物理模型試驗(yàn)在不對(duì)稱(chēng)泵閘布置驗(yàn)證及優(yōu)化中的應(yīng)用

謝 先 坤

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061）

0 引 言

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)為充分利用潮汐達(dá)到排澇安全經(jīng)濟(jì)效果，一般采用水閘與泵站組合方式，低潮位時(shí)采用水閘自排，高潮位時(shí)采用泵站強(qiáng)排。為使工程布置緊湊、節(jié)約用地、工程經(jīng)濟(jì)、施工便利及后期運(yùn)行管理方便，水閘與泵站一般采用合建且不對(duì)稱(chēng)的布置型式［1，2］。由于泵閘不同時(shí)運(yùn)行，泵閘進(jìn)出水流有一定偏折，閘下主流大大小于河道過(guò)流寬度、各處流速不均勻，可能會(huì)在泵閘進(jìn)水結(jié)合處產(chǎn)生漩渦、在泵站進(jìn)水池與進(jìn)水前池處可能會(huì)有泥沙淤積及沖刷等現(xiàn)象［3，4］。為掌握泵閘水流態(tài)及流速分布情況，許多學(xué)者開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，卞彬［5］，黃建軍［6］等采用數(shù)值模擬泵閘進(jìn)出水池流態(tài)及水流特性，周才龍［7］對(duì)泵站前池隔墩整流進(jìn)行數(shù)值分析，羅燦［8］等對(duì)雙側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)數(shù)值模擬研究。傅宗甫［9］提出了閘站合建樞紐導(dǎo)流墻體型及適宜長(zhǎng)度確定，陸銀軍［10］通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)閘站結(jié)合布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。也有不小學(xué)者［11-18］通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究閘站水流特性并提出相應(yīng)整流措施，為有關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。前人的研究多通過(guò)數(shù)值分析或物理模型試驗(yàn)了解閘站水流流態(tài)并為工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)泵閘流速大小分布及整流后流速變化情況研究較少，對(duì)于泵閘不對(duì)稱(chēng)布置過(guò)閘流量系數(shù)研究更少。

本文以某工程泵閘樞紐為例，在前期采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行論證確定泵閘總體布置的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定合理的泵閘水流物理模型，模擬泵閘不同引排水工況，監(jiān)測(cè)各種工況下水流流速及分布狀況，比選整流措施并提出具體優(yōu)化方案，并確定水閘過(guò)流流量系數(shù)，為后期泵閘運(yùn)行調(diào)度方案提供技術(shù)支撐，確保工程正常運(yùn)行。

1 工程概況

擬建泵閘外側(cè)為近海，內(nèi)側(cè)為河道，泵閘具有排澇和引淡功能。泵閘引排水外側(cè)水流受潮位漲落的影響，內(nèi)側(cè)河道呈“丁”字形分布，泵閘外部水流條件比較復(fù)雜。采用泵閘結(jié)合堤后式布置，泵閘順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)475 m，由站身閘首、內(nèi)外側(cè)進(jìn)水池（消力池）、內(nèi)外河進(jìn)水前池、內(nèi)外河圓弧翼墻、內(nèi)外海漫、內(nèi)外防沖槽、外海兩側(cè)連接堤及導(dǎo)流堤等建筑物組成。進(jìn)出水池外側(cè)各設(shè)長(zhǎng)20 m的進(jìn)水前池，泵站與水閘之間的進(jìn)水前池之間采用導(dǎo)流墩隔開(kāi)。泵閘包括4 臺(tái)單泵流量15.5 m3/s 總流量62 m3/s的引排水雙向豎井貫流泵與單孔凈寬12 m的水閘，采用“泵+泵+泵+泵+閘”不對(duì)稱(chēng)布置形式［19］，見(jiàn)圖1。

圖1 泵閘總體布置方案圖Fig.1 The overall layout plan of the pump-sluice

2 模型研究方法

2.1 模型設(shè)置

模型范圍應(yīng)能充分反映泵閘及內(nèi)外河水流特征，滿(mǎn)足試驗(yàn)范圍水流相似性要求，模型除了模擬站身閘首等主體建筑物，同時(shí)還模擬了內(nèi)河、引渠、內(nèi)外進(jìn)水池、內(nèi)外進(jìn)水前池、導(dǎo)流堤及部分外海區(qū)域，考慮模型場(chǎng)地、整體模型比尺λL=30。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，相應(yīng)水深比尺λH=30、流速比尺λV=300.5=5.48、流量比尺λQ=302.5=4 929.50、壓強(qiáng)比尺λp/γ=30、糙率比尺λn=301/6=1.763。

