0km2。规划5年一遇设计流量为368m3/s，对应上游支流水位13.15m，下游航道水位7.99m，相应主渠道的流量为135m3/s，支流汇入流量大于主渠来流流量，其汇流比为2.73。规划20年一遇设计流量为989m3/s，对应上游支流水位15.69m，下游航道水位15.18m，相应主渠道的来流量为1325m3/s，其汇流比为0.75。支流汇流流量大，容易在汇流口引起较大的横向流速，特别是在主渠来流量相对较小，汇流比大的情况下，汇流口出现横向流速偏大的问题将会更加突出。此外，在尹河跌水汇流口对岸有夏庄跌水汇入，这种两座跌水隔岸相对的布置局面使得汇流口区域的水流条件更加复杂。

3 跌水布置

尹河跌水原设计依次由引渠、进口连接段、消力池、出口连接整流段等组成，跌差6.23m，跌水纵轴线与航道中心线交角51°。

利用现有河道适当扩挖作为引渠，引渠底宽为98.0m，渠底高程为10.50m，渠顶高程为15.80m，对引渠末端30m渠道的底及边坡采用C25素混凝土进行防护。在跌水上游130m处设置一道壅水坝，坝高1.0m。进口连接段长20m，底板顶高程10.5m，净宽98m，两岸为钢筋混凝土扶壁式挡墙。后接消力池长为20.8m，池底高程为3.00m，池深为1.5m，两岸为钢筋混凝土空箱挡墙。在消力池内设有“T”型消能墩，“T”型墩起始断面至跌坎的距离为11.8m，消能墩后接矩形截面消能齿墩。消力池后接40m长钢筋混凝土海漫及10m长抛石防冲槽，槽深2.0m，顶高程与航道一致为4.27m，两岸为1∶3混凝土预制块边坡，设圆弧段并与航道边坡衔接。海漫上部设交通桥，有5组桥墩位于海漫内。

4 模型试验成果

4.1 试验目的

尹河跌水和夏庄跌水工程的整体水工模型选择5年一遇洪水和20年一遇洪水的通航设计为代表工况，主要试验研究内容包括：

（1）观察代表工况条件下跌水消力池的水流流态和消能效果。

（2）观察汇流口的水流流态。

（3）测量汇流口影响范围内通航区域的流速分布，分析汇流对通航水流条件的影响。

（4）针对影响通航安全的水流条件提出优化改进措施，改善通航运行条件。

4.2 试验工况

尹河跌水工程的整体水工模型的试验工况共有5年一遇洪水设计通航和20年一遇洪水设计通航两种工况：

（1）5年一遇洪水设计通航工况：尹河跌水的支流流量为368m3/s，主干渠的流量为135m3/s，主干渠汇流口下游的通航水位为7.99m（相应于最低通航水位）。

（2）20年一遇洪水设计通航工况：尹河跌水的支流流量为989m3/s，主干渠的流量为1325m3/s，主干渠汇流口下游的通航水位为15.18m（相应于最高通航水位）。

4.3 试验成果

水工模型试验通过对原设计体型在内共计8种方案进行的试验，最终取得满足航运要求的结构布置。4.3.1设计体型

5年一遇设计工况下尹河跌水汇流口航道边界横向流速均大于0.15m/s，最大横向流速为0.38m/s，不能满足通航横向流速小于0.15m/s的通航要求。20年一遇设计工况尹河跌水汇流口区域航道边界的水流横向流速均大于0.30m/s，最大横向流速达0.51m/s，也不能满足通航横向流速小于0.30m/s的要求。4.3.2优化体型

根据对原设计体型分析，其结构布置不能满足航运要求，模型通过不断优化布置，分别对原布置进行了7种方案试验并最后取得满足航运要求的结构布置。

尹河跌水汇流口的优化体型均在前一次的体型的基础上继续深化。最终确定体型优化内容：在20年一遇航道边界的通航区域外设置了7道导流墙，使汇流口水流分布较均匀。将跌水下游右岸边坡进行了调整，即将边坡向外（岸侧）进行了扩展，底部半径由180m调整为609.1m，边坡由1∶3修改为1∶2.5，上下游端则与原边坡进行平滑过渡连接，如此修改既不会影响尹河入流与主渠水流的平顺衔接，同时适当扩展了尹河汇流口的宽度，增大了弯道段的过流断面，降低汇流口右岸的岸边流速，有利于支流平顺汇入主渠。

跌水出口确定的体型出口横向流速5年一遇洪水条件下，主干渠为最低通航水位组合工况下汇流区附近航道内各断面的横向流速基本控制在0.15m/s以内，在弯道末端航道边界上个别测点的横向流速略大于0.15m/s，但实测流速仍小于0.2m/s，且周围其余测点的横向流速都不大于0.15m/s，说明横向流速的超标范围小，这种小范围横向流速约大于0.15m/s的水流条件，不致影响船舶的安全航行。在支流发生20年一遇洪水，主干渠为最高通航水位的情况下，航道水域的横向流速个别测点的横向流速约大于0.30m/s以外（实测横向流速为0.31m/s），航道区域内的其他部位水流的横向流速都不大于0.30m/s。这种小范围横向流速大于0.3m/s的水流条件，不致影响船舶的安全航行。5年一遇和20年一遇洪水横向流速分布图见图1、图2。

图1 5年一遇洪水横向流速分布图

图2 20年一遇洪水横向流速分布图

5 优化设计

根据模型试验成果，跌水平面布置上对跌水下游右岸边坡进行了调整，将边坡向外进行了扩展，底部半径调整为60.91m，边坡修改为1∶2.5，上下游端则与原边坡进行平滑过渡连接，在靠近航道边缘侧增设导流消能墩，改善水流形态，确保航向流速在可控范围内，保障航运安全。

6 关键点分析

引渠尽量足够长，宽度与进口连接段一致或缓慢渐变至进口连接段宽度，使水流尽量平顺地进入进口连接段。

跌水向支流方向后退布置（远离主航道），使跌水出流汇流口远离主航道。在条件 （与上游支流衔接、工程占地，工程投资等）允许情况下，尽可能加大跌水净宽布置。

在不影响上游进水水流条件的情况下，跌水纵轴线与航道交角越小越好。在满足跌水出口边坡与上下游输水渠道边坡平顺衔接的基础上，尽量加大跌水汇流口的设计宽度。

消力池首端顶部设通气管，以改善水流条件，通气管管底高程要高于下游水位。

汇流比较大的跌水，应在出口连接段设置导流墩，以降低横向流速对航运的影响。

在跌水汇流口段及上下游范围内设置航标，提醒通行船只注意跌水汇流口区域横流影响，切勿偏离航线驶入跌水汇流口。

7 结语

跌水作为渠化航道两岸支流汇水渠系建筑物，不仅起到排洪泄水作用，也关系到支流来水对航运安全的影响。合理的跌水结构布置，不仅能保障排洪、泄水和安全通航，还能节约土地、节省工程投资。本文通过模型试验多次方案调整得到满足航运的工程布置并指导工程优化设计，总结出渠化航道两岸跌水工程设计控制关键点，可为其他类似工程设计提供参考借鉴