（水利工程专业论文）临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究.pdf

摘要 以水闸为主的水利枢纽一般由水闸、船闸、水电站、泵站等建筑物组成，半原地区 水闸多为平底闸，具有过闸落差小、淹没度大等特点。对于由多个建筑物组成的水闸枢 纽，应根据闸址地形、地质、水流等条件，以及枢纽中各建筑物的功能、特点、运用要 求等，合理安排枢纽中各建筑物的相对位置，这是水闸枢纽布置的关键。枢纽建成后， 必须采用合理的管理运用方法以保证其长久地安全运行。本文结合临淮岗整体水工模型 试验就以上问题进行了研究，_ 主要内容如下： ( 1 ) 大型水闸枢纽的布置特点、枢纽泄流能力计算和工程管理运用等方面的问题。 ( 2 ) 进行了平底闸泄流能力水闸设计规范推荐公式和理论计算公式的比较。 ( 3 ) 进行临淮岗枢纽整体水工模型试验研究，包括枢纽平面布置、枢纽泄流特性、 闸门管理运用方法。 ( 4 ) 根据临淮岗枢纽整体水工模型试验及安徽省类似平底闸试验资料，提供了水 闸设计规范推荐公式中综合流量系数胁值的试验值。 本项研究成果主要有以下创新： ( 1 ) 总体布置研究对可研批复的枢纽总布置方案作出了重大调整和优化，拆除 老涵洞式深孔闸，新建开敞式深孔闸，重新布置引河河线，消除了壅水和横向流现象， 水流平顺。在深、浅孔闸上下游翼墙之间和深孔闸与船闸上引航道之间分别增设分流岛， 消除了深、浅孔闸上下游翼墙之间存在的横向流和回流区，保证上引航道内水流平顺。 ( 2 ) 闸室隔梁的研究提出隔梁方案取代隔板，避免了原布置可能出现的气囊、 漩涡及闸门振动等危害建筑物安全的不良现象。 ( 3 ) 模型自动控制系统模型出流采用组合式差动尾门。有效消除水面振荡、提 高了控制效果和精度，加快了试验进度，保证了成果质量。 关键词：临淮岗枢纽布置平底闸泄流能力闸门管理运用 a b s t r a c t ih ew a t e 卜r e s o u r c es y s t e mw i t ht h ek e yo fs i u i c eg a t e sa r eg e n e r a l l yc o n s i s t e do f s l u i c e g a t e 、n a v l g a t l o nl o c k ，p o w e rs t a t l o n 、p o m ps t a t l o na n ds oo np r o j e c t t h eg a t eo fp j a j nz o n c m o s to iw l t c ha r ep l a t et l o o rh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o ns m a l l e rd r o p so ff l o wp a s s i n g2 a t e a n db l gs u b m e r g e n c ed e g r e e f o rt h es l u i c eg a t e ss y s t e mc o n s i s t e do fs e v e r a ls t r u c t u r e si t i s t h ek e yw o r k so ts l u l c eg a ts y s t e l nl a y o u tt 1 1 a tb a s e do nt 1 1 ec o n d i t i o no f t o p o g r a p h y2 e o l o g v 士1 0 wmt h e l o c a t l o ng a t ea 1 1 dt h ed e m a n do f 如n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so d e r a t i o nt or a t i o n a l a r r a n g e t h ee a c hs t r u c t u r er e i a t l v ep o s i t i o ni nt h e s y s t e m a 矗e rap r o i e c th a db e e nc o n s t m c t e d t h er a t l o n a lm e t h o do ta d m m i g t r a t i o na n do p e r a t i o nm u s tb eh e l dt oe n s u r es a f ef o r e v e r o p e r a t i n g i nt h j sp 印e r 淅t l l 也eh y d r a m i ce x p e r i m e n to fc o m p l e t el i n h u a i g a n gp r o j e c ta b o v e m e m i o n e dp r o b i e m sa r es t u d i e da sf e l l o w ( 1 ) 廿1 ec h a r a c t e r i s t i c so fl a y o u tf o rl a r g es l u i c