引江济淮工程杨大庄跌水入渠横向流速控制优化研究

杨子江 冯 帅 李天华

（1.中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230001 2.国家投资项目评审中心 北京 100037）

1 工程概况

引江济淮工程主要由引江济巢、江淮沟通和江水北送三段组成，主要任务是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、淮河水生态环境。江淮沟通段河渠满足Ⅱ级航道通航要求，航道尺寸为4.5m×60m×540m（水深×底宽×弯曲半径），通航保证率为98%。

江淮沟通段河渠（以下简称干渠）主要利用派河、天河、东淝河等天然河道扩挖浚深形成，沿线支流或排涝沟渠较多，流量一般为2.8～576.0 m3/s，干支流河底高差约4.0～25.0m，受支流河道天然河势及工程总体布置要求，跌水中心线与航道中心线均存在一定夹角，支流入渠水流相对航道形成横流，而横流是内河航道中不利于船舶正常航行的一种水流，它常使行驶船舶偏离航线，对航行船舶安全构成威胁。

《运河通航标准》规定：运河航道中的通航水流条件应满足设计船舶、船队安全航行和停泊的要求，必要时应通过试验研究进行论证。运河中的取泄水口和其他汇流口的水域，航道横向流速不应超过0.3m/s，回流流速不应超过0.4m/s。引江济淮工程（安徽段）初步设计报告批复意见中提出江淮沟通段临河建筑物支流洪水入渠控制条件为：航道最高通航水位遭遇支流20年一遇洪水（下称20年一遇通航工况），横向流速不大于0.3m/s；航道最低控制水位遭遇支流5年一遇洪水（下称5年一遇通航工况），横向流速不大于0.15m/s。

为验证支流入渠横向流速是否满足规范和相关审查意见要求，本文以江淮沟通段流量最大的杨大庄跌水为研究对象，开展水工模型试验对入渠汇流口的横向流速大小及影响因素进行分析研究。

2 跌水布置

王桥小河为江淮沟通段干渠右岸支流，现状河底高程约21.0m，高出干渠设计底高程7.6m，20年一遇行洪流量（满槽流量）576.0m3/s，为满足消能要求和减小横向水流对干渠通航的影响，在入渠口建设杨大庄跌水。杨大庄跌水主要由控制段、上游铺盖、上游护底、下游消力池、跌水段及两岸连接建筑物等组成。根据河道走势、现场地形条件及水流入渠横向流速要求，杨大庄跌水控制段布置在干支流中心线交汇点上游约480m 处，中心线夹角55°，采用钢筋混凝土整体结构，共4 孔，单孔净宽9.0m，底板顶高程21.0m。控制段下游侧设挖深式消力池，消力池两侧边墙在平面上呈12 度角向两侧扩散，消力池长32.0m，池深2.0m，池底高程19.0m，消力池下游设2 级跌水与干渠连接，单级跌水落差2.6～3.0m，跌水底板顶高程分别为16.0m 和13.4m，顺水流向长度分别为30.0m 和22.0m，两侧挡墙与消力池挡墙连接，扩散角一致，跌水末端接下游出水渠，出水渠两侧边坡以12 度扩散角与干渠渠坡连接。

3 模型设计

为确保杨大庄跌水上、下游水流与原型相似，整体模型范围：干渠取跌水与干渠中心线相交点上游850m 到下游950m 之间河段，支流王桥小河取跌水上游400m 河道，杨大庄跌水各段建筑物均为模型模拟范围。

整体水工模型比尺为1 ∶50，满足《水工（常规）模型试验规程》要求的限制条件：（1）模型水流进入阻力平方区；（2）模型糙率能达到与原型基本相似；（3）当模型出现表面波时，模型表面流速大于0.23m/s，水深在0.03m 以上；（4）模型为正态模型。模型总长约35m，总宽约20m，总面积约700m²。模型共布置水位测点13 个，流速观测断面18 个，各断面垂直于所在支流河道或干渠中心线，断面上施测点垂线间距取5m 或10m（原型距离）。

模型试验工况组合及控制条件见表1。

表1 工况组合及控制条件表

4 原方案试验结果

4.1 整体流态

4.1.1 跌水上游河道

由于王桥小河D0-330～D0-200 之间河段存在“S”形急弯，跌水上游D0-100～D0+000 河段水流明显偏向右岸，水流主要通过右侧三个闸孔下泄。

4.1.2 跌水下游渠道

由于跌水上游来水主流偏右，消力池及一级跌水内主流亦偏右，水流经消力池和一级跌水消能调整后，在一级跌水尾坎处水流基本均匀。5年一遇通航工况时，跌水下游渠道右侧部分区域为静水区或弱回流区，左侧区域亦存在小范围弱回流区，水流在D0+200～D0+300 之间稍偏向左岸汇入干渠。20年一遇通航工况时，下游渠道D0+200～D0+300 之间水流偏右汇入干渠航道，当干渠来流流量增大时，跌水下游渠道内水流偏右程度有所增强，且在渠道左、右两侧形成一定区域回流，左侧回流范围相对较大。

