CN107203674B - 感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法，采集感潮河段水文资料，并根据河段的实际水流条件，设计感潮河段主河道与引河的夹角，分析新开河的水流条件，根据实际水流情况利用整流墩和隔流墙辅助整流。本发明的流态改善方法设计的河道走向可以使进入引河的水流更为平顺，同时也减少了水流对岸坡的冲刷，使河势更为稳定，对于枢纽功能长期的稳定实现具有重要意义；同时采用整流墩和隔流墙辅助调整，可改善节制闸口门流态，增加枢纽过流能力。

Description

感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，特别是涉及感潮河段入江口引水枢纽流态改善方法。

背景技术

水资源分布不均匀及水质恶化导致水问题突出，使得实施跨流域调水工程十分紧迫。跨流域调水工程中，感潮河段水位流速实时变化，涨落潮历时不对称，特别是土地使用受限条件下枢纽离主河道较近时，引河口门区水流受到主河道涨落潮牵制作用，水流问题复杂。

落潮引水情形下水流顺主河道而下，在引河下游侧堤头分为两股，一股沿主河继续行进，而另一股则转向沿引河岸壁而下进入引河，不合理的分流夹角将会导致堤头流态的紊乱及河势的不稳定。此外，水流沿泵站侧岸壁而下，在泵站前折冲进入节制闸，隔流墙头部存在斜流，使得节制闸靠泵站侧闸孔处于回流区，整体泄流能力减弱，传统的整流墩布置对此流态的改善效果不明显。

目前，对于感潮河段支流口门引水枢纽，如何确定引河与感潮主河道的夹角，从而保证分流及河势的稳定，尚无明确的计算方法；同时，如何精准布置整流墩，从而改善不良流态提升过流能力，亦缺乏整套设计方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法，包括如下步骤：

(1)采集感潮河段水文资料，在主河岸堤上开设引河，感潮河段主河道与引河的夹角采用如下公式计算：

其中，T_F为涨潮历时，T_E为落潮历时；涨潮历时和落潮历时通过采集的感潮河段水文资料分析获取；

对于涨潮历时大于落潮历时情形下，夹角为钝角；涨潮历时等于落潮历时，枢纽呈现正交布置；涨潮历时小于落潮历时情形下，夹角为锐角；对于感潮河段属于第三种情形，因此夹角为锐角；

(2)据公式(1)计算的夹角来确定引河走向并按照设计规范要求在引河上布置水利枢纽建筑物，包括泵站、节制闸、隔流墙；

(3)建立物理模型，画出流场图并分析获取感潮河段支流口门引水枢纽整体水流条件；

(4)根据分析获取的水流条件，在引河上布置三个整流墩进行整流，所述三个整流墩布置在节制闸前隔流墙外侧出现斜流的区域，平行于隔流墙并排布置，并与隔流墙末端齐平，三个整流墩的间距与整流墩和隔流墙间的垂直距离相等。

本发明的方法，所述步骤(1)中，根据引河附近主河道的天然支流与主河道的夹角对新开引河与主河道夹角进行修正；具体方式如下：

测出天然支流与主河道的夹角β，以及天然支流处涨潮历时T_g和落潮历时T_h；使用修正公式为：

天然支流是在长期涨落潮动力及泥沙条件下自然塑造，为当地水动力与泥沙相互作用和适应的结果，支流口门最为适宜和稳定的形态和河势，利用天然支流与主河道的夹角β修正过的夹角θ，更利于枢纽功能长期的稳定实现。

本发明的方法，所述步骤(3)还包括，对感潮河段引水条件下涨落潮工况进行物理模型试验，对产生的不良流态的工况进行观测，具体为：观测节制闸前池出现的斜流和回流，画出流场，并测出斜流偏角α，所述斜流偏角α为水流流线与河道中心线夹角。

作为本发明的进一步改进，根据上述分析获取的水流条件和斜流偏角α布置整流墩，具体为：

整流墩与隔流墙末端齐平，整流墩之间的间距、整流墩与隔流墙的水平距离为d，d＝1/3H，H为总的整流宽度；H＝1/3D，D为节制闸口门总宽度；

整流墩长度L利用下述公式确定：

L＝d×tanα (3)

优选的，为更好的改善斜流流态，对上述整流墩结构及位置进行进一步改进，调整靠近隔流墙侧整流墩的中心点与隔流墙末端齐平，并将靠近隔流墙侧整流墩长度延长一倍，其长度L’利用下述公式确定：

L’＝2d×tanα (4)

本发明设计了引河道与主河道夹角计算公式，按此公式计算的夹角设计引河走向可使进入引河的水流更为平顺，同时也能减少水流对岸坡的冲刷，有利于河势的稳定，对于枢纽功能的长期高效运作具有重要意义；本发明还提供了一种精确布置整流墩的设计方法，能够根据水流条件及不良流态准确计算整流墩长度、间距及布置位置等参数，不仅可以更为有效的针对感潮河段改善闸前不良流态，而且通过精确计算整流墩参数可以减少试验组次，节约材料成本。

