十八联圩进退洪闸退洪工况下流态分析

李骏峰

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

合肥市现行防洪标准为100年一遇，随着合肥市经济体量的增加，未来防洪标准将提升到200年一遇。随着近些年来极端天气频发，合肥市的防洪工程经受着严峻的考验。2020年7月19日，南淝河发生了约50年一遇洪水，南淝河市区段洪水位超百年一遇，情况异常危急，同一天，为保障合肥主城区防洪安全，合肥市果断启用十八联圩湿地蓄洪以削减南淝河洪峰流量，大大缓解了南淝河上游城区的防洪压力。十八联圩进退洪闸轴线垂直于南淝河河道，当闸口退洪时，退洪水流与河道水流正交产生一定范围的回流区，从而导致船体舵效降低，姿态不稳，甚至可能造成行船事故的发生。为了南淝河航道的通行安全，有必要对退洪时闸身一定范围内河道流态展开研究[1-2]。

1 工程概况

十八联圩进退洪闸位于南淝河左堤沙河口下游约200m处，堤后堤脚处地面高程在10.0m左右，堤脚以后约50m为稳定塘，塘高程为6.0m左右。闸址处堤顶高程约14.0m，宽约8.0m，闸址上下游河道顺直，堤外滩地宽约120m，高程3.5～9.5m。进(退)洪闸共5孔，单孔宽8.0m，底坎高程7.2m，总净宽40m。水闸进退洪采用垂直河流方向，根据规划要求，十八联圩进退洪闸主要任务为削减南淝河洪峰流量，其次为分蓄巢湖洪水，枢纽总体布置如图1所示。

图1 枢纽总体布置图

2 模型设计与验证

2.1 模型设计

为保证十八连圩进退洪闸上下游水流与原型相似，整体模型模拟范围包括南淝河沙河口上游约730m、下游约480m的河道、沙河河口上游长约600m河道以及圩区闸下约600m内区域。模型范围内包含十八连圩进退洪闸各部分主要建筑物。模型按照重力相似准则设计，结合工程经验及实验场地具体情况，取整体水工模型比尺为1∶50，模型比尺参数见表1[3-7]，经验算，模型满足规范要求的下述条件：

(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23cm/s，水深在3cm以上；

(4)模型为正态模型。

模型制作主要内容包括：模型地形制作、建筑物模型制作与安装、边墙、量水堰及前池砌筑尾门及制作与安装、人行台阶砌筑及便桥等制作与安装、模型试水与修正等。

2.2 水位测点及测流断面

为进行水位及断面流速检测，模型布设若干水位测点及流速测量断面。考虑到描述方便，整体模型设定为：十八连圩进退洪闸闸轴线所在断面桩号W0+000，相应闸上人工地形及闸下圩区断面1桩号分别为W0-XXX、W0+XXX；南淝河于沙河口处断面桩号为Q0+XXX，相应其上下游南淝河断面桩号分别为Q0-XXX、Q0+XXX；断面桩号数值为任一断面与0+000断面线之间间距，单位为m，用于检测水闸上下游各处水位。将测点(W0+150)和(W0-100))分别作为水闸下游圩区及上游河道水位控制点，经试验验证，所选取的测点位置能准确反应水闸上下游水位及水位落差。为观测水闸上下游流速分布，我们设置5个流速测量断面，各流速观测断面垂直于所在河中心线或闸轴线。每条流速测量断面上施测点垂线间距取5m，各水位测点桩号及位置详见表2，断面位置详如图2所示。

表2 十八联圩进退洪闸整体水工模型水位测点布置

图2 水位测点桩号断面位置图

2.3 实验量测仪器及实验方法

整体水工模型采用水位测针量测和控制水闸，上、下游沿程水位；采用平板薄壁堰或直角三角堰检测各处来流或退水流量；采用旋桨流速仪或三维流速仪(用于南淝河断面横向流速)测量断面流速。

模型试验流量、流速、水位等检测采用的主要仪器误差如下：量水堰；测量误差小于1%；流速仪：率定测点不少于15个，75%的测点偏差不超过2%～3%；水位测针：测针测量精度0.1mm，根据相关试验规程，均满足试验精度要求。

