關(guān)鍵詞：水力特性；水工模型；水流流態(tài)；水流流速；姚江二通道

中圖法分類號(hào)：TV66 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j. cnki. slsdkb. 2025.05.014

文章編號(hào)：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(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)壓強(qiáng)、沖擊波、水流摻氣以及空化空蝕等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程的運(yùn)行安全，并給下游河道的消能防沖帶來突出挑戰(zhàn)[1-3]。水利工程樞紐和消能工的布置形式影響水流流態(tài)，并進(jìn)一步影響工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。在改善水流流態(tài)方面，大量學(xué)者開展了廣泛的研究，借助物理模型試驗(yàn)評(píng)估了不同運(yùn)行條件下的工程安全性，并提出了針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)控方案[5-8]。刁洋洋°構(gòu)建了泄洪防空洞的物理模型并評(píng)估了不同摻氣措施的水力特性。劉領(lǐng)等[10]開展了青山水利樞紐的物理模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了樞紐現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方案的泄流能力以及口門區(qū)水流通航條件，并提出了樞紐改造的設(shè)計(jì)方案。

水工模型試驗(yàn)是評(píng)估水利工程運(yùn)行安全性并優(yōu)化工程運(yùn)行方式的重要手段。姚江二通道（慈江）工程運(yùn)行條件復(fù)雜，因此針對(duì)水工模型試驗(yàn)研究工程的水力特性（包括流態(tài)和流速分布）進(jìn)行分析，對(duì)于確保工程安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。鑒于此，本文針對(duì)不利流態(tài)問題，通過構(gòu)建姚江二通道（慈江）工程水工模型試驗(yàn)裝置，對(duì)不同閘門和泵站啟閉方式下的水流流態(tài)和流速變化進(jìn)行試驗(yàn)和分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出優(yōu)化泵站水流流態(tài)的調(diào)控方案和建議，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

寧波市姚江流域洪澇災(zāi)害頻發(fā)，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(jīng)江北、鎮(zhèn)海河道直排入海，擴(kuò)大姚江干流的東排能力，緩解姚江干流防洪壓力。同時(shí)，能完善提升江北、鎮(zhèn)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(xù)時(shí)間，改善江北、鎮(zhèn)海片水生態(tài)環(huán)境。其西起慈江大閘，經(jīng)江北慈江、鎮(zhèn)海沿山大河，由澥浦大閘外排入杭州灣。工程采用“3級(jí)抽排 + 局部高水高排”的工程排水格局，工程建設(shè)的主要任務(wù)為加大姚江干流東排能力，替代甬江流域規(guī)劃中姚江二閘工程對(duì)余姚的泄洪任務(wù)，完善提升江北鎮(zhèn)海區(qū)防洪排澇能力，兼顧江北鎮(zhèn)海片水生態(tài)環(huán)境。

工程主要建設(shè)內(nèi)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(gè)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(guī)模 100m³/s ，設(shè)置4臺(tái)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(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，按50a一遇洪水設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)與制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)SL155-2012《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》并參照 DL/T286-2012 《發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水流道水力模型試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)情況，模型的幾何比尺選定為 1：25 。

采用弗勞德（Froude）數(shù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)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(zhǔn)則設(shè)計(jì)為正態(tài)整體模型，模型總長(zhǎng) 35m ，寬 13m ，高 1.3m 。其中，上游長(zhǎng)約 15m （相當(dāng)于原型 400m ），下游長(zhǎng)為 20m （相當(dāng)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(jī)玻璃制作。

采用電磁流量計(jì)量測(cè)流量，采用測(cè)針量測(cè)水位，采用旋槳流速儀量測(cè)流速，采用測(cè)壓管量測(cè)時(shí)均壓力。模型制作及安裝均符合規(guī)程要求，所用儀器均經(jīng)過鑒定并在有效使用期內(nèi)。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(cè)量裝置

2.2.1 流態(tài)觀測(cè)

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

水工建筑物運(yùn)行時(shí)生成的漩渦有多種危害，如過水能力下降、水流流態(tài)惡化、建筑物脈動(dòng)壓力變幅增加等，因此需要對(duì)漩渦進(jìn)行控制。美國(guó)AIden實(shí)驗(yàn)研究室根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象對(duì)漩渦進(jìn)行分類，將表面漩渦依其強(qiáng)弱分為6種類型。漩渦對(duì)工程產(chǎn)生的影響因其類型而異： ① 1和2類近于無(wú)漩渦，不會(huì)引起危害，允許存在； ② 3和4類為弱漩渦，對(duì)機(jī)組與建筑物會(huì)產(chǎn)生一定影響，但危害一般不嚴(yán)重，宜考慮防止出現(xiàn)； ③ 5和6類屬于強(qiáng)漩渦，可能引起較嚴(yán)重的后果，工程中通常要避免出現(xiàn)。其中，表面漩渦的漩渦強(qiáng)度應(yīng)低于染料核渦，即表面漩渦應(yīng)控制在比3類表面渦強(qiáng)度更低的漩渦，水內(nèi)漩渦應(yīng)控制在比2類水內(nèi)渦強(qiáng)度更低的漩渦。對(duì)于染料核渦（即表面3類渦和水內(nèi)2類渦），充許少量出現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生時(shí)長(zhǎng)小于 10% 的工作時(shí)長(zhǎng)或僅發(fā)生于不經(jīng)常出現(xiàn)的水泵運(yùn)行工況中時(shí)，亦可認(rèn)為漩渦滿足要求。