附图说明

图1为本发明实施例1界牌水利枢纽的夹角设计示意图；

图2为本发明实施例1整流装置结构示意图；

图3为本发明实施例3整流装置结构示意图；

图4为本发明实施例3整流墩布置前后进闸流速分布示意图；

图5为本发明实施例4堤头结构俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不作为本发明的限定。

现以新孟河延伸拓浚工程界牌水利枢纽的设计过程为例，对本发明所述感潮河段入江口引水枢纽流态改善方法的具体实施步骤做进一步描述。界牌枢纽位于扬中河段太平洲右汊新孟河口门处，枢纽整体斜向进入大夹江。枢纽兼具由一座闸孔总宽90m的节制闸、一座总装机流量为300m³/s的双向泵站以及一座Ⅵ级船闸并排布置而成，建筑物轴线距长江约700m。其中闸站工程布置在东岸，船闸工程布置在西岸，节制闸中心线与新孟河河道中心线重合，船闸中心线与节制闸中心线、泵站中心线平行布置。扬中河段位于潮流界变化区段之内，上起五峰山，下至界河口范围，径流作用为主，同时亦有涨落潮，属感潮河段。

如图1、图2所示，所述感潮河段入江口引水枢纽流态改善方法具体包括如下步骤：

(1)采集感潮河段水文资料，在主河岸堤上开设引河，感潮河段主河道1与引河2的夹角采用如下公式计算：

其中，T_F为涨潮历时，T_E为落潮历时；涨潮历时和落潮历时通过采集的感潮河段水文资料分析获取；其中T_F为涨潮历时，T_E为落潮历时。显然涨潮历时大于落潮历时情形况下，夹角为钝角；涨潮历时等于落潮历时时，枢纽呈现正交布置；涨潮历时小于落潮历时情形下，夹角为锐角；不同涨落潮历时条件下引河道与主河道夹角如图1所示；

扬中河段位于潮流界变化区段之内，径流作用为主，同时亦受潮汐影响，为长江下游典型的感潮河段。根据2006年水文测验资料，选取右汊大夹江工程区附近最不利工况(枯水)下，计算出枯季平均涨落潮历时为：涨潮历时3.85h，落潮历时8.15h；

大夹江受到潮流和径流的双重作用，中、枯季节以落潮为主，洪水季节以径流作用为主，而新孟河主体功能为以节制闸自引为主，因此引河口门与主河道的夹角宜最大程度满足落潮节制闸引水水流条件，协调引水功能。如上述落潮节制闸引水情形为，水流顺夹江而下，在下游侧堤头分为两股，一股则沿夹江继续行进，而另一股则转向沿引河岸岸壁而下进入引河，为顺应大夹江的水势，入引河水流转向角度不宜过大，一方面保证分流平顺，另一方面减小分流点对堤头的顶冲，因此引河入江口与主河道即大夹江宜保持为锐角的形式，其具体的角度取决于引水过程中外江涨落潮所占据的时间比，针对本实施例，计算公式具体如下：

(2)据公式(1)计算的夹角来确定引河走向并按照设计规范要求在引河上布置水利枢纽建筑物，包括节制闸81、泵站82、隔流墙83；

(3)建立物理模型，画出流场图并分析获取感潮河段入江口引水枢纽整体水流条件；

根据对物理模型关键问题的认识，水工模型需要充分考虑大夹江对入江口水流的牵带作用，即要包括大夹江半江，同时要包括枢纽的各建筑物及其进出水池、消力池、海漫护底、防冲槽、两岸翼墙、隔流墩、导流墩等设施，结合模型比尺及场地条件，综合确定模型范围为大夹江入江口上、下游侧各500m，新孟河为坝轴线外侧800m，分析水流条件；

(4)根据分析获取的水流条件，在引河上布置三个整流墩84-86进行整流，所述三个整流墩84-86布置在节制闸81前隔流墙83外侧出现斜流的区域，平行于隔流墙83并排布置，三个整流墩84-86的间距与整流墩86和隔流墙83间的垂直距离相等，如图2所示。

采用本实施例所述的方法改善了引河口门流态，使折冲水流更为平顺。

实施例2

本实施例中，根据引河附近主河道的天然支流与主河道的夹角对新开引河与主河道夹角进行修正；具体方式如下：

测出天然支流与主河道的夹角β，以及天然支流处涨潮历时T_g和落潮历时T_h；使用修正公式为：

在新孟河延伸拓浚工程界牌水利枢纽下游约600m处有天然支流小夹江，测出小夹江与主河道夹角β＝53.4°，小夹江处涨潮历时为3.65h，落潮历时为8.35h，则修正后引河与主河道夹角θ＝56.3°。经修正后的夹角设计，更加符合水流自然演变特性，同时也兼顾了河道冲淤演变的稳定性，更好的改善水流流态。

实施例3

如图2-3所示，本实施例中，根据模型试验中观测的水流条件及斜流偏角对整流墩的结构和位置等参数进行了计算。

模型试验中发现，外江落潮枢纽开闸引水时闸前，水流直接顶冲至泵站侧岸壁并顺势而下，至枢纽前受隔流墙挑流作用斜向进入闸前，在隔流墙遮蔽区形成涡旋和回流。观测该不良流态，测出水流流线与河道中心线夹角，定义为斜流偏角，此工况下斜流偏角α＝40°。

