李駿峰

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

合肥市現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，隨著合肥市經(jīng)濟(jì)體量的增加，未來(lái)防洪標(biāo)準(zhǔn)將提升到200年一遇。隨著近些年來(lái)極端天氣頻發(fā)，合肥市的防洪工程經(jīng)受著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2020年7月19日，南淝河發(fā)生了約50年一遇洪水，南淝河市區(qū)段洪水位超百年一遇，情況異常危急，同一天，為保障合肥主城區(qū)防洪安全，合肥市果斷啟用十八聯(lián)圩濕地蓄洪以削減南淝河洪峰流量，大大緩解了南淝河上游城區(qū)的防洪壓力。十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘軸線垂直于南淝河河道，當(dāng)閘口退洪時(shí)，退洪水流與河道水流正交產(chǎn)生一定范圍的回流區(qū)，從而導(dǎo)致船體舵效降低，姿態(tài)不穩(wěn)，甚至可能造成行船事故的發(fā)生。為了南淝河航道的通行安全，有必要對(duì)退洪時(shí)閘身一定范圍內(nèi)河道流態(tài)展開(kāi)研究[1-2]。

1 工程概況

十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘位于南淝河左堤沙河口下游約200m處，堤后堤腳處地面高程在10.0m左右，堤腳以后約50m為穩(wěn)定塘，塘高程為6.0m左右。閘址處堤頂高程約14.0m，寬約8.0m，閘址上下游河道順直，堤外灘地寬約120m，高程3.5～9.5m。進(jìn)(退)洪閘共5孔，單孔寬8.0m，底坎高程7.2m，總凈寬40m。水閘進(jìn)退洪采用垂直河流方向，根據(jù)規(guī)劃要求，十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘主要任務(wù)為削減南淝河洪峰流量，其次為分蓄巢湖洪水，樞紐總體布置如圖1所示。

圖1 樞紐總體布置圖

2 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計(jì)

為保證十八連圩進(jìn)退洪閘上下游水流與原型相似，整體模型模擬范圍包括南淝河沙河口上游約730m、下游約480m的河道、沙河河口上游長(zhǎng)約600m河道以及圩區(qū)閘下約600m內(nèi)區(qū)域。模型范圍內(nèi)包含十八連圩進(jìn)退洪閘各部分主要建筑物。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地具體情況，取整體水工模型比尺為1∶50，模型比尺參數(shù)見(jiàn)表1[3-7]，經(jīng)驗(yàn)算，模型滿足規(guī)范要求的下述條件：

(1)模型水流進(jìn)入阻力平方區(qū)；

(2)模型糙率能達(dá)到與原型基本相似；

(3)當(dāng)模型出現(xiàn)表面波時(shí)，模型表面流速大于23cm/s，水深在3cm以上；

(4)模型為正態(tài)模型。

模型制作主要內(nèi)容包括：模型地形制作、建筑物模型制作與安裝、邊墻、量水堰及前池砌筑尾門及制作與安裝、人行臺(tái)階砌筑及便橋等制作與安裝、模型試水與修正等。

2.2 水位測(cè)點(diǎn)及測(cè)流斷面

為進(jìn)行水位及斷面流速檢測(cè)，模型布設(shè)若干水位測(cè)點(diǎn)及流速測(cè)量斷面。考慮到描述方便，整體模型設(shè)定為：十八連圩進(jìn)退洪閘閘軸線所在斷面樁號(hào)W0+000，相應(yīng)閘上人工地形及閘下圩區(qū)斷面1樁號(hào)分別為W0-XXX、W0+XXX；南淝河于沙河口處斷面樁號(hào)為Q0+XXX，相應(yīng)其上下游南淝河斷面樁號(hào)分別為Q0-XXX、Q0+XXX；斷面樁號(hào)數(shù)值為任一斷面與0+000斷面線之間間距，單位為m，用于檢測(cè)水閘上下游各處水位。將測(cè)點(diǎn)(W0+150)和(W0-100))分別作為水閘下游圩區(qū)及上游河道水位控制點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，所選取的測(cè)點(diǎn)位置能準(zhǔn)確反應(yīng)水閘上下游水位及水位落差。為觀測(cè)水閘上下游流速分布，我們?cè)O(shè)置5個(gè)流速測(cè)量斷面，各流速觀測(cè)斷面垂直于所在河中心線或閘軸線。每條流速測(cè)量斷面上施測(cè)點(diǎn)垂線間距取5m，各水位測(cè)點(diǎn)樁號(hào)及位置詳見(jiàn)表2，斷面位置詳如圖2所示。

表2 十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘整體水工模型水位測(cè)點(diǎn)布置

圖2 水位測(cè)點(diǎn)樁號(hào)斷面位置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)量測(cè)儀器及實(shí)驗(yàn)方法

整體水工模型采用水位測(cè)針量測(cè)和控制水閘，上、下游沿程水位；采用平板薄壁堰或直角三角堰檢測(cè)各處來(lái)流或退水流量；采用旋槳流速儀或三維流速儀(用于南淝河斷面橫向流速)測(cè)量斷面流速。

模型試驗(yàn)流量、流速、水位等檢測(cè)采用的主要儀器誤差如下：量水堰；測(cè)量誤差小于1%；流速儀：率定測(cè)點(diǎn)不少于15個(gè)，75%的測(cè)點(diǎn)偏差不超過(guò)2%～3%；水位測(cè)針：測(cè)針測(cè)量精度0.1mm，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，均滿足試驗(yàn)精度要求。