2.4 方案研究

针对退洪我们分别考虑了3种工况，并不断降低各退洪工况的退洪流量，直至闸下附近区域南淝河航道的横向流速、回流流速等满足规范要求，以寻找水闸设计退洪工况、恶劣退洪工况及最高通航水位退洪工况时的安全泄量。退洪工况河道上游来水流量为南淝河200年汛期实测流量组合沙河2年一遇流量。组次1、2、3为3组不同泄量的设计反向退洪工况，上下游水位分别为12.75、11.6m，组次1控制闸门开度为1.71m实测过闸流量，组次2、3分别控制退洪流量为150、130m3/s，寻找相应的闸门开度。组次4为恶劣退洪工况，上下游水位分别为13.36、10.5m，控制退洪流量为120m3/s，寻找相应的闸门开度。组次5为最高通航水位退洪工况，上下游水位分别为13.36、12.8m，控制退洪流量为130m3/s，寻找相应的闸门开度[8-10]，各工况实验组次及控制条件详见表3。

表3 十八联圩进退洪闸整体水工模型各工况实验组次及控制条件表

3 计算结果与分析

3.1 设计工况实验结果

根据三维流速仪测量南淝河特征断面结果，计算流速与航道中心线夹角及横向、纵向流速分量。航道中心线左、右2侧90m范围内为有效通航区域。组次1、2、3、4、5等5组退洪工况南淝河航道各特征断面总流速及横向流速值计算表见表4。组次1退洪流量246.6m3/s设计退洪工况横向流速超标区域位于Q0+300断面航道中心线左侧40m～右侧10m区间，一般超0.00～0.17m/s，流态如图3所示。组次2退洪流量150m3/s设计退洪工况横向流速超标区域位于闸下100m处W0-100出流断面闸孔中心线左侧40m～左侧25m的航道左侧边缘区域，横向流速一般超0.05～0.1m/s，流态如图4所示。退洪流量分别为130、120、130m3/s的设计退洪工况、恶劣退洪工况及最高通航水位退洪工况，水闸退洪水流与南淝河、沙河来水交汇后很快向南淝河下游方向转向、平顺下泄，水流流态较好，3工况在水闸下游及水闸上游与沙河之间的南淝河左侧区域均存在2处大小不同的回流区，3工况2处回流区最大回流流速均分别不大于0.20、0.15m3/s，满足规范要求，流态如图5—7所示。

表4 南淝河航道各特征断面总流速及横向流速值计算表

图3 闸门开度为1.71m3/s流态照片

图4 退洪流量为150m3/s时流态照片

图5 退洪流量为130m3/s时流态照片

图6 恶劣退洪流量为120m3/s流态照片

图7 最高通航水位下退洪流量为130m3/s时流态照片

3.2 实验结果分析

(1)组次1、2均有一定范围横向流速超标区域，直至组次3降低退洪流量为130m3/s，闸下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400断面通航范围内横向流速最大值分别为0.29、0.11、0.14、0.23、0.15m/s，均小于规范上限约定值0.3m/s。建议水闸设计退洪工况退洪流量不大于130m3/s；

(2)组次4为退洪流量为120m3/s的恶劣退洪工况，闸下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400断面通航范围内横向流速最大值分别为0.23、0.10、0.13、0.28、0.12m/s，均小于规范约定的上限值0.3m/s。建议水闸恶劣退洪工况退洪流量不大于120m3/s；

(3)组次5为退洪流量为130m3/s的最高通航水位退洪工况，闸下附近W0-100、Q0+100、Q0+200、Q0+300、Q0+400断面通航范围内横向流速最大值分别为0.28、0.06、0.14、0.29、0.15m/s，均小于规范约定的上限值0.3m/s。建议水闸最高通航水位退洪时退洪流量不大于130m3/s。

4 结语

通过十八联圩进退洪闸水工模型试验，获得了退洪情况下的紊流流场数据，并对其水流流态和流速分布情况做了细致分析，发现退洪闸垂直河道的出流方式会对下游河道流态造成一定影响，尤其是下游河道同时存在航道需求的情况，应尽量减小退洪流量，降低退洪流量，十八联圩进退洪闸设计退洪工况、恶劣退洪工况、最高通航水位工况下，不影响航道通行要求的最大退洪流量分别为130、120、130m3/s，为类似的进退洪闸设计提供了工程经验。