整流墩84-86之间的间距、整流墩86与隔流墙83的水平距离为d，d＝1/3H，H为总的整流宽度；H＝1/3D，D为节制闸81口门总宽度；整流墩84-86长度L利用下述公式确定：

L＝d×tanα (3)

为更好的改善斜流流态，对上述整流墩86结构及位置进行进一步改进，调整整流墩86中心点与隔流墙83末端齐平，靠近隔流墙83侧整流墩86长度延长一倍，其长度L’利用下述公式确定：

L’＝2d×tanα (4)

对于本实施例，节制闸81口门总宽度D＝90m，各整流墩84-86间距d＝1/3H＝1/9D＝10m。整流墩86长度L’＝2d×tanα＝16.8m，整流墩84-85长度L＝d×tanα＝8.4m。

如图4所示，布置完整流墩后进闸流态有明显改善，特别是靠近隔流墙的两孔流速迅速增大，整体流速趋向均匀。

实施例4

本实施例说明对本发明主河道、引河间构成的堤头结构的结构设计方式。

如图5所示，采用本发明的流态改善方法，在主河岸堤上开设引河时，主河岸堤和引河岸堤间形成一段堤头结构，本发明中还对堤头结构进行了设计。

具体如图1所示，其设计为阶梯式结构，包括堤头平台和堤头斜坡；

所述堤头平台包括堤头上级平台3和堤头下级平台4，堤头上级平台3和堤头下级平台4间通过第一堤头斜坡51连接，堤头下级平台4通过第二堤头斜坡52延伸至河床；

所述堤头上级平台3和堤头下级平台4迎水面呈圆弧状，堤头上级平台3圆弧的两端点分别位于引河岸堤7及主河岸堤6上，堤头下级平台4圆弧的两端点分别连接引河岸堤7及主河岸堤6。

对于本实施例，主河岸堤顶高程为10m，中水位为4m，由此确定堤头上级平台3和堤头下级平台4的高程；引河岸堤7、第一堤头斜坡51和第二堤头斜坡52的坡度根据主河岸堤的坡度设计，第一堤头斜坡51的放坡范围为整个堤头上级平台3圆弧段；第二堤头斜坡52的放坡范围为整个堤头下级平台4圆弧段，堤头上级平台圆弧的两端点分别位于引河岸堤7及主河岸堤6上，并且与引河2与主河1交汇点距离100～300m；堤头下级平台4圆弧的两端点分别连接引河岸堤7及主河岸堤6，堤头下级平台4圆弧所对应圆心和堤头上级平台3圆弧所对应圆心相距50～200m。

采用本实施例所述阶梯形式结构的堤头，在涨潮引水情形下，水流折冲转向入引河夹角减小，使得水流可以更为平缓的进入引河，减弱了水流顶冲左岸的趋势，减小了水流对河岸的冲刷，同时减小了引航道口门横流流速，更利于通航；在落潮排水情形下，堤头上级平台至堤头下级平台之间可供水流通过，减弱了水流顶冲主河道主流的强度，改善了堤头下游的缓流区，减小了冲刷，同时能够顺应原本水流态势，保持岸坡稳定。

Claims (2)

1.一种感潮河段支流口门引水枢纽流态改善方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集感潮河段水文资料，在主河岸堤上开设引河，感潮河段主河道与引河的夹角采用如下公式计算：

其中，T_F为涨潮历时，T_E为落潮历时；涨潮历时和落潮历时通过采集的感潮河段水文资料分析获取；

(2)根据公式(1)计算的夹角来确定引河走向并在引河上布置水利枢纽建筑物，包括泵站、节制闸、隔流墙；

(3)建立物理模型，画出流场图并分析获取感潮河段支流口门引水枢纽整体水流条件；对感潮河段引水条件下涨落潮工况进行物理模型试验，观测节制闸前池出现的斜流和回流，画出流场，并测出斜流偏角α，所述斜流偏角α为水流流线与河道中心线夹角；

(4)根据分析获取的水流条件和斜流偏角α在引河上布置三个整流墩进行整流，所述三个整流墩布置在节制闸前隔流墙外侧出现斜流的区域，平行于隔流墙并排布置，三个整流墩的间距与整流墩和隔流墙间的垂直距离相等；

不靠近隔流墙的两个整流墩与隔流墙末端齐平，整流墩之间的间距、整流墩与隔流墙的水平距离为d，d＝1/3H，H为总的整流宽度；H＝1/3D，D为节制闸口门总宽度；整流墩长度L利用下述公式确定：

L＝d×tanα (3)

靠近隔流墙侧一个整流墩的中心点与隔流墙末端齐平，靠近隔流墙的整流墩长度L’利用下述公式确定：

L’＝2d×tanα (4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据引河附近主河道的天然支流与主河道的夹角对新开引河与主河道夹角进行修正；具体方式如下：

测出天然支流与主河道的夹角β，以及天然支流处涨潮历时T_g和落潮历时T_h；使用修正公式为：

。