徐 波，姚天雯，夏 輝，高 琛

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇揚州 225127；3.江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西南昌 330029)

閘站結(jié)合工程中，泵站和水閘的基礎(chǔ)相連，結(jié)構(gòu)布置緊湊，可避免大規(guī)模拆遷、移民等工作，并能充分發(fā)揮泵站和水閘的作用，取得良好的社會經(jīng)濟效益，該類閘站布置形式在平原地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。但由于此類布置形式限制了泵站及水閘進水結(jié)構(gòu)的布置，導(dǎo)致泵站和水閘進水條件不佳，易引起水泵空蝕影響水閘過流能力。因此應(yīng)充分考慮閘站結(jié)合工程中進水的流態(tài)。

在獨立泵站的前池流態(tài)改善中，物理模型試驗[1-2]和數(shù)值模擬[3-5]的方法被充分運用到導(dǎo)流墩、底坎、立柱等整流措施的研究中。夏臣智等[6]用數(shù)值模擬的方法分析了單排方柱的分流作用及其對行進流速的影響，得出了可改善流態(tài)的單排方柱的幾何參數(shù)；高傳昌等[7]對側(cè)向進水泵站進水水流進行分析，研究了底坎、壓水板、挑流坎對泵站前池流態(tài)的影響；資丹等[8]提出的八字型導(dǎo)流墩、川字型導(dǎo)流墩和十字型消渦板構(gòu)成的組合式導(dǎo)流墩能有效消除大型泵站前池的漩渦。水閘過流流態(tài)的研究中，陳偉等[9]針對三汊河河口閘存在的不良流態(tài)，提出了合適墻高和墻體角度的導(dǎo)流墻整流方案；胡孜軍等[10]建立了三維耦合數(shù)學模型對三河閘過閘水流流態(tài)進行研究，提出了適宜的糾偏方案。閘站結(jié)合工程中，陸銀軍等[11-12]研究了導(dǎo)流墻長度對泵站前池、閘孔的流態(tài)影響，推薦了適宜的導(dǎo)流墻長度；羅燦等[13]提出了長導(dǎo)流墩與一短導(dǎo)流墩的組合方式來優(yōu)化閘站進水條件；曾昊等[14]探討了一字形底坎對閘站樞紐水流出口的整流作用。但針對閘站結(jié)合部分導(dǎo)流墩的整流研究尚未涉及到導(dǎo)流墩開孔的方式，且現(xiàn)有研究多數(shù)僅考慮閘站工程一側(cè)的泵站或水閘的運行情況，未考慮兩者同時運行條件下的整流措施。

針對西淝河閘站工程中泵閘同時使用條件下存在的回旋、斜流等不良流態(tài)，采用物理模型研究了不同幾何參數(shù)的開孔導(dǎo)流墩對泵站前池流態(tài)、水閘過閘流態(tài)的影響，比較各方案下前池流態(tài)及特征斷面流速分布均勻度，為閘站工程中導(dǎo)流墩的整流措施提供參考。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 工程概況

西淝河閘站工程泵站、閘室并列布置，泵站布置6臺軸流泵機組，堤身式布置，每3臺機組為一聯(lián)，兩聯(lián)之間間距6.4 m。泵站流道凈寬8.5 m，隔墩厚1.2 m，泵站部分總寬62.2 m，順水流方向長38 m，進水池底高程6.65 m；節(jié)制閘共3孔，每孔凈寬8.5 m，隔墩厚1.2 m，閘室部分凈寬27.9 m，閘室底高程11.40 m，順水流長度38 m。閘站工程包括引河、攔污閘、進水前池、進水流道、出口擴散段等，均采用正向進出水布置，依次位于同一軸線上。

1.2 相似準則

西淝河閘站模型試驗中，采用整體正態(tài)模型，按重力相似的Fr準則設(shè)計，即要求原型和模型流動的Froude數(shù)(Fr)相等。根據(jù)西淝河閘站工程尺寸和平面布置，結(jié)合試驗大廳場地條件確定模型幾何比尺λ=30，再由相似準則得出流速比尺、時間比尺、流量比尺和糙率比尺分別為5.477，5.477，4 929.503和1.763。

1.3 模型設(shè)計

模型試驗?zāi)M范圍長度方向為攔污閘上游護坡末端至泵站出口防洪控制閘下游海漫段，同時包括下游河道(至淮河)。根據(jù)模型糙率相似準則的要求，采用優(yōu)質(zhì)PVC灰板制作模型，模型通過管道泵提供水流動力，采用UPVC管道將上下游進出水池連接，形成循環(huán)供水系統(tǒng)，模型布置見圖1。泵站機組由左岸開始編號，為1#～6#水泵機組；閘孔由導(dǎo)流墩側(cè)開始編號，依次為7#～9#自排閘孔。

