石榴岗水闸重建工程水工整体模型试验研究

    王扬 麦栋玲 唐造造

    

    

    

    摘 要：通过建立广州市石榴岗水闸重建工程水工整体模型，研究分析了水闸的泄流能力、闸址附近流态、流速分布、船闸上、下游引航道口门区的流态及流速分布，提出了推荐清淤方案，试验成果可供工程设计和水闸运行管理部门参考。

    关键词：航道整治;航标设置及运用;新思路

    中图分类号：U644.3? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）08-0064-02

    1工程概况

    石榴岗河旧闸位于石榴岗河干流中段，距离石榴岗河口约2.8km，工程任务主要是防洪（潮）、排涝调蓄、景观补水、引水灌溉及通航功能。石榴岗河旧闸于1960年建成投入使用，运行至今已50多年，经过多年的运行，工程主体结构老化损坏严重，个别闸门出现漏水现象，水闸存在诸多安全隐患且标准过低。经综合评定为四类水闸，须拆除重建。

    石榴岗河水闸重建工程为中型Ⅲ等工程，闸址位于石榴岗河口附近南环高速和南沙港快线之间，主要建筑物为水闸、船闸、右岸管理区和左岸观景平台等，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级（见图1）。水闸设计防洪（潮）标准为200年一遇，对应外江设计洪（潮）水位为2.91m，挡潮时对应的闸内景观水位为0.8m，排涝标准为20年一遇24小时暴雨不成灾，20年一遇设计洪峰流量为112m3/s， 50年一遇设计洪峰流量为138m3/s。

    水闸共设7孔，每孔净宽13.5m，泄洪总净宽94.5m;闸底板高程-4.0m，内设工作闸门和检修闸门，闸门外侧设2.5m高胸墙。船闸布置于石榴岗河航道右岸，内、外涌闸首长度各34.7m，闸室段有效长度为80m，闸室净宽12m（见图2）。

    2 试验研究的目的和内容

    测试和研究石榴岗水闸工程运行的水力特性、工程段河道水流变化规律，论证水闸重建工程布置的合理性。试验研究的主要内容为：

    （1）测试和研究水闸泄流流态及内、外涌水流衔接过渡流态等，复核水闸的过流能力;

    （2）测试水闸内、外涌消能工运行的流态及流速分布等，优化消能工的体型和尺寸，妥善解决水闸内、外涌水流消能衔接过渡的问题;

    （3）通过试验研究，提出清淤方案，为工程设计和水闸运行管理提供科学依据。

    3 模型设计与制作

    水工模型按佛劳德重力相似律设计为正态模型，水工断面模型几何比尺Lr=44，水工整体模型几何比尺Lr=50。模型截取约1650m河段，其中闸内涌河道约850m，外江河道约800m。

    4 水闸泄流运行试验[1-2]

    进行了设计方案水闸泄流运行试验，试验表明：受外江河势及外江左岸观景平台附近淤积地形的影響，在排涝及排水工况时，出闸水流主流偏向右岸船闸一侧;在外江潮位为-1.08m，闸门开度e=1.0m时，测试的外江船闸口门区纵向流速较大值约1.6m/s，横向流速较大值约0.28m/s，给船闸通航带来了不利影响。

    为了改善水闸排水时外江河道的水流流态，消除偏流可能带来的通航安全隐患，对外江观景平台附近区域进行了清淤方案比选试验，确定了最终推荐方案（见图3），本文仅对推荐方案拦河闸泄流运行试验成果进行具体阐述。

    4.1 推荐清淤方案布置

    （1）水闸消能工采用设计方案布置，共设7孔闸，单孔净宽13.5m，闸底板高程为-4.0m，闸底板末端均以1∶6坡度与内、外涌消力池相接。内涌消力池底高程-4.5m，池深0.5m，水平段池长7.2m，池末尾坎顶高程为-4.0m，尾坎末端接长15m的水平海漫段（高程-4.0m），海漫末端接长10m的防冲槽（高程-4.0m）。外江消力池底高程-4.5m，池深0.5m，水平段池长10.3m，池末尾坎顶高程为-4.0m，尾坎末端接长25m的水平海漫段（高程-4.0m），海漫末端接长10m的防冲槽（高程-4.0m）（见图3）。

    （2）对外江观景平台附近区域进行清淤，顺水流方向清淤长度约125.5m，垂直水流方向清淤长度48.5m ～68m，靠近河槽区域清淤至-3.5m高程，以1∶4.5的坡度顺接至左岸边（见图3）。

    4.2 闸门局部开启运行试验

    水闸局部开启运行时，内涌水流较平稳，进闸水流较平顺，闸内涌河道流速较大值约1.7m/s。出闸水流直入消力池，随着闸门开度增加，消力池内水流紊动加剧，均未形成明显的水跃，出池水流基本能与外江河道平顺衔接，测试的消力池尾坎底流速较大值约2.0m/s。水闸外江河道偏流问题得到进一步改善[3]，河道流速分布更均匀，测试的外江河道（桩号0+146断面）流速较大值约2.0m/s，通航运行时船闸口门区纵向流速较大值约1.5m/s，横向流速V横≤0.25m/s。

    4.3 闸门全开运行试验

    在外江水位分别为1.04m和0.96m情况下，闸门全开泄放317m3/s流量运行时，内、外涌水流均较平稳，测试的水闸内涌水位分别为1.06m和0.98m，分别比设计值低0.06m和0.11m，水闸泄流能力满足设计要求，测试的消力池尾坎底流速较大值约0.7m/s，桩号0+146断面河道流速较大值约0.8m/s。

    5 结语

    （1）本项目对石榴岗水闸进行水工模型试验研究，优化了工程设计方案，试验研究成果可供工程设计和运行参考。

    （2）设计方案的水闸试验表明，受水闸外江河势及外江左岸观景平台附近淤积地形影响，出闸水流主流偏向右岸船闸一侧，对船闸通航不利。在对外江观景平台附近区域进行清淤后，进一步改善了水流偏流问题，测试的外江船闸口门区纵向流速满足V纵≤1.5m/s、V横≤0.25m/s的要求，有利于船闸安全运行。闸门全开泄流运行时，水闸泄流能力能够满足设计要求;闸门局部开启泄流运行时，水闸内涌水流较平稳，进闸水流较平顺。

    （3）工程运行时，可根据实际情况制订更详细合理的水闸调度运行方案，以确保工程安全运行。水工模型试验提出的水闸运行管理措施的建议，可供工程设计和运行管理参考。

    参考文献：

    [1] 唐造造，王 扬，麦栋玲. 广州市海珠区石榴岗河水闸重建工程水工断面模型试验研究报告[R].广州： 广东省水利水电科学研究院，2015.

    [2] 唐造造，王 扬，麦栋玲.广州市海珠区石榴岗河水闸重建工程水工整体模型试验研究[R].广州： 广东省水利水电科学研究院，2015.

    [3] 华东水利学院主编.水工设计手册（第6卷，泄水与过坝建筑物）[M].北京：水利水电出版社，1985.