分汊河道闸前流态优化水工模型试验研究

许雪梅 孙猛 夏季 谢庆跃 陆雯

摘要：

分汊河道汇流区流态复杂，当水闸距离汇流区较近时，应通过整体水工模型试验来验证整流优化措施能否满足水闸工程的功能要求。以武障河闸工程为例，开展了武障河闸上下游河道定床水工模型试验，依据试验结果，确定了流态优化最佳方案。结果表明：采用方案3导水堤加闸上游布置镂空式整流底坎的方案，可使上游流场得到明显改善，水流到闸前段时偏流现象已不明显，可满足工程安全运行要求。

关键词：

分汊河道； 整流措施； 水工模型试验； 武障河闸

中图法分类号：TV663

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.015

文章编号：1006-0081（2023）03-0084-05

0 引 言

分汊河道水流交汇处易产生不稳定的漩流，漩流随水流流动向下游摆动，进而引起闸前进流偏向、不稳定、过流不均等现象，无法满足过闸水流顺畅、流速分布均匀的要求。因此，采取相应的整流措施改善闸前水流流态，对水闸安全运行具有重要意义。

对于闸前不良流态的优化措施，近年来，国内外众多学者专家基于数值模型及物理模型试验开展了较多研究。胡旭跃等［1］对分汊河道分流区斜流流态的整治方法开展了研究，通过采取非对称非等高鱼嘴方案，有效改善了航道水流流态。罗灿等［2］采用数值试验模拟了增设底坎后正向扩散泵站前池流态，研究底坎位置、尺寸等对前池流态影响。冯建刚等［3］基于模型试验，研究了泵站不良流态的原因，提出了消涡板、非全段式底坎和八字形导流墩等改善不良进水流态的工程措施，并对底坎和八字形导流墩措施进行比较分析。目前，对于正向进水及侧向进水泵站前池不良流态的改善措施研究较为成熟［4-7］，但对于流态更为复杂、受分汊河道偏流影响的闸前不良流态改善措施研究较少。本文以武障河闸工程为例，建立武障河及老河槽定床水工模型，分析不同整流措施对于闸前流态改善效果，以期为同类工程的整流措施设计提供参考。

1 工程概况

武障河闸位于连云港市灌南县新安镇境内武障河上、武障河与盐河交汇处东侧约500 m处，距县城5 km，是盐东控制工程的骨干工程之一。武障河扩建工程建设内容中的新闸工程，闸室总净宽130 m，共计13孔，单孔净宽10 m。在上游侧（盐河侧）设计洪水位工况下，节制闸设计流量为849 m3/s。上下游引河疏（拓）浚工程长约1.81 km，堤防填筑工程长约1.55 km。武障河扩建工程承担着区域防洪排涝的重要任务，工程安全极其重要。工程位置及工程平面布置示意见图1，2。

2 模型设计

本文模型模拟范围包括灌南县武障河闸整体及上游老河槽拐弯段（老河槽与武障河交汇处上游约220 m处）至下游武障河与船闸交汇处（武障河闸下游约580 m处）的水工建筑物及河道部分。

根据连云港盐东控制工程武障河闸扩建工程的研究范围及内容，为保证模型和原型两个水流系统的相似性满足相应规程，综合考虑采用定床正态模型。 为了模拟闸运行过程中进、出水流，模型需要满足几何相似、水流运动相似和动力相似准则［7］。相应的比例尺见表1。

按照相关规范要求，依据原型图纸和试验目的，绘制模型总体布置图，在水工大厅进行场地施工放样，制作灌南县武障河閘试验模型（图3）。

试验中需要采集的主要参数有流场流态、流量和水位，模型制作过程中还需要长度、高度、水平等参数的控制量测设备。流量量测采用了电磁流量计和超声波流量计同时互验量测，保证了流量量测的准确可靠。水位量测除采用南京水利科学研究院 WYG-Ⅲ型无线测控智能水位仪测量水位的方法外，还使用测压管测量水位的方法进行同步校验，保证可靠度的同时提高精度。试验中采用了目前较为先进的流场量测设备 DPTV对乐青市武障河闸多个工况的进出水流态进行测定［8］。

3 优化方案设计

3.1 现状工况流态分析

依据工程现场观测数据，在上游侧（盐河侧）汛期高水位工况下，武障河和老河槽分流比为7∶3，节制闸设计最大过流能力为660 m3/s，闸上游水位2.5 m，下游水位2.4 m。本次试验闸门模型开度为10 cm，实际工程开度为5 m。在优化方案未实施前，获取的面层和底层流场见图4，5。

由图4，5可以看出，在此工况下，由于两侧水流的汇合，武障河和老河槽交汇处水流会产生不稳定的漩流，漩流随水流运动向下游摆动位移，进而引起闸前进流偏向且不稳定及过流不均现象。过闸后下游水流也出现两侧流速分布不均，武障河一侧大，另一侧小，在水闸和船闸水流交汇处出现低速漩涡。

3.2 优化方案设计

根据原设计工况下试验结果可知，由于武障河和老河槽两侧水流交汇处水流汇合后，产生不良流态，无法满足过闸水流顺畅、流速分布均匀的要求。鉴于此，提出以下几种优化整流措施，进而得出优化方案。优化方案的试验均在武障河和老河槽分流比为7∶3、过流量为660 m3/s、闸上游水位2.5 m、下游水位2.4 m的工况下进行。