4.1.3 干渠航道

干渠航道水流流态总体较好，当不考虑干渠来水时，干渠JH0-300 断面上游河段为静水区，在跌水下游渠道左侧与干渠交汇区域形成回流；5年一遇通航工况时回流范围和强度均较小；20年一遇通航工况且干渠不行洪时最大回流流速约为-0.4m/s，干渠行洪流量为5年一遇或10年一遇标准时，回流区基本消失，干、支流河道水流平顺交汇。各工况下汇流口流态分布见图1～图4。

4.2 横向流速

为便于计算流速与航道中心线夹角及横向、纵向流速分量，本次模型试验采用三维流速仪测量干渠航道各断面流速。原布置方案各通航工况航道内断面横向流速见表2。

从表2可以看出，原布置方案5年一遇通航工况下干渠各断面横向流速在0.00～0.15m/s 之间，均未超过规范及审查意见限值。20年一遇通航工况下，JH0+100至JH0+200 断面之间均在航道中心线右侧部分出现横向流速超限现象，其他断面均满足规范要求。

表2 原布置方案各通航工况干渠内横向流速统计表（单位：m/s）

表3 优化工程布置后各通航工况干渠内横向流速统计表（单位：m/s）

图1 5年一遇通航工况流态分布图（原布置，干渠不行洪）

图2 20年一遇通航工况流态分布图（原布置，干渠不行洪）

图3 20年一遇通航工况流态分布图（原布置，干渠5年一遇洪水）

图4 20年一遇通航工况流态分布图（原布置，干渠10年一遇洪水）

5 布置方案优化

杨大庄跌水与干渠汇流口横向流速超限的工况为20年一遇通航工况，具体范围主要集中在断面JH0+100 至JH0+200 附近，其原因主要是：（1）跌水上游王桥小河整体河势偏向右岸，水流主要由跌水控制段右侧进入消能设施，虽经一级消力池及两级跌水调整，但下游渠道内主流仍然偏右，导致局部流速偏大；（2）在20年一遇通航工况下，干渠来水对支流汇水存在一定挤压作用，对汇流口水流流向有一定调整，利于降低横向流速，但同时也减小了过流断面，相应增大了水流总流速；（3）跌水右岸边坡与干渠右岸边坡连段转弯半径偏小，水流汇入干渠时流向与干渠水流方向（即通航方向）角度较大，且基本无调整空间。

因此，工程布置方案优化主要针对跌水右岸边坡，具体措施为：将杨大庄跌水下游右岸边坡与干渠右岸边坡坡脚线连接线调整为两个圆弧段加一个直线段的连接型式，直线段与上游底坡线采用R400m 圆弧连接，与下游底坡线采用R150m 圆弧连接，以加大主流入干渠的过流断面，增加水流方向调整段的长度，减小横向流速。经模型试验验证，右岸边坡调整后，5年一遇通航工况（干渠不行洪）及20年一遇通航工况（包括干渠不行洪、干渠5年一遇洪水、干渠10年一遇洪水）汇流口干渠内横向流速均满足要求，但在不同通航工况、不同干渠行洪流量情况下，跌水下游渠道左岸仍存在一定范围的静水区或回水区，而此区域对降低横向流速作用微乎其微，为减小工程量及投资，将杨大庄跌水下游左岸边坡与中心线夹角由12°调整为7°，并对横向流速进一步验证。

6 优化方案试验成果

6.1 整体流态

跌水上游、控制段，消力池及跌水范围内流态及流速分布情况与优化前基本一致。5年一遇通航工况时，跌水下游渠道右侧区域为静水区或弱回流区，左侧区域回流区基本消失。20年一遇通航工况时，渠道内左、右岸回流区范围也较布置优化前大幅减小。

当不考虑干渠行洪时，干渠断面JH0-300 上游河段为静水区。在5年一遇通航工况时，在跌水下游渠道与干渠交汇口上下游均未出现回流区。在20年一遇设计通航工况时，汇流口下游未出现回流区，上游回流区最大回流流速由工程布置优化前的-0.40m/s 降至-0.23m/s。

6.2 横向流速

工程布置优化后，各断面的横向流速范围见表3。从表3可以看出，5年一遇通航工况下干渠各断面横向流速在0.00～0.15m/s 之间，20年一遇通航工况下不考虑干渠来流时各断面横向流速在0.00～0.28m/s 之间，均满足规范和审查意见要求。

7 结语

内河航道内的横流对通航安全有一定影响。本文以杨大庄跌水为研究对象，采用水工模型试验对汇流口横向流速进行观测，分析了影响横向流速主要因素，并对工程布置进行优化和模型验证。结果表明优化后的杨大庄跌水工程布置能有效降低汇流口横向流速，减小回流区范围和回流强度，关键指标均满足相关规范和审查意见要求，工程投资较省，为工程运行管理创造了良好条件■