2.2.2 流速觀測(cè)

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

2.2.3 試驗(yàn)工況

分別對(duì)閘門和泵站單獨(dú)運(yùn)行下的水流特性進(jìn)行分析，共計(jì)設(shè)置9種工況，其中泵站和水閘運(yùn)行工況分別見表1和表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水閘運(yùn)行結(jié)果

3.1.1 閘門全部開啟流態(tài)結(jié)果

閘門全部開啟時(shí)，對(duì)表2所示的4組工況（工況6 ）分別進(jìn)行流態(tài)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同工況下水閘上下游流態(tài)均呈現(xiàn)出了類似的特征，水流流態(tài)、流速分布、水面線等水力學(xué)參數(shù)基本一致，不失一般性，選擇工況8（ ，分洪工況）為例進(jìn)行流態(tài)說明。水閘運(yùn)行流態(tài)見圖4，該工況條件下，上游河道內(nèi)主流居中行進(jìn)，進(jìn)閘水流平穩(wěn)，各閘孔分流較為均勻，出閘流態(tài)對(duì)稱，閘下水流亦較為平穩(wěn)，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(tài)結(jié)果

按表2中4組工況（工況6～9）所對(duì)應(yīng)的上下游水位，進(jìn)行不同閘孔組合運(yùn)行方式下的流態(tài)測(cè)試。同一閘孔組合運(yùn)行條件下，不同上下游水位時(shí)的水流流態(tài)、流速分布、水面線等水力學(xué)參數(shù)基本一致，選擇工況9 （H_L=1.5m，H_F=0.5m ，消能工況）所對(duì)應(yīng)的上下游水位為例進(jìn)行流態(tài)說明。

（1）2號(hào)閘單獨(dú)運(yùn)行。2號(hào)閘（4孔閘從左至右編號(hào)）單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的流態(tài)見圖5。該工況下，水閘上游水面平靜，水流平穩(wěn)，主流略偏左岸，兩側(cè)閘墩局部可見輕微繞流現(xiàn)象，閘室內(nèi)水流均勻，出口兩側(cè)產(chǎn)生局部回流，下游河道主流居中行進(jìn)，泵站出口形成逆時(shí)針回流區(qū)域，回流強(qiáng)度較小。

（2）2，3號(hào)閘運(yùn)行。2，3號(hào)閘門聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的流態(tài)見圖6，該工況下，水閘上游水面平靜，水流平穩(wěn)，主流位于河床中部，2，3號(hào)閘的閘墩墩頭處可見局部輕微繞流現(xiàn)象，閘室內(nèi)水流均勻，閘孔出口兩側(cè)產(chǎn)生回流現(xiàn)象，回流強(qiáng)度較小。

3.1.3 流速結(jié)果

從流速測(cè)試結(jié)果可以看出，各工況下流速分布及沿程變化規(guī)律基本一致。閘站上游河道內(nèi)主流居中行進(jìn)，中部流速大，兩岸流速略小；閘站前沿?cái)嗝媪魉倩揪鶆?進(jìn)入閘站后由于過流斷面縮窄，流速略有增大，各孔閘內(nèi)流速相當(dāng)，分布均勻;出閘后流速減小，受河勢(shì)的影響，下游河道內(nèi)主流略偏左岸行進(jìn)，左岸流速略大。各測(cè)點(diǎn)流速呈“表大底小”分布。各測(cè)點(diǎn)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?jǐn)嗝媪魉贉y(cè)量結(jié)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(yùn)行結(jié)果

3.2.1 泵站優(yōu)化前運(yùn)行結(jié)果

泵站運(yùn)行時(shí)進(jìn)水前池若存在較大范圍回流等不良流態(tài)，會(huì)誘導(dǎo)水泵進(jìn)水通道內(nèi)產(chǎn)生漩渦，不利于水泵機(jī)組的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)回流還會(huì)造成前池內(nèi)泥沙的淤積，進(jìn)一步影響水泵的進(jìn)流條件。由于攔污柵前30～50m 局部區(qū)域河床地形較高，在水泵運(yùn)行工況5下，可觀測(cè)到水流經(jīng)過此區(qū)域時(shí)產(chǎn)生明顯的跌流現(xiàn)象，隨后主流偏左行進(jìn)，進(jìn)水前池內(nèi)產(chǎn)生大范圍的順時(shí)針回流，受此大范圍回流影響，各泵組導(dǎo)流墩間的進(jìn)水通道內(nèi)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(hào)水泵閘室內(nèi)回流強(qiáng)度較大，2號(hào)次之，1號(hào)水泵閘室內(nèi)回流流速略小。該工況流態(tài)見圖7。