e g a t es y s t e m 、d i s c h a r g ec a p a c i t y c a l c u i a t l o no fa s y s t e ma n dc o n s t i u c t i o na d m i n i s t r a t i o na n do p e r a t i o n ( 2 ) t h ef o m u l ar e c o m m e n d e db ys l u i c eg a t ed e s i g ns t a n d a r d c o m p a r ew i t ht h e f o n i l u l ao f t h e o n ，c a l c u l a d o n 1 ( 3 ) t h es t u d yo ne x p e r i m e n to 儿i i l l u a i g a l l gp r o j e c t ，i n c i u d i n gs y s t e mp l a i n1 a y o u t ， c h a r a c t e r i s t i co ff l o w d i s c h a r g ea i l dm e t h o do fg a ta d m i l l i s t m t i o no p e r a l i o n ( 4 ) b a s e do nl i n h u a i g a n gs y s t e mc o m p l e t eh y d r a u l i cm o d e le x p e r i m e n ta n dt e s td a t eo f s i m i l a rp l a i nf l o o rg a ti na 1 1 l l u i p r o v i n c eo 丘b r i n gt h et e s t i n gd a t eo fs u mu pd i s c h a r g e c o e 佑c i e m 斗。r e c o m m e n d e db y s l u i c e2 a t ed e s i 髓s t a n d a r d i 。h e r ea r es o m ek e yn e wa i l da d v a n c e dp o i m sj nt h j ss t u d ya c c o m p j j s h m e n ta sf e l l o w ： ( 1 ) t h ei m p o r t a n tm o d i 母a n do p t i m i z a t i o nh a v eb e e nd o n ef o ro r i g i ns y s t e mg e n e m l i a y o u tt h a ti st h a tt h eo r i g i nt y p eo fc o n d u i td e e pg a t ew a sd e m o l i s h e da n dn e wo p e ng a tw a s c o n s t m c t e d ，t h ec e n t e rl i n eo fa p p m a c hc h a n n e lw a sr e 猢g e de l i m i n a t i n 2p h e n o m e n o no f b a c k w a t e ra 1 1 dc m s sf l o w i n gg o i n gt o s m o o t h ，1 el e a d i n gn o w i n gi s l a n da r ec o n s t m c t e d r e s p e c t l v e i ym t h ez o n eb e 柳e e nu p s t r e a i l la 1 1 dd o w n s t r e a ml e a d i n gw a l lo fd e e pg a t ea i l d s h a l l o wg a t ea i 】du p s t r e 锄印p m a c hc h 蛐e lo f d e 印g a t ea n d s 王l i pl o c ke l i m i n a t i n gb a c k w a t e r a i l dc r o s st i o w m gm t i l ez o n eb e t 、v e e nu pa 1 1 dd o 、v n 、v a o f 1 eg a t e st ol e tt h en o wg o i n 2t o s m o o t hi nu p s t r e a ma p p r o a c hn a v i g a t i o nc h a 衄e lo f s h i pl o c k ( 2 ) f b rt h es t u d yo ng a t ec h a m b e rb a rb e a mo 圩色r i n gb e 珊u s e di n s t e a do fp l a t ea v o i d i n 2 m ea l rb a ga 1 1 d e d d ym a y 