謝 先 坤

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

0 引 言

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)為充分利用潮汐達到排澇安全經(jīng)濟效果，一般采用水閘與泵站組合方式，低潮位時采用水閘自排，高潮位時采用泵站強排。為使工程布置緊湊、節(jié)約用地、工程經(jīng)濟、施工便利及后期運行管理方便，水閘與泵站一般采用合建且不對稱的布置型式［1，2］。由于泵閘不同時運行，泵閘進出水流有一定偏折，閘下主流大大小于河道過流寬度、各處流速不均勻，可能會在泵閘進水結合處產(chǎn)生漩渦、在泵站進水池與進水前池處可能會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，許多學者開展了數(shù)值模擬分析，卞彬［5］，黃建軍［6］等采用數(shù)值模擬泵閘進出水池流態(tài)及水流特性，周才龍［7］對泵站前池隔墩整流進行數(shù)值分析，羅燦［8］等對雙側向進水泵站前池流態(tài)數(shù)值模擬研究。傅宗甫［9］提出了閘站合建樞紐導流墻體型及適宜長度確定，陸銀軍［10］通過數(shù)值模擬對閘站結合布置進行優(yōu)化設計。也有不小學者［11-18］通過物理模型試驗，研究閘站水流特性并提出相應整流措施，為有關工程設計提供了技術支撐。前人的研究多通過數(shù)值分析或物理模型試驗了解閘站水流流態(tài)并為工程設計進行優(yōu)化，但對泵閘流速大小分布及整流后流速變化情況研究較少，對于泵閘不對稱布置過閘流量系數(shù)研究更少。

本文以某工程泵閘樞紐為例，在前期采用數(shù)學模型進行論證確定泵閘總體布置的基礎上，通過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，并確定水閘過流流量系數(shù)，為后期泵閘運行調(diào)度方案提供技術支撐，確保工程正常運行。

1 工程概況

擬建泵閘外側為近海，內(nèi)側為河道，泵閘具有排澇和引淡功能。泵閘引排水外側水流受潮位漲落的影響，內(nèi)側河道呈“丁”字形分布，泵閘外部水流條件比較復雜。采用泵閘結合堤后式布置，泵閘順水流方向總長475 m，由站身閘首、內(nèi)外側進水池（消力池）、內(nèi)外河進水前池、內(nèi)外河圓弧翼墻、內(nèi)外海漫、內(nèi)外防沖槽、外海兩側連接堤及導流堤等建筑物組成。進出水池外側各設長20 m的進水前池，泵站與水閘之間的進水前池之間采用導流墩隔開。泵閘包括4 臺單泵流量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”不對稱布置形式［19］，見圖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 模型設置

模型范圍應能充分反映泵閘及內(nèi)外河水流特征，滿足試驗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，同時還模擬了內(nèi)河、引渠、內(nèi)外進水池、內(nèi)外進水前池、導流堤及部分外海區(qū)域，考慮模型場地、整體模型比尺λL=30。模型按重力相似準則設計，相應水深比尺λH=30、流速比尺λV=300.5=5.48、流量比尺λQ=302.5=4 929.50、壓強比尺λp/γ=30、糙率比尺λn=301/6=1.763。

模型全長約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制作，滿足試驗規(guī)程要求?；宜芰习宀诼始s為0.008，相當于原型混凝土糙率0.014 左右。內(nèi)、外河引渠、導流堤均用水泥砂漿抹面，糙率為0.012 左右，相當于原型河道糙率0.021左右。模型全景見圖2。

圖2 整體模型圖Fig.2 Overall model diagram

模型流量用標準薄壁矩形堰和三角堰量測，堰頂與測針零點誤差小于0.2 mm；內(nèi)、外河道流速采用計算機多點數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)，配備光電式流速傳感器，起動流速0.02 m/s，可同步采集64 點流速。采樣時間為10 s，每點采樣3 次取其平均值為該點流速；水位采用插板式尾門控制，通過測針量測水位，測針精度±0.1 mm；水流流態(tài)采用目測、拍照、錄像等方式記錄。

2.2 試驗內(nèi)容

物理模型試驗的主要內(nèi)容有：觀測各工況內(nèi)外海漫、進水前池、進水池、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；分析泵閘引排水對兩側導流墩及北圍堤沖刷影響；針對本泵閘提出水閘過流流量系數(shù)，為以后工程運行調(diào)度提供技術支撐。

2.3 試驗工況

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排澇及低潮位引淡水，水閘與泵站不同時運行。根據(jù)內(nèi)河及外河特征水位，確定泵閘運行工況，具體見表1。由于泵閘內(nèi)外結構基本對稱，本文以排澇工況為例進行論述。

表1 試驗運行工況 mTab.1 Test operating cases

3 試驗成果分析

3.1 原設計方案水閘排澇

水閘閘門全開排澇時，排澇工況1、排澇工況2 過閘流量分別為73.00、53.40 m3/s。出閘后流態(tài)及流速分布見圖3 與圖4：閘前水頭越大，總過流量越大，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；泵閘為不對稱布置，水流出閘后主流偏于閘側，過閘后海漫處最大流速分別為4.25、4.31 m/s；在泵閘進水池、進水前池近閘處海漫段無回流現(xiàn)象，說明原設計泵閘之間的導流墩長度基本合適；排澇工況1在海漫末端有回流，隨著出流側水深增加，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 原設計方案泵站排澇