模型全長(zhǎng)約25 m，最大寬度約18 m。水閘、泵站等建筑物模型全部按比例采用灰塑料板精細(xì)制作，滿(mǎn)足試驗(yàn)規(guī)程要求。灰塑料板糙率約為0.008，相當(dāng)于原型混凝土糙率0.014 左右。內(nèi)、外河引渠、導(dǎo)流堤均用水泥砂漿抹面，糙率為0.012 左右，相當(dāng)于原型河道糙率0.021左右。模型全景見(jiàn)圖2。

圖2 整體模型圖Fig.2 Overall model diagram

模型流量用標(biāo)準(zhǔn)薄壁矩形堰和三角堰量測(cè)，堰頂與測(cè)針零點(diǎn)誤差小于0.2 mm；內(nèi)、外河道流速采用計(jì)算機(jī)多點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)，配備光電式流速傳感器，起動(dòng)流速0.02 m/s，可同步采集64 點(diǎn)流速。采樣時(shí)間為10 s，每點(diǎn)采樣3 次取其平均值為該點(diǎn)流速；水位采用插板式尾門(mén)控制，通過(guò)測(cè)針量測(cè)水位，測(cè)針精度±0.1 mm；水流流態(tài)采用目測(cè)、拍照、錄像等方式記錄。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

物理模型試驗(yàn)的主要內(nèi)容有：觀測(cè)各工況內(nèi)外海漫、進(jìn)水前池、進(jìn)水池、閘室的水流流態(tài)及流速分布，提出改善水流流態(tài)的工程措施；分析泵閘引排水對(duì)兩側(cè)導(dǎo)流墩及北圍堤沖刷影響；針對(duì)本泵閘提出水閘過(guò)流流量系數(shù)，為以后工程運(yùn)行調(diào)度提供技術(shù)支撐。

2.3 試驗(yàn)工況

水閘主要趁低潮位排澇水或高潮位引淡水，泵站主要是在外海高潮位時(shí)排澇及低潮位引淡水，水閘與泵站不同時(shí)運(yùn)行。根據(jù)內(nèi)河及外河特征水位，確定泵閘運(yùn)行工況，具體見(jiàn)表1。由于泵閘內(nèi)外結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，本文以排澇工況為例進(jìn)行論述。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行工況 mTab.1 Test operating cases

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案水閘排澇

水閘閘門(mén)全開(kāi)排澇時(shí)，排澇工況1、排澇工況2 過(guò)閘流量分別為73.00、53.40 m3/s。出閘后流態(tài)及流速分布見(jiàn)圖3 與圖4：閘前水頭越大，總過(guò)流量越大，但由于出閘后水深大，最大流速反而小，出閘后水深可以有效減少出閘流速；泵閘為不對(duì)稱(chēng)布置，水流出閘后主流偏于閘側(cè)，過(guò)閘后海漫處最大流速分別為4.25、4.31 m/s；在泵閘進(jìn)水池、進(jìn)水前池近閘處海漫段無(wú)回流現(xiàn)象，說(shuō)明原設(shè)計(jì)泵閘之間的導(dǎo)流墩長(zhǎng)度基本合適；排澇工況1在海漫末端有回流，隨著出流側(cè)水深增加，回流速度增大，最大回流速度為0.51 m/s。

圖3 原方案水閘排澇流態(tài)圖Fig.3 The original plan sluice drainage flow pattern diagram

圖4 原方案水閘排水流速分布圖Fig.4 The original plan sluice drainage velocity distribution map

3.2 原設(shè)計(jì)方案泵站排澇

4 臺(tái)泵站同時(shí)運(yùn)行排澇時(shí)，泵站進(jìn)水前池流態(tài)見(jiàn)圖5，泵站進(jìn)水前池于近水閘側(cè)形成回流，排澇時(shí)泵站前池最大回流速度為0.60 m/s。泵站流道進(jìn)口處流態(tài)見(jiàn)圖6，近水閘側(cè)兩臺(tái)泵站流道進(jìn)口處形成回流。

圖5 泵站進(jìn)水前池水流流態(tài)圖Fig.5 The flow pattern of the water flow in the forepool of the pumping station

