姚江二通道（慈江）工程水力特性試驗研究

關鍵詞：水力特性；水工模型；水流流態；水流流速；姚江二通道

中圖法分類號：TV66 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j. cnki. slsdkb. 2025.05.014

文章編號：1006-0081（2025）05-0084-08

0 引言

水利工程在泄洪過程中由于水流流速過快，常常會出現脈動壓強、沖擊波、水流摻氣以及空化空蝕等現象，嚴重影響工程的運行安全，并給下游河道的消能防沖帶來突出挑戰[1-3]。水利工程樞紐和消能工的布置形式影響水流流態，并進一步影響工程的安全穩定運行[4]。在改善水流流態方面，大量學者開展了廣泛的研究，借助物理模型試驗評估了不同運行條件下的工程安全性，并提出了針對性的優化調控方案[5-8]。刁洋洋°構建了泄洪防空洞的物理模型并評估了不同摻氣措施的水力特性。劉領等[10]開展了青山水利樞紐的物理模型試驗，對比分析了樞紐現狀及設計方案的泄流能力以及口門區水流通航條件，并提出了樞紐改造的設計方案。

水工模型試驗是評估水利工程運行安全性并優化工程運行方式的重要手段。姚江二通道（慈江）工程運行條件復雜，因此針對水工模型試驗研究工程的水力特性（包括流態和流速分布）進行分析，對于確保工程安全穩定運行意義重大。鑒于此，本文針對不利流態問題，通過構建姚江二通道（慈江）工程水工模型試驗裝置，對不同閘門和泵站啟閉方式下的水流流態和流速變化進行試驗和分析，根據試驗結果，提出優化泵站水流流態的調控方案和建議，為工程設計提供技術依據。

1 工程概況

寧波市姚江流域洪澇災害頻發，流域防洪排澇工程體系亟待完善。姚江二通道（慈江）工程利用慈江分洪部分姚江干流洪水，經江北、鎮海河道直排入海，擴大姚江干流的東排能力，緩解姚江干流防洪壓力。同時，能完善提升江北、鎮海平原的防洪排澇能力，有效降低平原高水位，縮短高水位持續時間，改善江北、鎮海片水生態環境。其西起慈江大閘，經江北慈江、鎮海沿山大河，由澥浦大閘外排入杭州灣。工程采用“3級抽排 + 局部高水高排”的工程排水格局，工程建設的主要任務為加大姚江干流東排能力，替代甬江流域規劃中姚江二閘工程對余姚的泄洪任務，完善提升江北鎮海區防洪排澇能力，兼顧江北鎮海片水生態環境。

工程主要建設內容由干流閘站工程、堤防及河道整治工程、沿線閘泵工程、橋梁改造工程4個部分組成，干流閘站工程新建閘站3座，分別為慈江閘站、化子閘站以及澥浦閘站。其中，慈江閘站新建水閘總凈寬 33m ，閘底高程 -1.87m ，最大過閘流量 134m³/s ，新建泵站規模 100m³/s ，設置4臺單泵 25m³/s 的豎井貫流泵。慈江閘站為 I 等工程，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，按50a一遇洪水設計，200a一遇洪水校核。慈江水閘和泵站平面布置方案見圖1。

2 水工模型設計與制作

2.1 模型設計

根據SL155-2012《水工（常規）模型試驗規程》并參照 DL/T286-2012 《發電廠循環水系統進水流道水力模型試驗規程》進行模型設計。結合試驗場情況，模型的幾何比尺選定為 1：25 。

采用弗勞德（Froude）數相似準則設計模型：

式中： λ_?V 為速度比尺， λ_Q 為流量比尺， λ_L 為幾何比尺。模型按重力相似準則設計為正態整體模型，模型總長 35m ，寬 13m ，高 1.3m 。其中，上游長約 15m （相當于原型 400m ），下游長為 20m （相當于原型500m）。模型地形采用斷面板法與等高線法制作，地形采用水泥砂漿抹面，泵站、水閘采用有機玻璃制作。

采用電磁流量計量測流量，采用測針量測水位，采用旋槳流速儀量測流速，采用測壓管量測時均壓力。模型制作及安裝均符合規程要求，所用儀器均經過鑒定并在有效使用期內。模型范圍及模型布置見圖2和圖3。

圖2模型范圍Fig.2Model scope

2.2 模型測量裝置

2.2.1 流態觀測

主要觀測水閘、泵站各典型工況的水流流態、沿程水面線、閘站進出口兩側的回流強度等，泵站進出口流場分布及漩渦特性是觀測重點。由于表面漩渦的生成與存續并不穩定且主要存在于水體表面，為了便于觀測，采用木屑作為表面示蹤物質進行輔助觀測。水內漩渦起始于邊壁或池底，整體發生在水中。水內漩渦較難直接觀測，采用高濃度的高錳酸鉀溶液作為示蹤劑輔助觀測。