针对武障河闸前产生的漩流问题，拟在武障河和老河槽交汇处设置整流分水墙，阻止此处不稳定漩流的形成。试验中进行多次反复测试，根据现场观察以及试验结果比较，确定如下3个形式优化方案。

（1） 在武障河和老河槽出口设置一长约45 m的导水墙，末端靠近老河槽侧，与水闸中心线呈9°夹角，具体见图6。

（2） 将武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延长，但头部收窄，做成长约40 m导水堤的型式，见图7。

（3） 将武障河和老河槽出口隔堤沿上述方向延长，头部收窄，做成长约40 m导水堤的型式，同时在闸上游布置镂空式整流底坎，见图8。

3.3 数据评价方法

流速分布均匀度可用以表征流场速度的均匀性，闸门前流速分布均匀度ηua采用式（1）进行计算：

ηua=1－1ua∑ni=1（uai－ua）2n×100%（1）

式中：ua为闸门前的平均流速；uai为闸门前断面上计算单元流速（i=1，2，…，n），n为计算单元数。

4 试验结果分析

4.1 方案一

由图9可以看出，增设导水墙后，武障河与老河槽交汇处的漩流分成了导水墙两侧的两个小漩流，流场得到了明显的改善。然而，此方案的缺点在于，由于导水墙所处的位置为无护坦的土质河床，施工困难且投资较大。

4.2 方案二

方案二在武障河与老河槽的交汇处添加导水堤。导水堤做成斜降式，末端高程为最低水位 2.5 m，顶端高程为 3.7 m，高于最高水位3.6 m。获取的流场云图见图10。方案二与方案一相比，武障河和老河槽交汇处产生的涡旋进一步缩小，闸上游水流进流方向更加稳定顺直，说明方案二较方案一有更好的流场改善效果；另外，考虑到施工条件与环境因素，导水堤比导水墙的结构更为稳定。

同时为了探究导水堤的安放位置对闸门前流场稳定情况的影响，通过改变导水堤墩头的位置，同时用流速仪测量各闸孔前中心点水面下0.6倍水深处流速的方法来确定导水堤的最佳安放位置，计算得到导水堤头位置与闸门前流速均匀度关系见表2。

由表2可知，导水堤头置于9号线与H线交点处，即实际工程中导水堤长40 m、堤顶中心线与水闸中心线夹角为9°向北时，闸门前流速均匀度最好。

4.3 方案三

方案二中，导水堤对河道流态，尤其是新老河道交匯处的流态的改善效果显著，但闸门前流场仍不够顺直。为了进一步改善闸门前的水流流态，提出方案三：在方案二的基础上，在闸门前加设一道镂空式整流底坎。

为了确定底坎的最优位置，以最大程度地改善闸门前流场，采用在导水堤位置不变的情况下移动底坎模型、同时加设流速仪测量闸门前水面下0.6倍水深处流速的方法，计算闸前流速均匀度，计算结果见表3，底坎位置试验示意见图11。

5 结 论

本文根据武障河闸工程设计、运行管理的需要，建立了武障河及老河槽定床水工模型，对提出的3个流态优化方案进行相同工况下的对照试验，从而确定最优方案，得出如下结论。

（1） 武障河和老河槽两侧水流交汇处产生不稳定的漩流，漩流随水流运动向下游摆动，进而引起闸前进流偏向、不稳定、过流不均等现象。

（2） 经过比选，最终确定为方案三。导水堤使武障河与老河槽交汇处的漩涡变小，不仅使上游河道整体流态变得更加平稳，也减小了漩涡对闸前进流流态的影响。镂空式整流底坎使水流在进入闸室前变得更加顺直，闸室前的偏流问题得到较好解决，闸前进流流场得到改善。

参考文献：

［1］ 胡旭跃，沈小雄，黄伦超，等.分汊河道分流区航道内斜流的整治方法研究［J］.长江科学院院报，2002，19（3）：22-24，51.

［2］ 罗灿，成立，刘超.泵站正向进水前池底坎整流机理数值模拟［J］.排灌机械工程学报，2014，32（5）：393-398.

［3］ 冯建刚，李杰.大型城市水源泵站前池流态及改善措施试验［J］.水利水电科技进展，2010，30（2）：70-74.

［4］ 夏臣智，成立，焦伟轩，等.泵站前池倒T形底坎整流措施数值模拟［J］.南水北调与水利科技，2018，16（2）：146-150，163.

［5］ 罗灿，钱均，刘超，等.非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证［J］.农业工程学报，2015，31（7）：100-108.

［6］ 周济人，刘超，汤方平，等.泵站复杂前池内的流态改善研究［J］.扬州大学学报（农业与生命科学版），1998，19（4）：93-96.

［7］ 奚斌，黄才安，周济人，等.苇草对河道过流影响的河工模型试验研究［J］.水资源与水工程学报，2010，21（5）；50-54.

［8］ 蔡守允.水利工程模型试验量测技术［M］.北京：海洋出版社，2008.

（编辑：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

作者简介：

许雪梅，女，高级工程师，硕士，主要从事水工建筑物结构设计研究工作。E-mail：xiajilingdian@163.com