上述流態(tài)不利于泵組穩(wěn)定安全運(yùn)行，因此對(duì)泵站攔污柵前 50m 河床地形進(jìn)行了清淤處理，以保證泵站進(jìn)流順暢并改善進(jìn)水前池及進(jìn)水通道的流態(tài)。

3.2.2 泵站優(yōu)化后水流流態(tài)

對(duì)泵站前池、進(jìn)水流道、水泵進(jìn)出口等部位的水流流態(tài)、流速、壓力等水力參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)設(shè)計(jì)擬定的典型工況泵站運(yùn)行調(diào)度方式進(jìn)行研究。

對(duì)表1所示的5組工況（工況1～5）分別進(jìn)行流態(tài)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，各工況泵站進(jìn)出口及河道上下游流態(tài)均呈現(xiàn)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(jìn)行流態(tài)說明。在該工況下，受彎道的影響，上游主流略偏左岸行進(jìn)；由于攔污柵有一定的整流作用，水流經(jīng)攔污柵后，較為均勻地進(jìn)入泵站前池，進(jìn)水前池未觀察到回流現(xiàn)象；水體經(jīng)過導(dǎo)流墩后，較均勻地進(jìn)入各水泵進(jìn)水通道，進(jìn)水通道內(nèi)水流表面橫向流速極小，縱向流動(dòng)強(qiáng)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(cè)時(shí)段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)3類及以上漩渦，該工

水泵進(jìn)水口（1號(hào)水泵）各部位局部流態(tài)見圖9，可以看出，流道內(nèi)各部位水流平穩(wěn)順暢，流線與流道壁面外型線相近，無(wú)明顯渦帶和其他不良流態(tài)。

1號(hào)和4號(hào)水泵出口流態(tài)見圖10，出口流道內(nèi)水流平穩(wěn)順暢，無(wú)明顯渦帶和其他不良流態(tài)，水泵出口出流均勻，水面平靜，基本未見波動(dòng)。

3.2.3 泵站優(yōu)化后水流流速

從流速測(cè)試結(jié)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(guī)律基本一致。泵站上游河道內(nèi)主流居中行進(jìn)，中部流速大，兩岸流速略小；泵站進(jìn)水前池?cái)嗝媪魉倩揪鶆?；水泵進(jìn)水口流速略有增大，各進(jìn)水流道內(nèi)流速相當(dāng)；水泵出口斷面流速基本一致；受河勢(shì)的影響，下游河道內(nèi)主流略偏左岸行進(jìn)，左岸流速略大。水泵進(jìn)、出口各測(cè)點(diǎn)流速呈“表小底大”分布，進(jìn)水前池及出口下游各斷面測(cè)點(diǎn)流速呈“表大底小”分布。表4為工況5下部分?jǐn)嗝娴牧魉俜植冀Y(jié)果。

4結(jié)論

通過開展姚江二通道（慈江）工程水力特性試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）在閘站全開運(yùn)行的各工況下，上游河道內(nèi)主流居中行進(jìn)，進(jìn)閘水流平穩(wěn)，各閘孔分流較為均勻，出閘流態(tài)對(duì)稱，閘下水流亦較為平穩(wěn)。在閘站各閘孔組合運(yùn)行工況下，過流閘孔的閘墩墩頭處雖可見輕微的繞流現(xiàn)象，但進(jìn)流仍較為順暢；閘下消力池內(nèi)主流兩側(cè)可見較大范圍回流，但回流強(qiáng)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(qū)域河床地形較高，低水位運(yùn)行工況時(shí)產(chǎn)生明顯的跌流現(xiàn)象，進(jìn)水前池內(nèi)產(chǎn)生大范圍的順時(shí)針回流，導(dǎo)致進(jìn)水通道水面形成間歇性的表面漩渦及渦帶，不利于泵組穩(wěn)定安全運(yùn)行，對(duì)局部河床清淤處理后，較好地改善了泵站進(jìn)流與進(jìn)水前池及進(jìn)水通道的流態(tài)。

（3）優(yōu)化后閘站與泵站全開運(yùn)行及組合運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)水力指標(biāo)均能滿足有關(guān)規(guī)范要求，閘站與泵站可根據(jù)上游來流量或上下游水位差進(jìn)行靈活調(diào)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