水工建筑物運行時生成的漩渦有多種危害，如過水能力下降、水流流態惡化、建筑物脈動壓力變幅增加等，因此需要對漩渦進行控制。美國AIden實驗研究室根據實驗觀察到的現象對漩渦進行分類，將表面漩渦依其強弱分為6種類型。漩渦對工程產生的影響因其類型而異： ① 1和2類近于無漩渦，不會引起危害，允許存在； ② 3和4類為弱漩渦，對機組與建筑物會產生一定影響，但危害一般不嚴重，宜考慮防止出現； ③ 5和6類屬于強漩渦，可能引起較嚴重的后果，工程中通常要避免出現。其中，表面漩渦的漩渦強度應低于染料核渦，即表面漩渦應控制在比3類表面渦強度更低的漩渦，水內漩渦應控制在比2類水內渦強度更低的漩渦。對于染料核渦（即表面3類渦和水內2類渦），充許少量出現，當發生時長小于 10% 的工作時長或僅發生于不經常出現的水泵運行工況中時，亦可認為漩渦滿足要求。

2.2.2 流速觀測

流速采用旋槳流速儀進行測量，沿水流方向依次在水閘前后布置4個流速斷面（SZ-1號～SZ-4號），在泵站前后布置6個流速斷面（SB-1號＼～SB-6號），在防沖槽下游布置4個流速斷面（XY-1號＼～XY-4號），各測線上分別量測該測點表、中、底部流速。流速測量斷面位置見圖2。

2.2.3 試驗工況

分別對閘門和泵站單獨運行下的水流特性進行分析，共計設置9種工況，其中泵站和水閘運行工況分別見表1和表2。

3 試驗結果

3.1 水閘運行結果

3.1.1 閘門全部開啟流態結果

閘門全部開啟時，對表2所示的4組工況（工況6 ）分別進行流態測試時發現，不同工況下水閘上下游流態均呈現出了類似的特征，水流流態、流速分布、水面線等水力學參數基本一致，不失一般性，選擇工況8（ ，分洪工況）為例進行流態說明。水閘運行流態見圖4，該工況條件下，上游河道內主流居中行進，進閘水流平穩，各閘孔分流較為均勻，出閘流態對稱，閘下水流亦較為平穩，出防沖槽后主流偏左岸， K0+300m 后逐步歸于主河槽。

3.1.2 閘門部分開啟流態結果

按表2中4組工況（工況6～9）所對應的上下游水位，進行不同閘孔組合運行方式下的流態測試。同一閘孔組合運行條件下，不同上下游水位時的水流流態、流速分布、水面線等水力學參數基本一致，選擇工況9 （H_L=1.5m，H_F=0.5m ，消能工況）所對應的上下游水位為例進行流態說明。

（1）2號閘單獨運行。2號閘（4孔閘從左至右編號）單獨運行時的流態見圖5。該工況下，水閘上游水面平靜，水流平穩，主流略偏左岸，兩側閘墩局部可見輕微繞流現象，閘室內水流均勻，出口兩側產生局部回流，下游河道主流居中行進，泵站出口形成逆時針回流區域，回流強度較小。

（2）2，3號閘運行。2，3號閘門聯合運行時的流態見圖6，該工況下，水閘上游水面平靜，水流平穩，主流位于河床中部，2，3號閘的閘墩墩頭處可見局部輕微繞流現象，閘室內水流均勻，閘孔出口兩側產生回流現象，回流強度較小。

3.1.3 流速結果

從流速測試結果可以看出，各工況下流速分布及沿程變化規律基本一致。閘站上游河道內主流居中行進，中部流速大，兩岸流速略??；閘站前沿斷面流速基本均勻;進入閘站后由于過流斷面縮窄，流速略有增大，各孔閘內流速相當，分布均勻;出閘后流速減小，受河勢的影響，下游河道內主流略偏左岸行進，左岸流速略大。各測點流速呈“表大底小”分布。各測點垂線平均流速基本隨流量的增大而增大。表3為工況8下部分斷面流速測量結果。

工況9為消能防沖控制工況，閘室最大流速1.82m/s ，防沖槽后最大流速 1.52m/s ，最大回流流速0.88m/s ，下游河道最大近岸流速 1.45m/s ；工況7閘室最大流速 1.13m/s ，防沖槽后最大流速 0.99m/s ，最大回流流速 0.68m/s ；工況8閘室最大流速 1.16m/s ，防沖槽后最大流速 1.02m/s ，最大回流流速 0.72m/s 。

