东莞市运河整治工程峡口水闸扩建水工模型试验研究

第３期　２０１２年３月　广东水利水电　ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２Ｏ１２　东莞市运河整治工程峡１３水闸扩建水工模型试验研究　朱红华，陈卓英，张从联，黄智敏，黄健东　（广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州　５１０６３５）　摘要：峡口水闸扩建工程是在保留原有水闸的基础上，通过新建５孔水闸、船闸和节制闸，并对旧水闸和船闸进行改建，　以提高工程的防洪标准。通过水工模型试验研究优化后的推荐方案，能有效改善新、旧闸下游流态及流速分布，试验成果　可为工程设计提供依据。　关键词：峡口水闸；扩建；流态；试验研究　中图分类号：ＴＶ６６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—０ｌ１２（２０１２）０３—００２３—０３　１工程概况　为研究新、旧水闸在工程的第１和第２阶段下的消　能、泄流、流态、下游通航以及运行管理等问题，特进行　了本试验研究工作。　峡口水闸是在东引运河上修建的一宗以排洪、挡洪　（潮）为主，结合水源保护、通航、截污、交通及观光等任　务的大（２）型水闸（原设计为中型水闸），其下游接东　江，水闸与东江地理位置的关系见图１。由于防洪的需　要，拟对峡口水闸进行扩建。扩建拟分为２个阶段进　行　Ｉ２　Ｊ：第１阶段实施的内容有：①上游河道不进行整　治，保留原有水闸不变，在旧水闸右侧新建４孔水闸和　１孔船闸；②在新建水闸的右侧建ｌ孔船闸，但仅实施　新建船闸的下闸首，保留现有船闸通航。第２阶段实施　的内容有：①完成上游河道整治，实施新建船闸的上　闸首；②改建旧船闸为ｌ孑Ｌ泄水闸；③在水闸下游侧　新建节制闸１座。扩建实施完成后工程的总体布置示　意见图２。　图２扩建后的峡口水闸工程布置示意　２模型设计　２．１模型比尺　为保证模型水流条件的相似，模型按佛汝德数重力　相似设计为正态，综合考虑试验成果的精度、试验场地、　供水条件等，选择模型几何比尺Ｌ　＝６０，由佛汝德数重　力相似定律，可得出模型的各项比尺为：流速比尺　＝　７．７４６，流量比尺Ｑ　＝２７　８８５．４８，糙率比尺凡　＝１．９７９，　时间比尺ｆ　＝７．７４６。　图１峡口水闸工程位置示意　２．２模型范围　考虑到工程河段河道特性，为保证上下游河道水流　收稿日期：２０１１—１１—２１；　修回日期：２０１２—０２—０１　作者简介：朱红华（１９６３一），女，大专，高级工程师，从事水工水力学研究。　・２３・　２０１２年３月　第３期　朱红华，等：东莞市运河整治工程峡口水闸扩建水工模型试验研究　相似，模型河道截取范围为：东引运河峡口水闸上游约　为１ｋｍ、下游约为１．１ｋｍ，东江峡口闸入汇处上游约为　５００ｍ、下游约为１ｋｍ（模型研究范围见图１）。　３试验成果及其分析　考虑到该工程拟分２个阶段实施，水工整体模型试　验相应按照２个丁程阶段进行试验研究，下面介绍２个　阶段试验研究成果。　３．１第１阶段试验成果及其分析　第１阶段主要试验研究工作为：莞龙桥一峡口河道　整治前模型试验，模型平面布置见图３。　图３第一阶段平面布置示慝　模型进行了１０孔闸（包括新、旧２孔船闸）闸门全　开泄流，试验表明：　１）泄放各级洪水流量时，东引上游来流在闸址上　游分流，小部分流量往城区分流，大部分流量进入峡口　水闸泄洪闸，峡口新、旧闸泄流能力以及峡口水闸上游　水位壅离值见表ｌ。