圖1 模型平面整體布置Fig.1 Overall layout of model plane

圖2 現(xiàn)場測試Fig.2 Field testing

1.4 試驗方法

西淝河閘站模型試驗采用流態(tài)觀測及流速分布兩種方法驗證方案的合理性。前池流態(tài)觀測分面層流態(tài)觀測和底層流態(tài)觀測，面層流態(tài)采用專用塑料懸浮粒子跟蹤法，采用延時曝光的方式記錄面層流場情況(見圖2(a))；底層流態(tài)采用化學示蹤法，可清楚顯示前池水流存在的回流區(qū)及旋渦等不良流態(tài)情況(見圖2(b))。試驗中流量測量儀器使用LDY型智能電磁流量計，測量精度優(yōu)于0.5%；流速采用LGY-II型直讀流速儀測量，測量誤差小于1.5%。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of measuring points

試驗中在西淝河模型中布置了1個位于進水流道前5 cm的流速測試斷面，斷面布置9條測線，每條測線位于進水流道中部，水泵進水流道測線上布置5個測點，水閘進水孔測線布置4個測點，頂層測點在水面下方2 cm，底層測點位于底板上方2 cm，其余測點均勻分布(圖3)。

2 試驗研究及方案設(shè)計

西淝河模型試驗主要針對兩種運行工況，分為抽排和自排工況。抽排工況下1#～6#機組全部運行，節(jié)制閘都關(guān)閉，對應(yīng)的流量為Q=180 m3/s(模型流量Qm=0.036 m3/s)，上游西淝河側(cè)水位hs=21.0 m(模型水深為25.3 cm)，下游淮河側(cè)水位hx=24.3 m(模型水深36.3 cm)；自排工況下3個節(jié)制閘全開、泵站機組全關(guān)閉，對應(yīng)的流量為Q=412 m3/s(模型流量Qm=0.084 m3/s)，其上游西淝河側(cè)水位hs=22.2 m(模型水深29.3 cm)，下游淮河側(cè)水位hx=22.15 m(模型水深為28.8 cm)。

圖4 導(dǎo)流墩幾何參數(shù)Fig.4 Geometric parameters of a diversion pier

為了改善兩種工況下泵站和自排閘孔的水流流態(tài)，抽排工況下采用在泵站和閘孔間增設(shè)導(dǎo)流墩并開孔的方案(導(dǎo)流墩頂高程22.20 m，厚1.2 m)，用以研究導(dǎo)流墩長度及導(dǎo)流墩開孔的幾何參數(shù)(孔的寬度、間距、高度)對水流流態(tài)的影響；自排工況時，選取抽排工況下的兩種典型方案進行模型試驗，研究僅設(shè)導(dǎo)流墩和導(dǎo)流墩最佳開孔參數(shù)兩種方案下的水流過閘流態(tài)。抽排工況、自排工況下各典型方案如表1所示，導(dǎo)流墩幾何參數(shù)如圖4所示，圖中L為導(dǎo)流墩總長，B為導(dǎo)流墩開孔寬度，C為開孔間距，H為開孔高度。

表1 西淝河閘站工程模型試驗各典型方案Tab.1 Typical schemes of model test on Xifeihe combined sluice-pump station

3 模型試驗結(jié)果分析

3.1 抽排工況

3.1.1前池流態(tài)分析 抽排工況下方案1和方案2對比了不同導(dǎo)流墩長度對泵站前池流態(tài)的影響。方案1在泵站和自排閘間增設(shè)了1條25 m長導(dǎo)流墩，其面層流態(tài)如圖5(a)所示，可見，水流由攔污閘方向正向進入泵站前池，由于自排閘與泵站流道中間有導(dǎo)流墩，導(dǎo)致前池內(nèi)出現(xiàn)逆時針方向的回旋流動，回旋區(qū)主要位于前池左岸和導(dǎo)流墩左側(cè)，前池左岸的回旋區(qū)離進水流道較遠，對泵站機組的運行影響較小，而導(dǎo)流墩左邊回旋區(qū)的范圍從導(dǎo)流墩頭部開始出現(xiàn)，一直持續(xù)到6#進水流道前，易使水泵中產(chǎn)生空蝕，引起水泵的振動，進而影響泵站的穩(wěn)定運行。方案2將方案1的25 m導(dǎo)流墩延長為55 m，前池面層流態(tài)如圖5(b)所示，可見，相比于方案1，延長導(dǎo)流墩后，回旋區(qū)向外移動，但同時回旋區(qū)的范圍比方案1的大，影響范圍由6#流道口擴大至4#～5#流道，使4#～5#流道內(nèi)的水流流態(tài)紊亂。兩方案對比可知，導(dǎo)流墩長度設(shè)為25 m更為合理。

