分汊河道閘前流態(tài)優(yōu)化水工模型試驗(yàn)研究

許雪梅 孫猛 夏季 謝慶躍 陸雯

摘要：

分汊河道匯流區(qū)流態(tài)復(fù)雜，當(dāng)水閘距離匯流區(qū)較近時(shí)，應(yīng)通過(guò)整體水工模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證整流優(yōu)化措施能否滿(mǎn)足水閘工程的功能要求。以武障河閘工程為例，開(kāi)展了武障河閘上下游河道定床水工模型試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定了流態(tài)優(yōu)化最佳方案。結(jié)果表明：采用方案3導(dǎo)水堤加閘上游布置鏤空式整流底坎的方案，可使上游流場(chǎng)得到明顯改善，水流到閘前段時(shí)偏流現(xiàn)象已不明顯，可滿(mǎn)足工程安全運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：

分汊河道； 整流措施； 水工模型試驗(yàn)； 武障河閘

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.015

文章編號(hào)：1006-0081（2023）03-0084-05

0 引 言

分汊河道水流交匯處易產(chǎn)生不穩(wěn)定的漩流，漩流隨水流流動(dòng)向下游擺動(dòng)，進(jìn)而引起閘前進(jìn)流偏向、不穩(wěn)定、過(guò)流不均等現(xiàn)象，無(wú)法滿(mǎn)足過(guò)閘水流順暢、流速分布均勻的要求。因此，采取相應(yīng)的整流措施改善閘前水流流態(tài)，對(duì)水閘安全運(yùn)行具有重要意義。

對(duì)于閘前不良流態(tài)的優(yōu)化措施，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者專(zhuān)家基于數(shù)值模型及物理模型試驗(yàn)開(kāi)展了較多研究。胡旭躍等［1］對(duì)分汊河道分流區(qū)斜流流態(tài)的整治方法開(kāi)展了研究，通過(guò)采取非對(duì)稱(chēng)非等高魚(yú)嘴方案，有效改善了航道水流流態(tài)。羅燦等［2］采用數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M了增設(shè)底坎后正向擴(kuò)散泵站前池流態(tài)，研究底坎位置、尺寸等對(duì)前池流態(tài)影響。馮建剛等［3］基于模型試驗(yàn)，研究了泵站不良流態(tài)的原因，提出了消渦板、非全段式底坎和八字形導(dǎo)流墩等改善不良進(jìn)水流態(tài)的工程措施，并對(duì)底坎和八字形導(dǎo)流墩措施進(jìn)行比較分析。目前，對(duì)于正向進(jìn)水及側(cè)向進(jìn)水泵站前池不良流態(tài)的改善措施研究較為成熟［4-7］，但對(duì)于流態(tài)更為復(fù)雜、受分汊河道偏流影響的閘前不良流態(tài)改善措施研究較少。本文以武障河閘工程為例，建立武障河及老河槽定床水工模型，分析不同整流措施對(duì)于閘前流態(tài)改善效果，以期為同類(lèi)工程的整流措施設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

武障河閘位于連云港市灌南縣新安鎮(zhèn)境內(nèi)武障河上、武障河與鹽河交匯處東側(cè)約500 m處，距縣城5 km，是鹽東控制工程的骨干工程之一。武障河擴(kuò)建工程建設(shè)內(nèi)容中的新閘工程，閘室總凈寬130 m，共計(jì)13孔，單孔凈寬10 m。在上游側(cè)（鹽河側(cè)）設(shè)計(jì)洪水位工況下，節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量為849 m3/s。上下游引河疏（拓）浚工程長(zhǎng)約1.81 km，堤防填筑工程長(zhǎng)約1.55 km。武障河擴(kuò)建工程承擔(dān)著區(qū)域防洪排澇的重要任務(wù)，工程安全極其重要。工程位置及工程平面布置示意見(jiàn)圖1，2。

2 模型設(shè)計(jì)

本文模型模擬范圍包括灌南縣武障河閘整體及上游老河槽拐彎段（老河槽與武障河交匯處上游約220 m處）至下游武障河與船閘交匯處（武障河閘下游約580 m處）的水工建筑物及河道部分。

根據(jù)連云港鹽東控制工程武障河閘擴(kuò)建工程的研究范圍及內(nèi)容，為保證模型和原型兩個(gè)水流系統(tǒng)的相似性滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)程，綜合考慮采用定床正態(tài)模型。 為了模擬閘運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)、出水流，模型需要滿(mǎn)足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似準(zhǔn)則［7］。相應(yīng)的比例尺見(jiàn)表1。

按照相關(guān)規(guī)范要求，依據(jù)原型圖紙和試驗(yàn)?zāi)康?，繪制模型總體布置圖，在水工大廳進(jìn)行場(chǎng)地施工放樣，制作灌南縣武障河閘試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D3）。