试验观测到，在各级洪水频率下，　峡口水闸（含新、旧闸）联合泄洪均能宣泄设计流量。　由于闸上游受到岸线未开挖及河道地形的影响，新闸和　旧闸２个闸之间明显存在人流偏流现象，旧闸和新闸的　出流比约为０．４８：０．５２，远高于２闸设计出流比　０．３５７：０．６４３，旧闸出流流量明显比设计出流要大；在Ｐ　＝１％时，旧闸泄流量达８７２ｍ　／ｓ，泄流流量的加大给旧　闸下游消能工的安全运行带来了隐患，建议在此阶段运　行旧闸时应加强对下游消能工的监测和检测，如下游消　能工出现破坏时，应及时对下游消能工进行加固等工程　措施。　２）由于受到新闸上游地形未开挖的影响，试验观　测到，在１０孑Ｌ闸全开泄流运行时，各闸孑Ｌ的人流流速分　布不均匀，存在明显的偏流现象，闸上游近闸区域河道　流速不均匀，旧闸及新闸靠左侧流速较大。扩建５孔新　闸各闸孔之间人流偏流现象更为明显，流量大部分集中　・２４・　在左侧３个闸孔宣泄（见图４），右侧２孔出流较小，在　右侧闸孑Ｌ前沿形成回流区。回流容易造成闸前右侧区　域泥沙淤积，从而对水闸的泄流能力造成不利影响。因　此，建议加强新闸上游区域的地形监测工作，必要时应　采取清淤等工程措施。另外，新闸左侧的３孑Ｌ水闸过流　流量加大，会给下游消能工的运行带来安全隐患，建议　运行管理单位加强对左侧３孑Ｌ水闸下游消能工的实时　监沏ｌ　表１第１阶段峡口水闸闸门全开试验泄流能力　图４峡口闸第一阶段泄流运行流态　３）在各级洪水频率流量条件下，旧闸消力池海漫　段流速均较大：在洪水频率Ｐ＝１％运行时，旧闸消力池　海漫段流速较大值约为２．３～３．２ｍ／ｓ；在洪水频率Ｐ＝　２％运行时，旧闸消力池海漫段流速较大值约为２．３～　２．５ｍ／ｓ；在洪水频率Ｐ＝５％运行时，旧闸消力池海漫段　流速较大值约为１．８～２．４ｒｎ／ｓ，旧闸消力池流速较大，　增加了旧闸的安全隐患。　４）在峡口水闸宣泄各级洪水频率的流量之条件　下，由于下游东江水位较高，宣泄洪水基本没有到达东　江下游主航道范围内，对航道安全运行影响不大。　５）偏流现象增加了新闸和旧闸运行的安全隐患，　鉴于偏流原因主要是由于河道岸线没有进行整治所造　成的，因此建议尽量加快推进莞龙桥～峡口河道整治方　案的实施。　２０１２年３月　第３期　广东水利水电　Ｎｏ．３　Ｍａｔ．２０１２　６）建议运行时应采用闸门逐级开启的方式，尽量　避免将闸门迅速提起的工作方式。　３．２第２阶段试验成果及分析　第２阶段主要试验研究工作是在完成上游河道整　治后，针对第２阶段的工程布置而进行了设计方案以及　比选方案的试验研究，经过多方案综合比较，选定了推　荐方案（见图５）。下面仅介绍推荐方案的试验成果（第　２阶段的推荐方案包括新扩建水闸推荐方案、新建船闸　推荐方案、旧水闸和旧船闸推荐方案及节制闸设计方案　组合　）。　图５推荐方粟平面布置示葸　在工程实施的第２阶段，峡口水闸上游莞龙桥一峡　口河道整治已经完成，在第１阶段出现的严重水流偏流　现象基本消除，旧闸和新闸前沿水流较平稳，无明显不　利流态出现，引航道进口前沿流态较好。闸前流速分布　相对较均匀，新水闸３　、４　（右侧的船闸编为１　）闸前流　速稍大。各闸孔孔内流速基本均匀。　试验表明：①根据工程第２阶段试验研究成果，峡　口水闸上游的莞龙桥～峡口河道经整治后，水闸泄流能　力可满足设计的要求，水闸上游水流基本顺畅，没有出　现较明显的偏流现象，新闸和旧闸的出流比约为　０．６：０．４，基本满足设计方案两闸出流比的要求。　②峡口水闸上游河道整治后，在１０孔闸全开泄流　运行时，各闸孑Ｌ的人流流速分布较均匀（见图６），无明　显偏流现象。　