圖5 抽排工況下2種方案前池面層流態(tài)Fig.5 Surface flow patterns of two schemes under drainage working conditions

由圖5可知，優(yōu)選導(dǎo)流墩長度后并不能有效減小回旋區(qū)的范圍，為了進一步控制由導(dǎo)流墩產(chǎn)生的回旋區(qū)的范圍，本次試驗提出了在導(dǎo)流墩上開孔的方案，并依次優(yōu)選了導(dǎo)流墩開孔寬度、間距、高度。

方案3在方案1的25 m導(dǎo)流墩的基礎(chǔ)上進行開孔，開孔寬度為1.5 m，相鄰的孔口中心間距為6.25 m，開孔高度為3.8 m。面層流態(tài)如圖6(a)所示，導(dǎo)流墩開孔后，相比未開孔的方案，開孔附近的水流重新分布，側(cè)向水流經(jīng)導(dǎo)流墩的開孔處繞流至6#流道前，導(dǎo)流墩左側(cè)的回旋區(qū)明顯減小，主要分布在導(dǎo)流墩中后部至6#進水流道前。方案4改變導(dǎo)流墩開孔的寬度，其余幾何尺寸不變，其面層流態(tài)如圖6(b)，對比圖6(a)和6(b)可知，相比方案3(B=1.5 m)，導(dǎo)流墩開孔寬度由1.5 m變成4.5 m后，導(dǎo)流墩附近的回旋區(qū)進一步減小。方案5在方案4的基礎(chǔ)上擴大了導(dǎo)流墩開孔的間距，由6.25 m變?yōu)?2.50 m，其余幾何尺寸與方案4保持一致。圖6(c)為方案5抽排工況面層流態(tài)，當相鄰的孔口中心間距變?yōu)?2.50 m時，經(jīng)由開孔處流向泵站前池的水流減少，導(dǎo)流墩左側(cè)的回旋區(qū)反而增大，回旋區(qū)在垂直水流方向上布滿了整個6#進水流道。方案6開孔導(dǎo)流墩參數(shù)為：導(dǎo)流墩長度為25 m，開孔寬度為4.5 m，相鄰的孔口中心間距為6.25 m，圖6(d)為該方案面層流態(tài)，相比方案4，開孔高度由3.8 m變?yōu)?.0 m后，導(dǎo)流墩左側(cè)的回旋區(qū)明顯縮小，僅存在于5#和6#進水流道間的隔墩前方。

圖6 抽排工況下方案3～6前池面層流態(tài)Fig.6 Surface flow pattern of schemes 3-6 under drainage working conditions

通過以上對比分析可知，導(dǎo)流墩開孔后前池流態(tài)最好的為方案6，但該方案在5#和6#流道前存在少許回旋區(qū)，為了進一步改善前池流態(tài)，方案7在方案6的基礎(chǔ)上，在5#流道和6#流道中間加設(shè)一段短隔墩，該短隔墩長度為1 m，厚度為1.2 m，頂高程為22.20 m，圖7為該方案面層流態(tài)，與方案6相比，加設(shè)1 m的短隔墩后，把回旋區(qū)的區(qū)域向5#流道壓縮，達到減小回旋區(qū)范圍的目的，且回旋區(qū)向進水流道外移動。

圖7 抽排工況下方案7前池面層流態(tài)Fig.7 Surface flow pattern of scheme 7 under drainage working conditions

為了更加直觀地顯示各個方案下泵站前池流態(tài)的改善效果，對各方案下各個進水流道前的回旋區(qū)面積進行統(tǒng)計，得出方案1～7的回旋區(qū)面積分別為：0.210，0.320，0.094，0.075，0.152，0.051和0.019 m2。可見，方案7前池中影響泵站機組運行的回旋區(qū)面積最小。

3.1.2特征斷面流速分析 為了反映特征斷面的流速分布情況，根據(jù)各條測線的測點流速，計算流速分布均勻度η：

(1)