2.4 方案研究

針對(duì)退洪我們分別考慮了3種工況，并不斷降低各退洪工況的退洪流量，直至閘下附近區(qū)域南淝河航道的橫向流速、回流流速等滿足規(guī)范要求，以尋找水閘設(shè)計(jì)退洪工況、惡劣退洪工況及最高通航水位退洪工況時(shí)的安全泄量。退洪工況河道上游來(lái)水流量為南淝河200年汛期實(shí)測(cè)流量組合沙河2年一遇流量。組次1、2、3為3組不同泄量的設(shè)計(jì)反向退洪工況，上下游水位分別為12.75、11.6m，組次1控制閘門開(kāi)度為1.71m實(shí)測(cè)過(guò)閘流量，組次2、3分別控制退洪流量為150、130m3/s，尋找相應(yīng)的閘門開(kāi)度。組次4為惡劣退洪工況，上下游水位分別為13.36、10.5m，控制退洪流量為120m3/s，尋找相應(yīng)的閘門開(kāi)度。組次5為最高通航水位退洪工況，上下游水位分別為13.36、12.8m，控制退洪流量為130m3/s，尋找相應(yīng)的閘門開(kāi)度[8-10]，各工況實(shí)驗(yàn)組次及控制條件詳見(jiàn)表3。

表3 十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘整體水工模型各工況實(shí)驗(yàn)組次及控制條件表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)三維流速儀測(cè)量南淝河特征斷面結(jié)果，計(jì)算流速與航道中心線夾角及橫向、縱向流速分量。航道中心線左、右2側(cè)90m范圍內(nèi)為有效通航區(qū)域。組次1、2、3、4、5等5組退洪工況南淝河航道各特征斷面總流速及橫向流速值計(jì)算表見(jiàn)表4。組次1退洪流量246.6m3/s設(shè)計(jì)退洪工況橫向流速超標(biāo)區(qū)域位于Q0+300斷面航道中心線左側(cè)40m～右側(cè)10m區(qū)間，一般超0.00～0.17m/s，流態(tài)如圖3所示。組次2退洪流量150m3/s設(shè)計(jì)退洪工況橫向流速超標(biāo)區(qū)域位于閘下100m處W0-100出流斷面閘孔中心線左側(cè)40m～左側(cè)25m的航道左側(cè)邊緣區(qū)域，橫向流速一般超0.05～0.1m/s，流態(tài)如圖4所示。退洪流量分別為130、120、130m3/s的設(shè)計(jì)退洪工況、惡劣退洪工況及最高通航水位退洪工況，水閘退洪水流與南淝河、沙河來(lái)水交匯后很快向南淝河下游方向轉(zhuǎn)向、平順下泄，水流流態(tài)較好，3工況在水閘下游及水閘上游與沙河之間的南淝河左側(cè)區(qū)域均存在2處大小不同的回流區(qū)，3工況2處回流區(qū)最大回流流速均分別不大于0.20、0.15m3/s，滿足規(guī)范要求，流態(tài)如圖5—7所示。

表4 南淝河航道各特征斷面總流速及橫向流速值計(jì)算表

圖3 閘門開(kāi)度為1.71m3/s流態(tài)照片

圖4 退洪流量為150m3/s時(shí)流態(tài)照片

圖5 退洪流量為130m3/s時(shí)流態(tài)照片

圖6 惡劣退洪流量為120m3/s流態(tài)照片

圖7 最高通航水位下退洪流量為130m3/s時(shí)流態(tài)照片

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)組次1、2均有一定范圍橫向流速超標(biāo)區(qū)域，直至組次3降低退洪流量為130m3/s，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內(nèi)橫向流速最大值分別為0.29、0.11、0.14、0.23、0.15m/s，均小于規(guī)范上限約定值0.3m/s。建議水閘設(shè)計(jì)退洪工況退洪流量不大于130m3/s；

(2)組次4為退洪流量為120m3/s的惡劣退洪工況，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內(nèi)橫向流速最大值分別為0.23、0.10、0.13、0.28、0.12m/s，均小于規(guī)范約定的上限值0.3m/s。建議水閘惡劣退洪工況退洪流量不大于120m3/s；

(3)組次5為退洪流量為130m3/s的最高通航水位退洪工況，閘下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400斷面通航范圍內(nèi)橫向流速最大值分別為0.28、0.06、0.14、0.29、0.15m/s，均小于規(guī)范約定的上限值0.3m/s。建議水閘最高通航水位退洪時(shí)退洪流量不大于130m3/s。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘水工模型試驗(yàn)，獲得了退洪情況下的紊流流場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)其水流流態(tài)和流速分布情況做了細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)退洪閘垂直河道的出流方式會(huì)對(duì)下游河道流態(tài)造成一定影響，尤其是下游河道同時(shí)存在航道需求的情況，應(yīng)盡量減小退洪流量，降低退洪流量，十八聯(lián)圩進(jìn)退洪閘設(shè)計(jì)退洪工況、惡劣退洪工況、最高通航水位工況下，不影響航道通行要求的最大退洪流量分別為130、120、130m3/s，為類似的進(jìn)退洪閘設(shè)計(jì)提供了工程經(jīng)驗(yàn)。