③峡口闸泄流遭遇东江较高水位运行时，峡口闸　出流能较顺畅与东江河水交汇，峡口出流主要影响范围　在东江下游的河道左岸至河道中心区域，东江流速增大　幅度在５％～１５％以内，且东江为封航状态，因此，此运　行工况对东江两岸影响较小，对东江下游的石碣大桥安　全运行影响也较小。　图６推荐方粟泄流运行流态　④在峡口闸遭遇东江低水位运行时，在泄放Ｐ＜　１　０００ｍ　／ｓ洪水时，峡口出流主要影响东江下游的中左　侧河道范围，此时遭遇东江流量较小，对东江流速影响　不大，也不会危及东江石碣大桥的安全运行；在峡口泄　放Ｐ＞１　０００ｍ　／ｓ洪水时，试验遭遇东江为落潮期，泄放　洪水不会影响到石碣大桥，也不会威胁其安全运行。　⑤在峡口闸遭遇东江低水位运行时，峡口水闸泄　放Ｑ＜３００ｍ　／ｓ流量时（闸门开启开度ｅ＝０．４ｍ），泄放　水流不会影响下游东江的正常通航要求。在峡口出流　流量Ｐ＞３００ｍ　／ｓ时（闸门开启开度ｅ＞０．４ｍ），峡口水　闸泄放水流对东江通航构成影响，因此建议该运行条件　下东江封航，以确保过往船只的安全。　⑥节制闸在不同工况运行时，闸前水流分布基本　均匀，各闸孔流速偏差不大，出闸水流能较顺畅地与下　游衔接，试验测得闸下较大流速约为２．０—２．５ｍ／ｓ，不　会对下游消能工构成明显不利威胁。试验还观测到节　制闸上游桩号为０—０３５０的上下游约１００ｍ范围的左　岸形成一回流区，回流易产生淤积，建议在运行期要加　强原型观测，如有必要需采取清淤措施。　⑦在设计洪水频率（Ｐ＝１％）泄流运行时，新闸海　漫末段底流速较大（其较大值约为３．８～３．９２ｍ／ｓ），因　此，在条件允许的情况下，建议将海漫水平段改为防冲　槽形式与下游河床连接，以确保下游运行安全。　⑧在各级洪水流量泄流运行时，新建水闸消力池　下游海漫段主流略偏向河道的左侧，建议在工程设计和　运行中，应加强对新闸下游左侧导墙的加固防护和原型　观测，以确保工程的安全运行。　４结语　１）在工程第１阶段，由于峡口水闸上游河道岸线　没有进行整治而带来了　（下转第３８页）　・２５・　２０１２年３月第３期　广东水利水电　大，两者间相差逐渐增大；在同频率下，两者之差基本均　不超过１０％。由于思贤浯的连通作用，对西北江水量　起着重要的调节作用，两、北两江的水在此处相互贯通、　相互补充，当西江出现严重枯水时，北江水流通过思贤　浯流向西江；而北江出现严重枯水时，西江水流通过思　贤洛流向北江；当两江同时出现时严重枯水，则水流流　Ｐ—ＨＩ型分布，对于最小连续７（１、９０ｄ平均流量序列，马　口站、三水站、马口＋＿一水站３者均以Ｐ一１１Ｉ型分布为　最优；对于最小连续１ｄ、３ｄ、３０ｄ平均流量序列，Ｐ一Ⅲ　型和对数Ｐ—ＩｌＩ型分布则各有所适；蚶于３个站点，均　以Ｐ一Ⅲ型或对数Ｐ—ＩＩＩ型分布为优，总体来说，Ｐ一Ⅲ　型分布拟合效果更好。以最小７ｄ平均流量序列为例，　采用Ｐ一Ⅲ型分布分析计算马口站、乏水站以及马口＋　三水站最小７ｄ平均设计流量，参数估汁采用线性矩法，　向随两江水位的高低变化而变化。而两汀南于其集雨　范围不同，各自流域内植被、水系等下垫面状况不同，气　候、水文等条件均有差异，导致其水汽来源也不同，因而　两江、北江出现连续最枯枯水流量的时间基本都不尽相　同，故马口站与　水站最枯枯水流量之和基本均小于马　计算结果与实际相符，【大］此可选择Ｐ—ｍ型分布线型作　为整个西北江三角洲网河马口＋三水站枯水频率分析　推荐线型。　参考文献：　口＋三水站最枯枯水流量值，其设计枯水量值之和也相　应小于马口＋二三水站设计枯水流量值，但其相差较小，　因此可选择Ｐ一Ⅲ型分布线型作为整个西北江三角洲　网河马口＋＿二水站枯水频率分析推荐线型。　