表2 抽排工況下方案1和方案7各進水流道流速分布均勻度Tab.2 Velocity uniformity of each intake channel of schemes 1 and 7 under drainage working conditions %

本次試驗在抽排工況下選取了方案1和方案7進行前池特征斷面流速測量，根據(jù)試驗中測點流速的結(jié)果，計算得兩種方案下1#～6#進水流道流速均勻度見表2。由表2可知，方案7下靠導(dǎo)流墩一側(cè)的6#進水流道流速均勻度得到明顯提高，達到76.89%，其余各流道流速均勻度也有一定程度提高，有利于泵站機組穩(wěn)定運行。

上述分析表明，抽排工況下方案7中導(dǎo)流墩設(shè)置方案能夠有效地減小進水流道前的回旋區(qū)面積，并使泵站各機組進水流道流速分布更為均勻，前池流態(tài)得到明顯改善。

3.2 自排工況試驗結(jié)果分析

3.2.1閘前流態(tài)分析 為了同時保證自排閘工作時的水流過閘流態(tài)，試驗中選取了抽排工況下方案1和方案7兩種典型方案進行自排工況下的物理模型試驗研究。

圖8(a)為方案1下的自排工況面層流態(tài)，可見自排工況下水流基本由攔污閘方向正向進入，由于受到導(dǎo)流墩的約束，水流發(fā)生偏斜，并在導(dǎo)流墩右側(cè)(節(jié)制閘前)附近出現(xiàn)回旋區(qū)，影響閘孔的過流能力，同時剝蝕導(dǎo)流墩混凝土。圖8(b)為方案7優(yōu)選導(dǎo)流墩開孔幾何尺寸后的過閘流態(tài)，相比于方案1，導(dǎo)流墩開孔后，閘前水流重新分布，墩頭的斜流得到改善，使墩右側(cè)的回旋區(qū)基本消失，過閘流態(tài)良好。

圖8 自排工況下方案1和7面層流態(tài)Fig.8 Surface flow pattern of schemes 1 and 7 under self-drainage working conditions

3.2.2特征斷面流速分析 方案1和方案7導(dǎo)流墩設(shè)置下自排閘7#，8#，9#孔的流速分布均勻度分別為63.02%，80%.18%，83.61%和75.98%，81.16%，84.98%?？梢?，方案7下，7#閘孔較方案2下流速均勻度提高了12.96%，8#和9#閘孔流速均勻度均達到80%以上。

綜合兩種工況各方案的流態(tài)及流速分析可知，針對西淝河閘站結(jié)合工程，設(shè)置合適長度的導(dǎo)流墩是必要的，且導(dǎo)流墩開孔的方案可以明顯減少導(dǎo)流墩附近的回旋區(qū)，當導(dǎo)流墩長度為25 m，開孔寬度4.5 m，相鄰的孔口間距6.25 m，開孔高度5.0 m，同時在5#流道和6#流道中間加設(shè)一段1 m短隔墩時，泵站前池及閘前流態(tài)改善效果最佳。

4 結(jié) 語

為改善西淝河閘站結(jié)合工程在抽排工況、自排工況下的水流流態(tài)，采用物理模型試驗分別研究兩種工況不同導(dǎo)流墩開孔方案下泵站前池及閘前水流流態(tài)，取得結(jié)論如下：

(1)抽排工況下，25 m長導(dǎo)流墩較55 m長的導(dǎo)流墩前池回旋區(qū)域面積更小，整流效果較好；方案7中導(dǎo)流墩開孔的幾何尺寸及增設(shè)的短隔墩能更好限制前池回旋區(qū)，改進后的進水流道前特征斷面上流速分布更加均勻，流態(tài)得到改善。

(2)自排工況時，相比于僅設(shè)導(dǎo)流墩情況，采用方案7后，導(dǎo)流墩墩頭的斜流得到改善，導(dǎo)流墩右側(cè)的回旋區(qū)基本消失，節(jié)制閘各閘孔流速分布較均勻，自排閘過流流態(tài)平穩(wěn)。

(3)綜合兩種工況下的流態(tài)、流速分析，方案7的導(dǎo)流墩開孔方案(即導(dǎo)流墩長度為25 m，開孔寬度為4.5 m，相鄰的孔口中心為6.25 m，開孔高度為5.0 m，同時在5#和6#流道中間加設(shè)1 m短隔墩)能滿足西淝河閘站結(jié)合工程在兩種工況下的運行要求，保證泵站機組的安全穩(wěn)定運行及自排閘的過閘水流流態(tài)平穩(wěn)。