印p e a r i n gi no r i g i nl a y o u ta n dt h eb a dp h e n o m e n o no fg a t e v i b r a t i o nl e a d i n gs “u c t u r ed a r n a g e ( 3 ) f o rt 1 1 em o d e la u t o - c o n t r o ls y s t e mw i t hc o m b i n a t i o nd i 矗e r e n t i a lt a i j2 a t et oc o n t r o l o u t l e t ，s oa st or e m o v ew a t e rs u 一备c eo s c j l l a t er a i s ec o n t r o lr e s u 】ta n da c c u r a c ys p e e d i n gu p e x p e r i m e n ts c h e d u l ee n s 嘶n gr e s u l ti na d v a n c e k e y w o r d s ： l i n h u a i g a i l g ，s y s t e m1 a y o u t ， p 1 a t e n o o r g a t e ，d i s c h a r g ec a p a c i t y a d m i n i s t r a t i o no p e r a t i o n 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究 绪论 1 1 引言 第一章绪论弗一早三百1 ：匕 水闸枢纽是以水闸为主的水利枢纽，一般由水闸、船闸、水电站、泵站等建筑物 组成。与其他水利枢纽一样，水闸枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件，以及 该枢纽中各建筑物的功能、特点、运用要求等，合理安排好水闸与枢纽其他建筑物的相 对位置。使其布置紧凑协调，形成整体效益最大的有机联合体，以充分发挥整个枢纽工 程的作用【1 ”。 从工程现场及实验室模型试验观测中发现，对于由多种型式泄洪建筑物组成的水 闸枢纽，若布置不当，则容易引起枢纽上游来流及下游出流常常会出现横向水面比降， 出现较大的横向流速和局部回流等不良流态，恶劣的枢纽布置及不当的开启操作将可能 造成上游自由水面局部“塌陷”，形成复杂的三维流态；下游出现折冲水流，不仅破坏 河床形态、碍航，且增加了消能工、导流设施和堤防保护的压力。 影响枢纽布置的因素很多，枢纽上下游河道的平面形态、底部地形、枢纽泄水建筑 物相对于河道形态的布置方式以及枢纽泄水建筑物的型式等均对流态有非常大的影响， 例如：开敞式水闸过闸水流属堰流型，上游呈降水曲线，主流接近表面；潜没式水闸过 闸水流属孔流型，上游呈壅水曲线，主流接近底部。 从流态考虑，对枢纽布置的要求是：进出流平顺，流线匀滑、无折冲、无回流、无 漩涡。于是需结合枢纽所在地形、功能仔细比较各种布置，设置合适的导流设施。以达 到平面( 或断面) 上流速分布比较均匀，沿河宽( 当河底地形变化不大时) 单宽流量分 布比较均匀。 过闸水流问题复杂，工程水力设计时通常采用数学模型和应用经验公式进行有关的 计算，但这两种方法都有一定的局限性，数模计算时需引进各种假设进行简化，；经验 公式有一定的使用条件和适用范围，不能任意推广使用。事实上天然河道中水工建筑物 的边界条件变化多且复杂，因此重要的工程常须经过水工模型试验研究，以确定台宜的 工程布置方案1 3 j 。 水闸泄流能力涉及到孔、堰流计算，推导计算公式时，在上游来流渐变流断面和卜- i 堕堂宴堡塑：望堡塑量墨鲨堕鐾垄塑至 笪笙 游渐变流断面( 多取在收缩断面处) ，下游水位较高时应考虑淹没影响。通常运用水力 学的总流方法建立伯努利方程，并考虑下游水位引起的淹没影响和过闸水流的收缩影 响，引入各种系数。此种方法的缺点是：收缩断面= = 易精确确定，淹没系数属经验型。 而h 这类公式多数仅适用于二维情况( 多数是从水槽试验取得的) ，对于实际工程，需 考虑上下游流势及建筑物的相对位置。 经验公式中的这些系数具有一定的不确定性，用以进行实际工程泄流能力计算时， 有时有可能出现很大偏差。现行水闸设计规范f 4 推荐的水闸泄流能力计算公式为： ! q = 竹2 9 蛳鼠 ( 1 1 ) 式中q 一过闸流量( m 3 ，s ) ；e 一侧收缩系数；日。一计入行近流速的堰上水头( m ) ； 川一自由出流流量系数；鼠闸孔净宽；盯一淹没系数。 堰流淹没系数可采用下式计算 量 一z 引鲁”耖ho?ho 一 衄一由堰顶算起的下游水深( m ) 。 ( 1 2 ) 对于平底水闸，当堰流处于高淹没度时( o9 ) ，规范推荐采用下式计算泄 。 q = 曰。a 。缸面i _ 丽 舻。脚，+ ( 鲁一0 6 s ) 2 ( 1 3 ) ( 14 ) 式中“一淹没堰流的综合流量系数。 根据我们以往的经验可以发现，采用以上公式的计算的泄流能力与试验实测值存 在较大的偏差，尤其在高淹没度条件f 出流时。 因而对于一个实际的水利枢纽，当最终确定了其布嚣方式以后，为了指导工程管理 人员的运行操作，应通过整体模型试验。