試驗(yàn)中需要采集的主要參數(shù)有流場(chǎng)流態(tài)、流量和水位，模型制作過(guò)程中還需要長(zhǎng)度、高度、水平等參數(shù)的控制量測(cè)設(shè)備。流量量測(cè)采用了電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)同時(shí)互驗(yàn)量測(cè)，保證了流量量測(cè)的準(zhǔn)確可靠。水位量測(cè)除采用南京水利科學(xué)研究院 WYG-Ⅲ型無(wú)線(xiàn)測(cè)控智能水位儀測(cè)量水位的方法外，還使用測(cè)壓管測(cè)量水位的方法進(jìn)行同步校驗(yàn)，保證可靠度的同時(shí)提高精度。試驗(yàn)中采用了目前較為先進(jìn)的流場(chǎng)量測(cè)設(shè)備 DPTV對(duì)樂(lè)青市武障河閘多個(gè)工況的進(jìn)出水流態(tài)進(jìn)行測(cè)定［8］。

3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)狀工況流態(tài)分析

依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，在上游側(cè)（鹽河側(cè)）汛期高水位工況下，武障河和老河槽分流比為7∶3，節(jié)制閘設(shè)計(jì)最大過(guò)流能力為660 m3/s，閘上游水位2.5 m，下游水位2.4 m。本次試驗(yàn)閘門(mén)模型開(kāi)度為10 cm，實(shí)際工程開(kāi)度為5 m。在優(yōu)化方案未實(shí)施前，獲取的面層和底層流場(chǎng)見(jiàn)圖4，5。

由圖4，5可以看出，在此工況下，由于兩側(cè)水流的匯合，武障河和老河槽交匯處水流會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的漩流，漩流隨水流運(yùn)動(dòng)向下游擺動(dòng)位移，進(jìn)而引起閘前進(jìn)流偏向且不穩(wěn)定及過(guò)流不均現(xiàn)象。過(guò)閘后下游水流也出現(xiàn)兩側(cè)流速分布不均，武障河一側(cè)大，另一側(cè)小，在水閘和船閘水流交匯處出現(xiàn)低速漩渦。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)原設(shè)計(jì)工況下試驗(yàn)結(jié)果可知，由于武障河和老河槽兩側(cè)水流交匯處水流匯合后，產(chǎn)生不良流態(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足過(guò)閘水流順暢、流速分布均勻的要求。鑒于此，提出以下幾種優(yōu)化整流措施，進(jìn)而得出優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的試驗(yàn)均在武障河和老河槽分流比為7∶3、過(guò)流量為660 m3/s、閘上游水位2.5 m、下游水位2.4 m的工況下進(jìn)行。

針對(duì)武障河閘前產(chǎn)生的漩流問(wèn)題，擬在武障河和老河槽交匯處設(shè)置整流分水墻，阻止此處不穩(wěn)定漩流的形成。試驗(yàn)中進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察以及試驗(yàn)結(jié)果比較，確定如下3個(gè)形式優(yōu)化方案。

（1） 在武障河和老河槽出口設(shè)置一長(zhǎng)約45 m的導(dǎo)水墻，末端靠近老河槽側(cè)，與水閘中心線(xiàn)呈9°夾角，具體見(jiàn)圖6。

（2） 將武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延長(zhǎng)，但頭部收窄，做成長(zhǎng)約40 m導(dǎo)水堤的型式，見(jiàn)圖7。

（3） 將武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延長(zhǎng)，頭部收窄，做成長(zhǎng)約40 m導(dǎo)水堤的型式，同時(shí)在閘上游布置鏤空式整流底坎，見(jiàn)圖8。

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法

流速分布均勻度可用以表征流場(chǎng)速度的均勻性，閘門(mén)前流速分布均勻度ηua采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

ηua=1－1ua∑ni=1（uai－ua）2n×100%（1）

式中：ua為閘門(mén)前的平均流速；uai為閘門(mén)前斷面上計(jì)算單元流速（i=1，2，…，n），n為計(jì)算單元數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 方案一

由圖9可以看出，增設(shè)導(dǎo)水墻后，武障河與老河槽交匯處的漩流分成了導(dǎo)水墻兩側(cè)的兩個(gè)小漩流，流場(chǎng)得到了明顯的改善。然而，此方案的缺點(diǎn)在于，由于導(dǎo)水墻所處的位置為無(wú)護(hù)坦的土質(zhì)河床，施工困難且投資較大。