圖6 泵站流道進(jìn)口水流流態(tài)Fig.6 Flow pattern of inlet water flow of pumping station

3.3 整流措施

3.3.1 水閘排澇偏流整流

鑒于過(guò)閘后水流嚴(yán)重偏折，主流偏于閘側(cè)且流速過(guò)大，可能導(dǎo)致護(hù)坡護(hù)底沖刷，需采取整流措施，使出閘水流盡量均勻，減少最大流速。

（1）導(dǎo)流墩整流。試驗(yàn)中首先考慮在外河海漫段設(shè)置導(dǎo)流墩，使出閘水流能有效擴(kuò)散，根據(jù)不同導(dǎo)流墩數(shù)量、排列方式及尺寸等，試驗(yàn)中進(jìn)行了多個(gè)方案比較。試驗(yàn)表明：在外河海漫段設(shè)置導(dǎo)流墩，可以較好地改善外河水流流態(tài)，使出閘水流趨于均勻，最大流速明顯減少，各方案排澇工況1的外海側(cè)防沖槽末端最大垂線平均流速為2.41～3.00 m/s，較整流前減少24%～43%，且沒(méi)有回流現(xiàn)象。

（2）消力池整流。在水閘側(cè)進(jìn)水前池末端增設(shè)消力池，與原設(shè)計(jì)近閘處消力池形成兩級(jí)消能效果。實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)置二級(jí)消力池，出閘水流流態(tài)得到明顯改善，水流充分?jǐn)U散而趨于均勻，排澇工況1 的外海側(cè)防沖槽末端最大垂線平均流速為2.48 m/s，較整流前減少42%，且沒(méi)有回流現(xiàn)象。

（3）整流措施選取。兩種整流措施效果均明顯。導(dǎo)流墩對(duì)試驗(yàn)邊界的影響（導(dǎo)流墩的位置、角度及外河水位等）較為敏感，為了達(dá)到整流效果要求導(dǎo)流墩的高度不宜小于1.5 m。一方面由于低水位時(shí)導(dǎo)流墩出露水面，景觀性差；另一方面圍區(qū)河道需適時(shí)清淤，導(dǎo)流墩的設(shè)置影響清淤船只通行。因此采用設(shè)置兩級(jí)消力池整流方案。

3.3.2 泵站回流整流

為消除近水閘側(cè)泵站進(jìn)水前池及流道進(jìn)口處的回流，試驗(yàn)中主要通過(guò)在進(jìn)水前池進(jìn)口段設(shè)置導(dǎo)流墩的方法。經(jīng)過(guò)多種尺寸的比選，推薦在內(nèi)外河側(cè)的進(jìn)水前池進(jìn)口斜坡段均對(duì)稱(chēng)設(shè)置3 個(gè)長(zhǎng)9.0 m、厚1.0 m、高2.8 m 的導(dǎo)流墩。采用整流措施后，進(jìn)水前池及泵站流道進(jìn)口處回流消失。

本泵閘具有排澇和引淡功能，因此在泵閘內(nèi)外河均在閘側(cè)增設(shè)消力池及在泵站進(jìn)水前池增導(dǎo)流墩，見(jiàn)圖7。

圖7 整流措施布置圖Fig.7 Arrangement of rectification measures

3.4 整流效果分析

3.4.1 水閘整流效果

在進(jìn)水前池水閘側(cè)增設(shè)二級(jí)消力池后，排澇工況1、排澇工況2 總的過(guò)閘流量基本不變，整流措施不影響水閘過(guò)流能力。排澇工況1出池水流因跌落而形成急流區(qū)，急流區(qū)長(zhǎng)度約22 m，跌落區(qū)內(nèi)最大流速為4.09 m/s，防沖槽末端最大垂線平均流速為2.36 m/s，見(jiàn)圖8（a）和圖9（a）；排澇工況2 急流區(qū)長(zhǎng)度約34 m，跌落區(qū)內(nèi)最大流速為3.64 m/s，防沖槽末端最大垂線平均流速為2.03 m/s，見(jiàn)圖8（b）和圖9（b）。

圖8 整流后水閘排水流態(tài)圖Fig.8 Flow diagram of sluice drainage after rectification

圖9 整流后水閘排水流速分布圖Fig.9 Flow rate distribution diagram of sluice drainage after rectification