对不同的预期运用方式，测定各自的泄流能力， 绘成图表、曲线或整理成经验公式以方便查用。这一方法，综合了侧收缩、淹没、工程 布置及丌启方式等影响，较直接可靠。 对于由多种型式泄洪建筑物组成的水闸枢纽，当多个泄洪建筑物刊时运行时，不同 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究 绪沦 型式泄水建筑物之间的流量分割( 分流比) 在工程方案比较研究中具有重要意义，为了 进行流量分割，可采用以下方法：在各种泄水建筑物具有缓变流特征的断面上进行水 深和流速测量，然后积分求和( 此法较粗糙) ；对于泄流时下游特征水位断面上流速 较小的情况，可以将联合运行时的流量及下游水位测出，然后在控制这一下游水位情况 下，单独开启某种泄水建筑物，测出其流量。两者相减即得出另一种泄水建筑物的泄流 量。 闸门管理运用时，当闸坝下游水位很低，甚至无始流状态下，若骤然放水，将闸门 一次全部打开，此时，过闸单宽流量很大，下游必将产生严重冲刷。如按此设计消能措 施，不仅工程造价很高，而且在技术上也相当困难。因此，需对闸门的操作管理工作出 一些规定，即闸门的逐步提升高度，必须满足消力池内产生淹没水跃的要求，以达到河 床不冲的目的【5 刚。 对于多孔水闸，需制定合理的闸门开启顺序，防止集中开启而导致单宽流量过分集 中，或因开启不当而导致偏流。 在多种泄水建筑物联合运用时，应力求消能充分及消能负荷配置合宜，尽可能使 单宽流量平面分布均匀，避免闸上下游产生较大的横比降。 1 2 临淮岗枢纽前期建设及现规划的工程目标 淮河流域地处我国南北气候过渡带，降水时空分布不均。淮河干流洪水特性是峰 高量大，高水位持续时间长。正阳关是淮河中上游洪水主要汇集点，也是淮河中上游防 洪的控制点，它几乎控制了上游山区的全部来水。由于上游山区河道坡陡流急，中游河 道比降平缓，并受洪泽湖水位顶托，致使中游洪水排泄不畅，洪涝灾害成为淮河中游地 区发生最频繁、损失最严重的自然灾害。淮河中游的一连串湖泊洼地，历史卜是洪水天 然滞蓄场所。新中国成立以后，在开发利用这些湖泊洼地水土资源的同时，将其中一部 分辟为行、蓄洪区。正阳关以上行蓄洪区防洪标准较低。最低的为3 5 年一遇【7 j 。淮干 正阳关至洪泽湖，全长3 3 2 k m 。北岸是广阔的淮北平原。由淮北大堤保护着涡东、涡西 两大保护区。保护区内土地资源丰富，有耕地近1 0 8 6 万亩，人口约6 8 2 万，是我国重 要的商品粮基地。区内有特大型煤矿潘谢矿，以及2 0 0 0 年开始建设的张集电厂。这 地区地势平坦，位置适中，交通发达，西部有阜( 阳) 淮( 南) 铁路，东部有京沪铁路，合 徐高速公路和规划将兴建的京沪高速铁路也贯穿该区。淮干f 阳关以下，沿淮有国家重 要防洪城市蚌埠市和淮南市，两城市人【i2 0 0 多万人。新中国成立后，大规模地进行了 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究绪论 淮河治理，上游兴建了山区水库，中游疏浚河道，加固堤防，使沿淮地区抗御洪水的能 力大大提高，但中游河道泄量小，不能安全承泄上游来水口j ，在现状工程条件下，即使 运用沿淮所有行蓄洪区行蓄洪，淮北大堤和城市防洪圈堤的防洪标准仍不足5 0 年一遇。 每逢汛期，在淮河防洪上均要耗费大量人力、物力、财力。这与该地区社会经济的迅速 发展很不适应。为提高淮河防洪标准，在淮河中游兴建一处洪水控制工程，对防洪的战 略意义和基础作用是其它措施不能替代的 9 。因此，修建临淮岗洪水控制t 程是淮河防 洪体系不可缺少的战略性骨干工程，是提高淮河中游防洪标准的优选方案。 淮河是我国七大江河中第一条进行全面治理的大河。1 9 5 0 年1 0 月政务院发布关 于治理淮河的决定，制定了“蓄泄兼筹”的治淮方针。1 9 5 1 年，淮委针对1 9 5 0 年洪水 提出了治淮方略报告，明确中游兴建洪水控制工程，枢纽位置选在润河集( 临淮岗以上 3 8 公里) 。规划在淮河干流上游和支流修建1 6 座山谷水库和利用上游洼地蓄洪情况下， 再遇1 9 5 0 年洪水，控制正阳关下泄流量不超过6 5 0 0 立方米每秒，水位不超过2 4 4 米( 废 黄标高，下同) 。润河集工程于1 9 5 1 年2 月开工，同年7 月建成。安徽省于1 9 5 8 年7 月 开始筹建，8 月动工兴建卅。 临淮岗工程建殴期间，时值国民经济调整期，于1 9 6 2 年4 月停工缓建。停工时已建 成l o 孔深孔闸、4 9 孔浅孔闸、5 0 0 吨级船闸及姜家湖内土坝和上下游引河部分工程等， 完成土方1 7 4 5 万立方米，混凝土7 7 万立方米，砌石1 25 万立方米，投资6 3 0 0 万元。 1 9 6 2 年f 临淮岗工程停建后，淮河中游的防洪标准一直很低。1 9 9 1 年国务院关于进 一步治理淮河和太湖的决定要求：“九五”期问研究建设临淮岗工程，并将其列为1 8 项治淮重点骨干工程之一。要求修建临淮岗洪水控制工程后，遇1 9 5 4 年型l o o 年一遇 洪水，淮河干流的洪水得到有效控制，正阳关最大流量不超过1 0 0 0 0 m 3 s 。这与无临淮 岗洪水控制工程比较，临淮岗洪水解决了正阳关2 0 3 亿m 3 的洪水压力，削减洪峰流量 6 3 8 0 m 3 s ，保护了淮北大堤保护区和沿淮重要工矿、城市的安全【1 1 】。 