4.2 方案二

方案二在武障河與老河槽的交匯處添加導(dǎo)水堤。導(dǎo)水堤做成斜降式，末端高程為最低水位 2.5 m，頂端高程為 3.7 m，高于最高水位3.6 m。獲取的流場(chǎng)云圖見(jiàn)圖10。方案二與方案一相比，武障河和老河槽交匯處產(chǎn)生的渦旋進(jìn)一步縮小，閘上游水流進(jìn)流方向更加穩(wěn)定順直，說(shuō)明方案二較方案一有更好的流場(chǎng)改善效果；另外，考慮到施工條件與環(huán)境因素，導(dǎo)水堤比導(dǎo)水墻的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

同時(shí)為了探究導(dǎo)水堤的安放位置對(duì)閘門(mén)前流場(chǎng)穩(wěn)定情況的影響，通過(guò)改變導(dǎo)水堤墩頭的位置，同時(shí)用流速儀測(cè)量各閘孔前中心點(diǎn)水面下0.6倍水深處流速的方法來(lái)確定導(dǎo)水堤的最佳安放位置，計(jì)算得到導(dǎo)水堤頭位置與閘門(mén)前流速均勻度關(guān)系見(jiàn)表2。

由表2可知，導(dǎo)水堤頭置于9號(hào)線(xiàn)與H線(xiàn)交點(diǎn)處，即實(shí)際工程中導(dǎo)水堤長(zhǎng)40 m、堤頂中心線(xiàn)與水閘中心線(xiàn)夾角為9°向北時(shí)，閘門(mén)前流速均勻度最好。

4.3 方案三

方案二中，導(dǎo)水堤對(duì)河道流態(tài)，尤其是新老河道交匯處的流態(tài)的改善效果顯著，但閘門(mén)前流場(chǎng)仍不夠順直。為了進(jìn)一步改善閘門(mén)前的水流流態(tài)，提出方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，在閘門(mén)前加設(shè)一道鏤空式整流底坎。

為了確定底坎的最優(yōu)位置，以最大程度地改善閘門(mén)前流場(chǎng)，采用在導(dǎo)水堤位置不變的情況下移動(dòng)底坎模型、同時(shí)加設(shè)流速儀測(cè)量閘門(mén)前水面下0.6倍水深處流速的方法，計(jì)算閘前流速均勻度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，底坎位置試驗(yàn)示意見(jiàn)圖11。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)武障河閘工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理的需要，建立了武障河及老河槽定床水工模型，對(duì)提出的3個(gè)流態(tài)優(yōu)化方案進(jìn)行相同工況下的對(duì)照試驗(yàn)，從而確定最優(yōu)方案，得出如下結(jié)論。

（1） 武障河和老河槽兩側(cè)水流交匯處產(chǎn)生不穩(wěn)定的漩流，漩流隨水流運(yùn)動(dòng)向下游擺動(dòng)，進(jìn)而引起閘前進(jìn)流偏向、不穩(wěn)定、過(guò)流不均等現(xiàn)象。

（2） 經(jīng)過(guò)比選，最終確定為方案三。導(dǎo)水堤使武障河與老河槽交匯處的漩渦變小，不僅使上游河道整體流態(tài)變得更加平穩(wěn)，也減小了漩渦對(duì)閘前進(jìn)流流態(tài)的影響。鏤空式整流底坎使水流在進(jìn)入閘室前變得更加順直，閘室前的偏流問(wèn)題得到較好解決，閘前進(jìn)流流場(chǎng)得到改善。

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（編輯：李 慧）

Hydraulic model test of flow pattern optimization in front of sluice in braided river

XU Xuemei1，SUN Meng2，XIA Ji1，XIE Qingyue1，LU Wen1

（1.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China； 2.The Administration of the Project of Huaihe River Waterway to the Sea in Jiangsu Province，Huaian 223200，China）Abstract：

The flow pattern in the confluence area of bifurcated rivers is complex when the sluice is close to the confluence area.The overall hydraulic model test should be conducted to verify whether the rectification optimization measures can meet the functional requirements of the sluice project.Taking the Wuzhang River Sluice Project as an example，a fixed bed hydraulic model test of upstream and downstream channels of the Wuzhang River Sluice was carried out.Based on the test results，the optimal scheme for flow pattern optimization was determined.The results showed that scheme 3 was adopted，which added a hollow rectifier sill at the upstream of the sluice to the diversion dike.It can significantly improve the upstream flow field，stabilize the flow field at the surface，bottom and layer，and eliminate the deflection phenomenon when the water flew to the front section of the gate，which can meet the requirements of engineering functions.

Key words：

braided river； flow pattern rectification measures； hydraulic model test； Wuzhang River Sluice

收稿日期：

2022-05-16

作者簡(jiǎn)介：

許雪梅，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：xiajilingdian@163.com