3.2 泵站運行結果

3.2.1 泵站優化前運行結果

泵站運行時進水前池若存在較大范圍回流等不良流態，會誘導水泵進水通道內產生漩渦，不利于水泵機組的安全及經濟運行，同時回流還會造成前池內泥沙的淤積，進一步影響水泵的進流條件。由于攔污柵前30～50m 局部區域河床地形較高，在水泵運行工況5下，可觀測到水流經過此區域時產生明顯的跌流現象，隨后主流偏左行進，進水前池內產生大范圍的順時針回流，受此大范圍回流影響，各泵組導流墩間的進水通道內存在橫向流速，水流較為紊亂，且通道水面形成間歇性的表面漩渦及渦帶，其中3，4號水泵閘室內回流強度較大，2號次之，1號水泵閘室內回流流速略小。該工況流態見圖7。

上述流態不利于泵組穩定安全運行，因此對泵站攔污柵前 50m 河床地形進行了清淤處理，以保證泵站進流順暢并改善進水前池及進水通道的流態。

3.2.2 泵站優化后水流流態

對泵站前池、進水流道、水泵進出口等部位的水流流態、流速、壓力等水力參數進行觀測，并對設計擬定的典型工況泵站運行調度方式進行研究。

對表1所示的5組工況（工況1～5）分別進行流態測試時發現，各工況泵站進出口及河道上下游流態均呈現出了類似的特征，且流速分布等水力特性基本一致。不失一般性，選擇工況 =0.5m，H_F=0.5m） 為例進行流態說明。在該工況下，受彎道的影響，上游主流略偏左岸行進；由于攔污柵有一定的整流作用，水流經攔污柵后，較為均勻地進入泵站前池，進水前池未觀察到回流現象；水體經過導流墩后，較均勻地進入各水泵進水通道，進水通道內水流表面橫向流速極小，縱向流動強度亦有限，水體表面偶見間斷性的微小漩渦，漩渦以1類表面渦為主，2類表面渦次之，觀測時段內未發現3類及以上漩渦，該工

水泵進水口（1號水泵）各部位局部流態見圖9，可以看出，流道內各部位水流平穩順暢，流線與流道壁面外型線相近，無明顯渦帶和其他不良流態。

1號和4號水泵出口流態見圖10，出口流道內水流平穩順暢，無明顯渦帶和其他不良流態，水泵出口出流均勻，水面平靜，基本未見波動。

3.2.3 泵站優化后水流流速

從流速測試結果可以看出，水泵全部開啟各工況下流速分布及沿程變化規律基本一致。泵站上游河道內主流居中行進，中部流速大，兩岸流速略小；泵站進水前池斷面流速基本均勻；水泵進水口流速略有增大，各進水流道內流速相當；水泵出口斷面流速基本一致；受河勢的影響，下游河道內主流略偏左岸行進，左岸流速略大。水泵進、出口各測點流速呈“表小底大”分布，進水前池及出口下游各斷面測點流速呈“表大底小”分布。表4為工況5下部分斷面的流速分布結果。

4結論

通過開展姚江二通道（慈江）工程水力特性試驗研究，得出以下主要結論。

（1）在閘站全開運行的各工況下，上游河道內主流居中行進，進閘水流平穩，各閘孔分流較為均勻，出閘流態對稱，閘下水流亦較為平穩。在閘站各閘孔組合運行工況下，過流閘孔的閘墩墩頭處雖可見輕微的繞流現象，但進流仍較為順暢；閘下消力池內主流兩側可見較大范圍回流，但回流強度不大，基本不影響閘孔的出流。

（2）泵站攔污柵前 30～50m 局部區域河床地形較高，低水位運行工況時產生明顯的跌流現象，進水前池內產生大范圍的順時針回流，導致進水通道水面形成間歇性的表面漩渦及渦帶，不利于泵組穩定安全運行，對局部河床清淤處理后，較好地改善了泵站進流與進水前池及進水通道的流態。

（3）優化后閘站與泵站全開運行及組合運行時，各項水力指標均能滿足有關規范要求，閘站與泵站可根據上游來流量或上下游水位差進行靈活調度。

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（編輯：李晗）

Experimental study on hydraulic characteristics of Yaojiang Second Channel （Cijiang）Project

ZHU Zuguo，NIU Limin，GUO Hongjun （ChangjiangSurvey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 43oo1o，China）

Abstract： Unfavorable water flow pattern afects the safe and stable operation of water conservancy projects and adverselyaffects thedownstreamenergydisipationand washout prevention.For theunfavorable flowproblems，thewater flow andflow rate changes underdiferent opening and closing modes of gate and pump station were analyzedand evaluated by constructing a hydraulic model testdevice with Yaojiang Second Channel （Cijiang）Project.The test showedthat the pumping station produced obvious drop flow phenomenon during the low water level operation condition，anda large range of clockwise backflow was produced in the pool before water intake，which was notconducive to the stable operationof thepumping unit.Afterdesilting thelocal riverbed，theflowpaternof the intake forebayandtheintakecanel were improved.Theresearch results can providea technical basis fortheoptimizationand control of waterflowregime in engineering，and also provide a reference for the design of similar water conservancy projects.

Key words：hydraulic characteristics;hydraulic model；flow pattern；flow velocity;Yaojiang Second Channel