由此可见，临淮岗洪水控制工程滞洪削峰作用十分显著。在淮河中游修建临淮岗洪 水工程，对淮河中游防洪的战略意义和基础作用是其他措施不能代替的。根据1 9 9 8 年7 月水利部淮委规划设计研究院编制的淮河中游l 晦淮岗洪水控制工程可行性研究报告， 临淮岗工程的主要任务是当淮河上中游发生百年一遇洪水时，配合现有水库、行蓄洪区 和河道堤防，关闸调蓄洪峰，控制洪水，使淮河中游防洪标准从难以防御建国以来发生 的1 9 5 4 年最大洪水( 合5 0 年一遇左右) 提高到百年一遇，确保淮北大堤安仝；平时丌 闸敞泄，保证上中游河道排水j 卜常通畅。坝前设计洪水位2 85 1 米，相应滞洪库容8 6 亿 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究绪论 立方米，增加蓄洪库容3 2 亿立方米；非常运用洪水标准千年一遇，校核水位2 95 9 米 相应库容1 2 l 亿立方米盼1 ”。 鉴于临淮岗 ：程的重要性，并考虑到该工程已部分建成，斟此对该工程枢纽的总体 布置必须结合这样的条件，根据新的要求进行仔细研究。 1 3 本文的研究内容和预期目标 本文以临淮岗枢纽工程为对象，运用水工模型试验手段，主要研究内容如下： ( 1 ) 基于各种泄水建筑物的布置方式，按照枢纽泄水建筑物的总体泄流能力，进 行临淮岗枢纽总体布置方案的比选，以达到各闸过闸水流平顺、闸上及闸下横比降较小， 并满足消能防冲要求的目标。 ( 2 ) 临淮岗深、浅孔闸的泄流特性曲线。 ( 3 ) 临淮岗深、浅孔闸的合理运行方式。 ( 4 ) 应用临淮岗枢纽试验成果，并结合类似工程的试验资料，探讨平原地区大型 泄水建筑物在高淹没度条件下泄流能力的计算方法。 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究临准岗枢纽总体布置研究 2 1 工程概况 第二章临淮岗枢纽总体布置研究 临淮岗洪水控制工程位于淮河中游正阳关以上2 8 k m 处，集水面积4 2 1 6 0 k m 2 。该丁 程为大洪水控制工程，它与上游的山区水库、中游的行蓄洪区、淮北大堤以及茨淮新河、 怀洪新河共同构成淮河中游多层次综合防洪体系，使淮河中游防洪标准提高到1 0 0 年一 遇。工程位置见图2 1 。工程的主要任务是：当淮河上、中游发生大洪水时，且正阳关 上、下淮河行蓄洪区均已充分运用，正阳关以下流量仍将超过河道设计泄洪能力，即正 阳关设计水位为2 6 4 0 m ( 8 5 国家高程，下同) ，流量1 0 0 0 0 m 3 ，s 时，启用临淮岗工程控 泄洪水，维持正阳关以下河道泄量不超过设计标准。该工程为i 等大( 1 ) 型工程，正 常运用洪水标准为1 0 0 年一遇，非常运用洪水标准为1 0 0 0 年一遇。1 0 0 年一遇坝前设计 洪水位为2 8 ，4 1 m ，相应滞蓄库容为8 5 6 亿m 3 ，1 0 0 0 年一遇坝前校核洪水位为2 9 4 9 m ， 相应滞蓄库容为1 2 l _ 3 亿m 。 2 2 原布置方案总体布置 根据临淮岗工程的现状及现规划的工程目标，续建工程设计时的原布置方案为： 临淮岗洪水控制工程枢纽建筑物较多，包括主坝( 长约8 o k m ，最大坝高1 9 m ) 、南 北副坝( 长约6 9 k m ，最大坝高1 1 m ) 、老浅孔闸( 4 9 孔，单孔净宽1 0 m ) 、老深孔闸( 1 0 孔，单孔5 6 5 m ) 、新建深孔闸( 初拟1 2 孔，单孔5 6 5 m ) 、新建姜唐湖进洪闸( 初 拟1 4 孔，单孔净宽1 2 m ) 、老船闸( 初拟改建成5 0 0 t 级) 以及上下游引河( 长约1 4 k m ， 底宽1 6 0 m 、边坡1 ：4 ) 。 枢纽工程规划参数如表2 1 所示【1 43 ”。 原浅孔闸布置在临淮岗引河左侧滩地上，加固后仍为4 9 孔，每孔净宽9 ，8 m ，闸室 总宽5 6 6 6 m ，闸底板高程2 0 5 0 m 。原深孔闸、新建深孔闸、原船闸布置在临淮岗引河上。 原深孔闸加固后仍为1 0 孔，单孔尺寸4 5 6 m ，闸底板高程15 1 5 m 。新建深孔闸为1 2 孔，单孔尺、1 r5 6 ，5 m ，闸底板高程1 4 9 0 m 。原船闸加固改建后为级( 5 0 0 t 级) 船闸， 上下闸首净宽1 2 m ，闸坎高程1 4 9 0 m ，上下闸首及闸室总长2 1 5 m 。船闸工程规划参数 见表2 2 。 