整流措施對(duì)水流起到擴(kuò)散作用，海漫位置基本上沒(méi)有回流現(xiàn)象，排澇工況1、排澇工況2 海漫處最大流速分別較整流前減少約35%、53%，減少不均勻水流對(duì)護(hù)坡護(hù)底的沖刷作用。特別是外海水位低時(shí)，擴(kuò)散效果更加明顯。

3.4.2 泵站整流效果

泵站進(jìn)水前池及進(jìn)水流道回流會(huì)降低水泵運(yùn)行效率，容易導(dǎo)致水泵損壞［4］，需采取整流措施。在泵站進(jìn)水前池處設(shè)置導(dǎo)流墩，減少進(jìn)水前池水流橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)水前池進(jìn)口端斷面流速分布呈左大右（靠近水閘側(cè)）小分布；進(jìn)水前池內(nèi)沒(méi)有回流，但在水閘側(cè)形成一回流區(qū)，最大回流流速為0.60 m/s，見(jiàn)圖10 和圖11。

圖10 整流后泵站進(jìn)水前池水流流態(tài)圖Fig.10 the flow pattern of the water in the forepool of the pumping station after rectification

圖11 整流后海漫流速分布圖Fig.11 Overflow velocity distribution map after rectification

3.5 過(guò)閘流量公式

由于泵閘不對(duì)稱(chēng)布置，按現(xiàn)行《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》過(guò)流計(jì)算公式側(cè)收縮系數(shù)難以確定，為工程運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)不便。模型試驗(yàn)針對(duì)該泵閘布置進(jìn)行專(zhuān)門(mén)過(guò)流實(shí)驗(yàn)，確定水閘過(guò)流流量系數(shù)。

3.5.1 堰流流量系數(shù)

過(guò)閘堰流流量可以按Q=mB計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的內(nèi)、外河水位和排澇流量，計(jì)算出水閘排澇堰流的流量系數(shù)。整理后發(fā)現(xiàn)，流量系數(shù)與相對(duì)淹沒(méi)度hs/H（hs為下游水位點(diǎn)處堰頂以上的水深）有較好的相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。結(jié)果表明：水閘排澇在自由堰流時(shí)，綜合流量系數(shù)m接近一個(gè)常數(shù)，其平均值大約為0.308，在淹沒(méi)堰流時(shí)，綜合流量系數(shù)m隨相對(duì)淹沒(méi)度hs/H增加而急劇減少；水閘引水在自由堰流時(shí)，綜合流量系數(shù)m接近一個(gè)常數(shù)，其平均值大約為0.302，在淹沒(méi)堰流時(shí)，綜合流量系數(shù)m隨相對(duì)淹沒(méi)度hs/H增加而急劇減少。排澇綜合流量系數(shù)略大于引水綜合流量系數(shù)，見(jiàn)圖12。

圖12 水閘引排水堰流綜合流量系數(shù)與相對(duì)淹沒(méi)度關(guān)系圖Fig.12 Relationship between comprehensive discharge coefficient and relative submergence degree of sluice diversion and drainage weir

3.5.2 孔流流量系數(shù)

圖13 水閘自由孔流系數(shù)與相對(duì)開(kāi)度關(guān)系圖Fig.13 Relation diagram between free pore flow coefficient and relative opening of sluice

圖14 水閘淹沒(méi)孔流系數(shù)與相對(duì)開(kāi)度關(guān)系圖Fig.14 Relation diagram between submerged hole flow coefficient and relative opening of sluice

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)物理模型驗(yàn)證，原泵閘整體平面布置方案基本合理，導(dǎo)流堤長(zhǎng)度基本合適，但水閘運(yùn)行時(shí)，海漫處存在局部流速過(guò)大和回流的現(xiàn)象；泵站運(yùn)行時(shí)泵站進(jìn)水前池于近水閘側(cè)及閘側(cè)泵站流道進(jìn)口處形成回流。

（2）在水閘側(cè)進(jìn)水前池末端增設(shè)二級(jí)消力池，使出閘水流流態(tài)趨于均勻，最大流速大大減少，消除了回流；通過(guò)在泵站進(jìn)水前池增設(shè)導(dǎo)流墩，消除泵站進(jìn)水前池及流道進(jìn)口處回流。

（3）通過(guò)物理模型試驗(yàn)，得出不均勻?qū)ΨQ(chēng)布置過(guò)閘堰流與孔流流量系數(shù)，為工程運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。