分侧泵闸枢纽闸下出流整流措施研究

杨 靖，陈毓陵，周春天

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

传统分建形式的泵闸枢纽工程有着良好的进水条件，能较好地解决上下游水流衔接的问题，但因其占地面积大，容易引起征地拆迁补偿及移民安置等复杂的社会问题[1,2]。而泵闸合建枢纽工程以其布置紧凑、占地面积少得到迅速推广[3]。与此同时，泵闸合建枢纽存在着一些水流问题，在泵、闸各自单独运行时，进水水流存在着较大的偏流现象，水流流向与河床形成一定夹角，原河道的水流状态与动量分布发生改变，河床左右水流动量不平衡，枢纽上游产生回流与横向水流，进水流态较为紊乱。同样，下游出水流态会因为水流向另外一侧扩散以及水跃问题而恶化，对下游的消能防冲与通航造成影响，降低了枢纽的效率及安全性[4]。因此，在泵闸合建枢纽中，研究进出水水流的水力特性，分析其不良流态及影响因素，提出合理有效的整流措施，对泵闸枢纽有着重大的意义。

针对泵闸上游进水流态的整流措施，前人[5-8]提出了改变隔墙体型，增设导流墩、低坎等措施，有效改善了泵闸的进流条件，取得了丰富的成果。而针对泵闸下游侧的整流措施研究则相对较少。曾昊等[9]探讨“一”字形底坎整流措施对改善出闸水流的影响,得出了合理的“一”字形底坎设置参数。王法猛等[10]提出了在消力池下游海漫段设置八字形底坎的整流措施，使得外河入口断面流速不均匀系数和外河航道内横向流速显著降低，有助于河口泵闸合建枢纽的通航安全。

本文以分侧泵闸枢纽作为研究对象，采用物理模型试验的方法，对闸下出流的一些不良流态及其整流措施展开研究，通过原方案与整流方案的试验结果对比分析，寻求改善闸下出水流态的优化方案，可为同类工程参考。

1 问题的提出

图1为某典型分侧泵闸枢纽工程下游侧布置示意图，该泵闸采用“泵+闸”的布置形式，泵闸分两侧布置，泵站总流量为25 m3/s，水闸为单孔水闸，净宽10 m，闸后消力池与泵站出水池长度均为15 m，由泵闸隔墙分开，消力池及出水池后设置尾坎，池后海漫段长度为10 m，防冲槽长6 m，防冲槽后接通航河道，泵闸出水渠与通航河道垂直相交，受通航条件限制，对泵闸下游侧水流的流速分布提出了更高的要求。

图1 泵闸枢纽平面布置图

2 物理模型设计及试验工况的确定

2.1 模型设计

模型按重力相似准则设计，采用几何正态模型。模型几何比尺λl=20，相应的流速比尺λv=λ1/2l=201/2=4.472，流量比尺λq=λ5/2l=205/2=1 788.9，糙率比尺λn=λ1/6l=201/6=1.648。

为全面观测闸下出流的流态以及流速分布，选在海漫前段拐角处，海漫末端处，以及这两处的中间位置布置断面流速测点，每个断面布置7个测点。同时出水流态还通过高性能相机拍照记录。物理模型布置见图2所示。

图2 泵闸枢纽物理模型平面布置图

2.2 试验工况

当泵站运行时，外河水位较高，且泵站的排涝量相对较小，对外河防冲及通航影响相对水闸出流较弱，因而本文仅针对水闸运行工况进行研究。选取内外河高水位的大流量排水工况作为研究工况，该工况过闸流量大，外河流速也相对较大，为下游河床及通航不利工况。此时内河水位4.44 m，外河水位3.94 m，闸门全开，实测流量142 m3/s。河床抗冲流速Vc1=0.80 m/s，海漫末端相应水深的抗冲流速为Vc=Vc1h0.2=1.10 m/s。

3 试验结果分析与比较

3.1 初始方案试验

在初始方案中，隔墙与消力池等长，均为15 m，消力池宽度11 m，底高程-1.5 m，出水池宽度14.6 m，底高程-2.0 m，池后尾坎顶宽0.4 m，顶高程0 m，坎坡坡降比为1∶1，海漫、防冲槽及通航河道底高程均为-1.0 m。

初始方案水闸排水时，过闸水流为缓流，消力池内不形成水跃，仅沿程水面略有升降。水流出消力池后，左侧突扩，在泵站出水池及左侧河道中形成较大的回流区，海漫末端断面过流宽度接近3/4河宽，流速呈左小右大分布，左侧岸脚为反向流速，局部流速较大，对河床抗冲不利，且对通航影响较大。初始方案外河流态分布见图3，流速分布见图4。