临滞岗枢纽总体布置及泄流能力研究j 台i 淮岗枢纽总体布置研究 7 囤_量掣吾圭h暴靶*越讴烘蝗一一n匝 临准岗枢纽总体布置及泄流能力研究临淮岗枢纽总体布置f | 究 表2 1枢纽工程规划参数表 水位( m )设计要求泄 运行工况备注 闸上闸f量( m 3 s ) 河道平槽泄水 2 1 - 2 32 0 6 61 0 9 0 两深孔闸共同承泄 两深孔闸及4 9 孔浅孔闸共同 河道滩槽泄水2 5 6 32 5 5 l5 0 0 0 承泄 两深孔闸及4 9 孔浅孔闸共同 河道设计洪水 2 6 9 02 6 7 07 0 0 0 承泄 姜唐湖进洪 2 6 9 02 6 7 02 4 0 0 姜唐湖进洪闸承泄 1 0 0 年一遇设计洪两深孔闸、4 9 孔浅孔闸及姜 2 8 4 l 2 67 57 3 6 2 水唐湖进洪闸共同控泄 l o o o 年一遇校核洪两深孔闸、4 9 孔浅孔闸及姜 2 9 4 92 8 9 11 7 9 6 5 水 唐湖进洪闸共同承泄 表2 2 船闸工程规划参数表 水位( m ) 运行工况各注 闸上闸下 最高通航水位2 6 9 02 6 7 0 最低通航水位1 7 6 01 7 4 0 设计洪水2 8 4 12 6 7 5不通航 校核洪水 2 9 4 92 8 9 l不通航 最大水级 2 0 5 01 7 5 0 检修水位 2 0 5 0 2 0 3 0 2 3 水工模型试验目的 鉴于临淮岗洪水控制工程建筑物种类多，工程调度运用复杂。枢纽上下游水域宽阔、 i ：游进口河道弯曲、流态复杂。为优化布置进行枢纽整体水工模型试验，以确定枢纽总 泄最和规模、各闸的相对位置和平面布置、各闸分流比和管理运用方式。具体内容包括： 临准岗枢纽总体布置及泄流能力研究临淮岗枢纽总体布置州究 ( 1 ) 验证各闸在规划设计水位下的过流能力，确定各闸的规模。( 2 ) 研究枢纽各建筑 物总的调度运用方法及闸门启闭方式。( 3 ) 研究各闸闸上、闸p 流态、流速，确定上f 游翼墙、导流堤合理的平面布置及其长度，闸上下游护底、护坡的合理型式及其范围。 ( 4 ) 研究城西湖退水闸进水、退水、引水对老深孔闸、老船闸的影响以确定新建深孔 闸的位置。 2 4 模型设计与模型布置 241 模型范围与模型布置 ( 1 ) 坝上游范围 采用二维数学模型确定闸上水位和流速分布，二维数模的结果离闸愈近，误差愈大。 因闸前水流是较复杂的三维流动。物模上宜选择较长的闸上河段，使得物模边界离闸较 远，闸上河道物模与数模有一重合段，使模型水流经一段调整后，减小部分数模引起的 误差。特别是二湖圈圩方案，对于局部整体模型来讲，邱家湖来流为侧向进流，适当放 长上游范围，可以减小误差。因此，坝上游取4 0 k m 。 ( 2 ) 坝下游范围 根据淮委水科院城西湖退水闸水工模型试验和城西湖退水闸引河工程河 工模型试验【2 l 】成果，城西湖退水时对临淮岗深孔闸和船闸下游流态有影响，尤其是对 船闸下引航道影响较大。因此，城西湖退水闸下引河出流扩散范围均应包括在试验范围 内，故下游取2 0 k m 。 ( 3 ) 横向范围 右侧范围沿城西湖退水闸、排涝站等，左侧至何家圩。考虑到二湖圈圩方案邱家湖 来流，何家圩左侧留8 o m ( 模型尺寸) 工作段，作为入流调整上作段( 水流开边界) 。 24 2 模型比尺 采用正态模型，几何比尺l f 7 5 ，模型按照重力相似准则设计，并满足阻力相似要 求，相应物理量比尺为： 流速比尺圯= 膨= 8 6 6 0 流量比尺g = 乎= 4 8 7 1 3 9 3 糙率比尺，= 蟛= 2 0 5 4 经核算，选择模型比尺l r = 7 5 叮满足以下条件： 0 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究 临淮岗枢纽总体布冒研究 ( 1 ) 模型水流进入阻力平方区，至少能保证在紊流区； ( 2 ) 通过适当加糙，模型能满足阻力相似要求； ( 3 ) 模型水深不小于3 c m 。 原型主槽糙率n ：= o 0 2 2 5 ，滩地糙率n = o 0 3 0 ，要求相应模型糙率为：主槽n 。 一0o l l ，滩地n 。= o 0 1 4 6 。水泥面抹光糙率为n = 0 0 1 1 ，满足主槽糙率相似要求，但 滩地要另行加糙。选用块石梅花加糙。块石经筛分，平均粒径d d = 2 5 c m 。按卢汉才、杜 宗伟试验资料 1 5 】： n 。= 槲。 d p = 25 c m ，间距l = 3 0 c m ，则l d p = 1 2 ，由试验率定资料k = o 0 1 2 5 ，则n ，= o0 1 2 5 2 5 6 = o 0 1 4 6 。因此，选用平均粒径d 。= 2 5 c m ，间距3 0 c m 梅花排列加糙可满足滩地阻力相似 要求。 对于模型加糙技术及试验精度，长期以来从事实体模型试验的科技人员进行了大量 的研究1 7 1 8 ，研究成果表明，选择以上比尺及加糙能满足试验要求。 2 43 模型自动控制和量测 临淮岗工程水工模型入、出流边界多，条件复杂，应按不同工况分类设置与控制。 综合两湖联圩和三湖联圩方案，模型共设七个量水堰，其中三个量水堰控制入流，四个量 水堰用来控制或检测、校核出流量。模型三处出流断面均设尾门控制。淮千出流尾门由设 计闸下水位控制；城西湖退水闸下设尾门控制分洪流量f 2 2 】。临淮岗水工模型面积大，模 型水面宽达4 0 m ，模型三个尾门分别要根据闸下水位和两处分流量共同调节来满足出口 边界条件，靠常规人工操作足无法完成的。因此，模型入、出流与尾水必须进行自动控 制。此外，考虑到临淮岗枢纽调度的复杂性和在淮干防洪调度中的重要性，模型必须具 备能进行非恒定流试验的测控条件，以便进行洪水调度试验研究。 在新深孔闸、老深孑l 闸、浅孔闸和城西湖退水闸上、下游分别布置自记水位计，并 沿主河道在引河进口和尾门前各布置l 台水位计，用于量测水位的自计水位计共1 0 台。 另外，7 座量水堰各有1 台水位计用于量测堰上水头盼24 1 。