表３最小７　ｄ设计枯水流量值（ｍ　／ｓ）　设汁ｔ频率Ｐ　５０　一　［１］　ＯＣｏｎｎｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙ—　ｓｉｓ　ｏｆ　ｄｒｏｕｇｈｔ　ｆｌｏｗ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　Ｓｅｗａｇｅ　Ｗｏｒｋｓ，１９６４，（４）：　１８Ｏ．　［２］　Ｓ．Ｒ．Ｄｕｒｒａｎｓ，Ｓ．Ｔｏｍｉｅ．Ｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｆｌｏｗ　ｆｉ＇ｅｑｕｅｎ—　ｅｙ　ｅｓｔｉｍａｔｅｓ：ａｎ　Ａｌａｂａｍａ　ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　７５　８０　９Ｏ　９５　９８　９９　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，１９９６，３２（１）：２３—３７．　％　［３］　梁虹，王在高．喀斯特流域枯水径流频率分析——以贵州　ｌ　５６４　８　１　３３１　４　１　２９３．０　１　２２０．９　１　１８６．２　ｌ　ｌ６８．１　１　１５７．５　马¨　省为河流为例［Ｊ］．中国岩溶，２００２，２１（２）：１０６—１１３．　：ｅｇ　１　２７．８　７０．１　６１．Ｉ　４４．９　３７．７　３５．２　３２．４　［４］　王在高，梁虹．基于（　Ｉｓ分析喀斯特流域下垫而ｌ太】素对枯　季径流的影响——以贵州河流为例［Ｊ　．中围岩溶，２００２，　２１（１）：５５—６０．　§Ｉ　Ｉ＋ｔ水１　７４１．８　１　４８８．１　１　４４７．３　１　３７２．０　１　３３６．９　１　３２３．１　１　３０９．４　［５］　黄国如，陈永勤，解河海．东江流域十士水径流的频率分析　３　结论　［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００５，４５（１２）：１　６３３—　１　６５３．１　６４９．　针对西北汀　角洲网河枯水径流概率分布，应用　Ｐ—ｍ型、对数Ｐ一Ⅲ型、耿贝尔型和两参数对数正态等　４种常用分布曲线进行拟合分析，结果表明：４种假设分　布ＰＰＣＣ检验值均大于置信度为９５％的临界相关系数　值，表明这４种频率分布都可用于西北江＿一角洲网河各　历时枯水径流分布。优势分布为Ｐ—ｌｌＩ型和对数　［６］　叶守泽，詹道江．丁程水文学［Ｍ］．北京：中　水利水电…　版社，２０００：１８Ｏ一１８５．　［７］　冯圉章，王双银．河流枯水流量特　研究［Ｊ　．门然资源　学报，１９９５，１０（２）：１２７一ｌ３４．　（本文责任编辑王瑞兰）　水闸前沿偏流和回流等不利工程运行的流态和现象，也　同时增加了新闸和旧闸下游消能工运行的安全隐患；在　［１］广东省水利电力规划勘测设计研究院・峡口水『串］试验任　务书［Ｒ］・广　Ｉ广东省水利电力规划勘测设计研究院，　闸　流速分布较均匀，、　譬　呈　雩　时，　莞龙桥～峡口河道整治方案的实施。　无明显偏流现象。因此建议加快推进　了　闸　外萎令竺　Ｌ　甍　［２］Ｚ广ＵＩ东Ｕ省．水利电力规划勘测设　研究院．东引运河峡　水　『３］　广东省水利水电科学研究院东莞市运河整治Ｉ　程峡Ｌｉ　水闸扩建水工模型试验研究报告［Ｒ］．广，ｊ＇１Ｉ１ｌ＝ｉ广东省水利　．≤计研究院，２０ｌｏ．　看　某　水　ｉ　勘　２）通过水工模型试验研究优化后的推荐方案，能　・３８・