图3 初始方案外河流态分布

图4 初始方案外河流速分布(单位：m/s)

3.2 改进方案试验

针对初始方案的试验结果，提出3种改进方案。方案1是将外河泵闸隔墙长度缩短到大致消力池长的一半7 m，顶高程不变，同时将水闸侧坎高增加0.5 m。方案2在方案1的基础上增设一短导流墩，该导流墩长6 m，厚0.5 m，主要是尽量减少对泵站出流的影响，墩顶高程2.5 m，与闸中心线成30°角。方案3在方案1的基础上对消力池尾坎体型进行修改，修改后的消力池尾坎坎顶高程分段布置，水闸中心线右侧坎顶高程为0.7 m，水闸中心线至泵闸隔墙坎顶高程为0.3 m，泵站侧左侧5 m坎顶高程为0.5 m，其余部分坎顶高程保持不变(0 m)。3种方案具体布置见图5。

图5 各改进方案布置图(单位：m)

方案1试验结果显示，缩短隔墙有利于出闸水流提前向泵站侧扩散，左侧回流区的最大回流速度为0.32 m/s，海漫末端断面最大垂线流速为1.62 m/s，过流宽度有所增加。方案2试验结果显示，增设导流墩后，左侧回流区上移，最大回流速度为0.11 m/s，海漫末端断面已经实现全断面过流，最大垂线流速为1.44 m/s。方案3试验结果显示，调整尾坎体型后，左侧回流区进一步上移，最大回流速度为0.07 m/s，全断面过流提前实现，海漫末端断面最大垂线流速为1.40 m/s。各改进方案外河流速分布见图6。

将初始方案与各改进方案的海漫末端断面流速绘制成图7，可以看出，3种方案都起到了改善下游流速分布与降低海漫末端最大垂线流速的作用，其中方案2与方案3效果更为显著。本文同时也对下游低水位工况做了一些试验，发现对比方案2，方案3尾坎作用增强，对闸下出流流速分布改善效果更佳。

图6 各改进方案外河流速分布(单位：m/s)

图7 海漫末端断面流速测点布置及各方案海漫末端断面流速分布

为定量分析不同方案下闸下水流对外河防冲槽及通航河道的影响，以海漫末端断面为闸下出水口典型断面，引入流速分布不均匀系数k，定量判断各方案的优劣。其中k定义为断面垂线平均最大和最小流速差与该断面平均流速的比值，即：

(1)

对比表1中各方案下海漫末端断面的流速分布不均匀系数可以发现，方案3最为优异。

表1 各方案海漫末端断面对应的流速分布不均匀系数

4 结 语

(1)分侧泵闸枢纽在水闸单独运行时，由于隔墙长度过长，闸下出流不能及时扩散，使得下游出水口的流速分布混乱。而缩短外河泵闸隔墙长度将有利于出闸水流提前向泵站侧扩散，有利于泵站侧回流区上移，从而改善出水口流速分布；在泵站单独运行时，出水池出流均匀，池后提前逐步向右侧扩散，海漫末端达到全断面过流且流速较低，这将有效减轻河道的冲刷、减弱对通航的影响。

(2)增设高低尾坎与导流墩使下游海漫末端出水口的最大垂线流速从2.25 m/s降低到了1.40～1.62 m/s，对比相应水深的抗冲流速1.10 m/s，其对河道局部防冲改善效果十分显著。同时，外河水流流速分布得到明显均化，海漫末端断面的流速分布不均匀系数从2.78降低到了1.22～1.92，河口区水面横向流速明显降低，对通航影响显著减弱。

(3)在实际工程中，隔墙、导流墩、尾坎的相关参数应根据具体的泵闸分布形式以及尺寸做相应调整。

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[1] 严忠民，周春天，阎文立，等.平原水闸泵站枢纽布置与整流措施研究[J].河海大学学报:自然科学版, 2004,28(2):50-53.

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[3] 屈磊飞.闸站枢纽进水流动计算与研究[D].江苏扬州，扬州大学，2006.

[4] 傅宗甫，顾美娟，严忠民.闸站合建枢纽导流墙体型及适宜长度[J].水利水电技术, 2011,42(10):128-131.

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[7] 王晓升，冯建刚，付丽红.感潮河段闸站合建枢纽泵站前池整流措施研究[J].中国农村水利水电, 2013,(4):140-143.

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