整个系统布置精密水位计1 7 台。模型还布置水位测针5 0 根，用于各水位计校核和人工加测水位。根据不同工况，系 统可进行模型中4 座水闸上、下游断面流速自动检测。 淮河临淮岗洪水控制工程枢纽水工模型自动检测与控制系统主控部分是台工摔 计算机，工控主机分别通过模数转换( a d ) 卡、开关量输入输出( d i d 0 ) 卡、r s 2 3 2 c 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究 临淮岗枢纽总体布置研究 一r s 4 8 5 c 转换器等分别与现场的水位仪、r m 4 3 6 脉冲采集模块和红外调制旋桨流速传感 器、入流出流执行机构等现场仪表和设备相连，由工控主机分别对其进行相应的数据 采集和控制2 6 1 。 为了完全实现入流过程自动控制，本系统仍采用自行研制的“大型河工模型自动检 测与控制系统2 7 2 8 】”中闭环控制的电动量水堰系统，用于对入流进行控制。临淮岗枢纽 水工模型入流点多，需要同时控制，本系统各入流堰每6 s 调节一次，完全能够满足要求。 为了消除振荡、提高控制效果和精度，经过反复比较，设计了一种新型的差动式尾 门，即把有矩形门槽的翻板门改为有三角形门槽的翻板门，门槽的宽度和高度由水力 计算得出，门槽溢流，门顶不过水阻30 1 。 临淮岗工程水工模型水面大、落差小，对水位测量要求高，应采用精度较高的水位 仪。本系统中，使用了三种水位采集仪，一种是自制的a w 远传振动针式精密水位仪， 另一种是g s 一3 b 跟踪式光栅水位仪，还有一种是带r s 4 8 5 接口的j s 型精密探测式水位 仪。a w 远传振动针式精密水位仪的分辨率为00 2 m m ，g s 一3 b 跟踪式光栅水位仪的分 辨率为o 0 2 m m ，j s 型精密探测式水位仪的分辨率为o 0 5 m m 。经恒定流时用测针比较， 各式水位仪的精度优于0 1 唧。 试验时，沿程水位及各量水堰水位每2 s 检测一次，通过r s 一4 8 5 总线将数据传送至 工控机。 模型总体布置见图2 2 。 2 5 原布置方案试验1 3 l l 2 51 河道平槽泄水工况 河道平槽泄水工况，设计闸上水位2 1 2 3 m ，闸下水位2 0 6 6 m ，两深孔闸全丌，浅 孔闸关闭。各闸控制水位与实测水位如表2 3 所示。设计落差o 5 7 m ，实测两深孔闸过 闸落差o 1 5 m ，泄量满足设计要求且有富余。新、老深孔闸分流比如表2 4 所示，枢纽上、 下游流态、流速分布如图2 3 所示。两深孔闸前进流平顺，闸下游扩散较均匀。闸下两侧 翼墙下游有小范围微弱回流。老深孑l 闸下游大墩尾部有小范围回流。下引航道出口与城西 湖退水闸下引渠出口交汇处存在回流，回流流速0 1 5 o 2 0 州s ，对通航有不利影响。 临淮岗枢纽总体布置及_ j f i f 流能力研究 临准岗枢纽总体布置研究 临雕岗枢纽总体布置发泄流能力研究临淮岗枢纽总体布冒州究 两深孔涵洞中水流流态为无压明流。当水位上升，涵洞中会出现明满流过渡状态。 引河土质为粘土，根据淮干类似土质长期积累的经验数据，取v 】o = 1o m s ( 水深为1 o m 的允许抗冲流速) ，闸下允许抗冲流速y = 1 5 0 m s ( 矿= _ 。r “，口取值在o t 2 o 2 5 ，计算 取值盘= 0 2 2 5 ，r - 水力半径) 。实测闸下最大垂线平均流速吃一i i o 耐s ，小于允计抗冲 流速。 25 2 河道滩槽泄水与河道设计洪水工况 ( 1 ) 水位与落差 河道滩槽泄水与河道设计洪水两种运行工况枢纽运行方式是致的，即新、老深 孔闸和浅孔闸均全开泄水，是枢纽规模设计的控制工况。 两种试验工况均控制闸下平均水位与规划水位一致。实测两工况各闸闸上、闸下水 位和过闸落差如表2 4 所示。各闸过闸落差不完全一致，两深孔闸过闸落差大于设计落 差，而浅孔闸过闸落差小于设计落差。换言之，各闸上、下游相同断面水位不完全一致。 闸上水位变化规律是：老深孔闸闸上水位最高，对应的同断面浅孔闸闸上水位最低，两 者之间的横向落差，河道滩槽泄水工况为0 0 5 m ，河道设计洪水工况为o 0 8 m 。闸下水 位变化规律与闸上相反，即深孔闸闸下水位最低，浅孔闸闸下水位最高，对应两种工况 闸下横向落差均为一o 0 2 m 。试验实测两种工况上引河口水位等于或略低于规划值。 ( 2 ) 过闸泄量与分流比 河道滩槽泄水试验工况，浅孔闸泄量4 2 0 3 m 3 s ，分流比为8 4 0 6 ；新、老深孔闸 泄量为4 5 5m 3 s 和3 4 2m 3 s ，分流比分别为9 1 0 和6 8 4 。 河道设计洪水工况，浅孔闸泄量5 9 5 9m 3 s ，分流比为8 5 1 3 ；新、老深孔闸泄量 为5 9 5m 3 s 和4 4 6m 3 s ，分流比分别为8 5 0 和6 r 3 7 。 由表2 5 可以看出，三闸联合敞泄，浅孔闸分流比大于8 4 ，且分流比随水何和 枢纽泄量的增大而增大，而两深孔闸分流比则相应减小。深、浅孔闸分流比严重不合理， 深孔闸未能发挥其应有的作用。 形成这种不良状况的主要原因是，浅孑l 闸为宽顶堰泄流，而深孔闸实际上是淹没 l3 j 临淮岗枢纽总体布置及泄流能力研究 临淮岗枢纽总体布置i ：l | 究 孔流，严重影响了深孑l 闸的泄流能力。 ( 3 ) 流态与流速分布 两工况流态、流速分布如图2 4 、图2 5 所示。由于引河走向偏右，在右岸转弯处 形成大范围缓慢回流区。上游洪水除两深孔闸下泄以外，部分水流还偏向左侧浅孔闸， 经浅孔闸下泄，而造成深孔闸前壅水，并产生横向流速，横向流速大小与引河纵向流速 相差不大。两深孔闸前存在大范围回流区，水流紊乱，增大了深孔闸过闸落差，影响深 孔闸泄流。 表2 3敞泄工况水位、落差比较表 河道平河道滩河道设计 试验工况备注 槽泄水槽泄水洪水 三闸总泄量( m 3 s ) 1 0 9 05 0 0 07 0 0 0 闸上 2 1 2 32 5 6 32 6 9 0 1 三闸是指老深孔闸、 规划水位 闸下 2 0 6 62 5 5 12 6 7 0 新深孔闸和浅孔闸。 ( m ) 过闸落差 o 5 70 1 2o 2 0 2 横向落差是老深孔闸 老闸上 2 0 8 12 5 6 62 6 9 2 深 闸下 2 0 6 62 5 4 92 6 6 8 闸上、闸下与浅孔闸闸 实 上、闸下对应水位差。 孔 过闸落差 0 1 50 1 7o 2 4 测 新 闸上 2 0 8 12 5 6 52 6 9 13 闸上水位按规范 水 深 闸下 2 0 6 62 5 4 92 6 6 8 为闸轴线以上o2 5 0 m 位 孔 过闸落差 0 1 5o ，1 6o _ 2 3 处水位，闸下水位为闸 浅 闸上 2 5 6 l2 68 4 ( m ) 轴线以下0 + 3 0 0 m 处 孔 闸下 2 5 5 l2 6 7 0 水位，测点均设在各闸 闸 过闸落差 o 1 0 o 1 4 横向落差 闸上 o 0 5o 0 8 中心线上。 ( m ) 闸下o 0 20 0 24 试验控制闸下平均水 平均水位 闸上 2 5 6 22 6 8 5 位与规划水位一致。 ( m ) 闸下 2 5 5 12 6 7 0 上引河r 规划值 2 1 3 32 5 6 72 6 9 4 水位( m ) 模型值 2 0 8 92 5 6 72 6 9 3 临淮岗枢纽总体布置皮泄流能力研究 临准岗枢纽总体布冒例究 表2 4敞泄工况分流比 三闸浅孔闸老深孔闸 新深孔闸 备组 试验工况 总泄泄量分流泄量分流 泄量分流 次 注 量m 3 sm s比 m 3 s 比m 3 s比 河道平槽 l1 0 9 0oo 4 4 6 4 0 9 26 4 45 9 0 8 敝泄 泄水 河道滩槽 25 0 0 04 2 0 38 4 0 63 4 26 8 44 5 59 1 0 敞泄 泄水 河道设计 37 0 0 0 5 9 5 9 8 5 1 34 4 66 3 7 5 9 58 5 0敞泄 洪水 浅孔闸闸上水流总体较顺畅，流速分布均匀。但在右导墙处，水流绕流进入闸室， 流态较差。两种工况浅孔闸闸下水流扩散较充分，流速分布也较均匀。反坡段后河床最 大垂线平均流速为1 3 0 “s 和1 3 5 耐s ，小于相应的河床允许抗冲流速为1 3 3 m ，s 和 1 4 2 m s 。 两深孔闸下游翼墙两侧均产生回流，流态较紊乱。引河水深大于滩地水深，其允 许抗冲流速大于滩地，而实测最大垂线平均流速为o 9 5 1 1 1 s ，引河也不会产生冲刷。 表25 1 0 0 年一遇设计洪水水位、流量比较表 老深 新深 水位、流量 浅孔闸 备注 孔闸孔闸 实测 闸上2 8 4 l2 8 4 02 8 _ 3 8 闸下 2 6 7 32 6 7 32 6 7 5l 、规划水位：闸上2 84 l m ，闸下 水位 过闸2 6 7 5 m ，设计过闸落差z = 1 6 6 m ( m ) 1 6 81 6 71 6 3 落差2 、三闸设计总泄量0 = 5 4 8 l m 3 s 流量：m 3 s ) 4 2 26 2 14 4 3 8 1 分流比( )7 7 01 1 3 38 0 9 7 临淮岗枢纽总休布置及泄流能力_ i f 究 临淮岗枢纽总体布置研究 243 百年一遇设计洪水 百年一遇设计洪水，枢纽采用控泄方式运行。试验控泄原则是：三闸消能、防冲 负担基本均衡。控制闸下平均水位2 6 7 5 m ，老深孔闸闸上水位2 8 4 l m 。两深孔闸控泄， 开度均为e = 3 o m ；浅孔闸从左到右第2 n + 1 孔( n - o 1 0 、1 4 2 4 ) 开度e 一20 m ，其余 各孔开度e = 2 5 m 。相应各闸水位、分流比如表2 6 所示，流态、流速分布如图2 5 所示。 对比表2 3 、表2 5 和图2 3 、图2 5 可知，由于闸门的调节作用，闸上、闸下水 位横向落差均降至o 0 3 m ，横向流速也较河道滩槽泄水工况降低，对应测点平均降低 0 2 0 m s 左右。经比较分析，各闸闸下消能防冲能满足设计要求。 2 5 3 原布置方案存在的问题 通过上述试验观测，原布置方案虽然在泄流能力闸上控制断面的水位等方面能满足 规划要求，但枢纽泄洪时的总体流态不良，表现为：老深孔闸与浅孔闸闸上、闸下水位 产生明显的横向落差，闸上、闸下产生较大的横向流速，两深孔闸上、闸下产生大范围 回流，这对于泄水建筑物本身及邻近建筑物的运用均将产生不利影响，为此需对布置方 案进行修改试验。 对以上不良流态，分析其原因为： ( 1 ) 从枢纽总体布置上看，引河主槽偏右，深孔闸泄量小，