4 臺泵站同時運行排澇時，泵站進水前池流態(tài)見圖5，泵站進水前池于近水閘側形成回流，排澇時泵站前池最大回流速度為0.60 m/s。泵站流道進口處流態(tài)見圖6，近水閘側兩臺泵站流道進口處形成回流。

圖5 泵站進水前池水流流態(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

鑒于過閘后水流嚴重偏折，主流偏于閘側且流速過大，可能導致護坡護底沖刷，需采取整流措施，使出閘水流盡量均勻，減少最大流速。

（1）導流墩整流。試驗中首先考慮在外河海漫段設置導流墩，使出閘水流能有效擴散，根據(jù)不同導流墩數(shù)量、排列方式及尺寸等，試驗中進行了多個方案比較。試驗表明：在外河海漫段設置導流墩，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%，且沒有回流現(xiàn)象。

（2）消力池整流。在水閘側進水前池末端增設消力池，與原設計近閘處消力池形成兩級消能效果。實驗表明：設置二級消力池，出閘水流流態(tài)得到明顯改善，水流充分擴散而趨于均勻，排澇工況1 的外海側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。導流墩對試驗邊界的影響（導流墩的位置、角度及外河水位等）較為敏感，為了達到整流效果要求導流墩的高度不宜小于1.5 m。一方面由于低水位時導流墩出露水面，景觀性差；另一方面圍區(qū)河道需適時清淤，導流墩的設置影響清淤船只通行。因此采用設置兩級消力池整流方案。

3.3.2 泵站回流整流

為消除近水閘側泵站進水前池及流道進口處的回流，試驗中主要通過在進水前池進口段設置導流墩的方法。經(jīng)過多種尺寸的比選，推薦在內(nèi)外河側的進水前池進口斜坡段均對稱設置3 個長9.0 m、厚1.0 m、高2.8 m 的導流墩。采用整流措施后，進水前池及泵站流道進口處回流消失。

本泵閘具有排澇和引淡功能，因此在泵閘內(nèi)外河均在閘側增設消力池及在泵站進水前池增導流墩，見圖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

在進水前池水閘側增設二級消力池后，排澇工況1、排澇工況2 總的過閘流量基本不變，整流措施不影響水閘過流能力。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，見圖8（a）和圖9（a）；排澇工況2 急流區(qū)長度約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

整流措施對水流起到擴散作用，海漫位置基本上沒有回流現(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%，減少不均勻水流對護坡護底的沖刷作用。特別是外海水位低時，擴散效果更加明顯。

3.4.2 泵站整流效果

泵站進水前池及進水流道回流會降低水泵運行效率，容易導致水泵損壞［4］，需采取整流措施。在泵站進水前池處設置導流墩，減少進水前池水流橫向運動，進水前池進口端斷面流速分布呈左大右（靠近水閘側）小分布；進水前池內(nèi)沒有回流，但在水閘側形成一回流區(qū)，最大回流流速為0.60 m/s，見圖10 和圖11。

圖10 整流后泵站進水前池水流流態(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 過閘流量公式

由于泵閘不對稱布置，按現(xiàn)行《水閘設計規(guī)范》過流計算公式側收縮系數(shù)難以確定，為工程運行調(diào)度帶來不便。模型試驗針對該泵閘布置進行專門過流實驗，確定水閘過流流量系數(shù)。

3.5.1 堰流流量系數(shù)

過閘堰流流量可以按Q=mB計算，根據(jù)試驗實測的內(nèi)、外河水位和排澇流量，計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)與相對淹沒度hs/H（hs為下游水位點處堰頂以上的水深）有較好的相關關系，試驗結果見圖12。結果表明：水閘排澇在自由堰流時，綜合流量系數(shù)m接近一個常數(shù)，其平均值大約為0.308，在淹沒堰流時，綜合流量系數(shù)m隨相對淹沒度hs/H增加而急劇減少；水閘引水在自由堰流時，綜合流量系數(shù)m接近一個常數(shù)，其平均值大約為0.302，在淹沒堰流時，綜合流量系數(shù)m隨相對淹沒度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)，見圖12。

圖12 水閘引排水堰流綜合流量系數(shù)與相對淹沒度關系圖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)與相對開度關系圖Fig.13 Relation diagram between free pore flow coefficient and relative opening of sluice

圖14 水閘淹沒孔流系數(shù)與相對開度關系圖Fig.14 Relation diagram between submerged hole flow coefficient and relative opening of sluice

4 結 論

（1）通過物理模型驗證，原泵閘整體平面布置方案基本合理，導流堤長度基本合適，但水閘運行時，海漫處存在局部流速過大和回流的現(xiàn)象；泵站運行時泵站進水前池于近水閘側及閘側泵站流道進口處形成回流。

（2）在水閘側進水前池末端增設二級消力池，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；通過在泵站進水前池增設導流墩，消除泵站進水前池及流道進口處回流。

（3）通過物理模型試驗，得出不均勻對稱布置過閘堰流與孔流流量系數(shù)，為工程運行管理提供技術支撐。