物理模型试验在不对称泵闸布置验证及优化中的应用

谢 先 坤

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061）

0 引 言

平原感潮河网地区为充分利用潮汐达到排涝安全经济效果，一般采用水闸与泵站组合方式，低潮位时采用水闸自排，高潮位时采用泵站强排。为使工程布置紧凑、节约用地、工程经济、施工便利及后期运行管理方便，水闸与泵站一般采用合建且不对称的布置型式［1，2］。由于泵闸不同时运行，泵闸进出水流有一定偏折，闸下主流大大小于河道过流宽度、各处流速不均匀，可能会在泵闸进水结合处产生漩涡、在泵站进水池与进水前池处可能会有泥沙淤积及冲刷等现象［3，4］。为掌握泵闸水流态及流速分布情况，许多学者开展了数值模拟分析，卞彬［5］，黄建军［6］等采用数值模拟泵闸进出水池流态及水流特性，周才龙［7］对泵站前池隔墩整流进行数值分析，罗灿［8］等对双侧向进水泵站前池流态数值模拟研究。傅宗甫［9］提出了闸站合建枢纽导流墙体型及适宜长度确定，陆银军［10］通过数值模拟对闸站结合布置进行优化设计。也有不小学者［11-18］通过物理模型试验，研究闸站水流特性并提出相应整流措施，为有关工程设计提供了技术支撑。前人的研究多通过数值分析或物理模型试验了解闸站水流流态并为工程设计进行优化，但对泵闸流速大小分布及整流后流速变化情况研究较少，对于泵闸不对称布置过闸流量系数研究更少。

本文以某工程泵闸枢纽为例，在前期采用数学模型进行论证确定泵闸总体布置的基础上，通过制定合理的泵闸水流物理模型，模拟泵闸不同引排水工况，监测各种工况下水流流速及分布状况，比选整流措施并提出具体优化方案，并确定水闸过流流量系数，为后期泵闸运行调度方案提供技术支撑，确保工程正常运行。

1 工程概况

拟建泵闸外侧为近海，内侧为河道，泵闸具有排涝和引淡功能。泵闸引排水外侧水流受潮位涨落的影响，内侧河道呈“丁”字形分布，泵闸外部水流条件比较复杂。采用泵闸结合堤后式布置，泵闸顺水流方向总长475 m，由站身闸首、内外侧进水池（消力池）、内外河进水前池、内外河圆弧翼墙、内外海漫、内外防冲槽、外海两侧连接堤及导流堤等建筑物组成。进出水池外侧各设长20 m的进水前池，泵站与水闸之间的进水前池之间采用导流墩隔开。泵闸包括4 台单泵流量15.5 m3/s 总流量62 m3/s的引排水双向竖井贯流泵与单孔净宽12 m的水闸，采用“泵+泵+泵+泵+闸”不对称布置形式［19］，见图1。

图1 泵闸总体布置方案图Fig.1 The overall layout plan of the pump-sluice

2 模型研究方法

2.1 模型设置

模型范围应能充分反映泵闸及内外河水流特征，满足试验范围水流相似性要求，模型除了模拟站身闸首等主体建筑物，同时还模拟了内河、引渠、内外进水池、内外进水前池、导流堤及部分外海区域，考虑模型场地、整体模型比尺λL=30。模型按重力相似准则设计，相应水深比尺λH=30、流速比尺λV=300.5=5.48、流量比尺λQ=302.5=4 929.50、压强比尺λp/γ=30、糙率比尺λn=301/6=1.763。

模型全长约25 m，最大宽度约18 m。水闸、泵站等建筑物模型全部按比例采用灰塑料板精细制作，满足试验规程要求。灰塑料板糙率约为0.008，相当于原型混凝土糙率0.014 左右。内、外河引渠、导流堤均用水泥砂浆抹面，糙率为0.012 左右，相当于原型河道糙率0.021左右。模型全景见图2。

图2 整体模型图Fig.2 Overall model diagram

模型流量用标准薄壁矩形堰和三角堰量测，堰顶与测针零点误差小于0.2 mm；内、外河道流速采用计算机多点数据自动采集处理系统，配备光电式流速传感器，起动流速0.02 m/s，可同步采集64 点流速。采样时间为10 s，每点采样3 次取其平均值为该点流速；水位采用插板式尾门控制，通过测针量测水位，测针精度±0.1 mm；水流流态采用目测、拍照、录像等方式记录。

2.2 试验内容

物理模型试验的主要内容有：观测各工况内外海漫、进水前池、进水池、闸室的水流流态及流速分布，提出改善水流流态的工程措施；分析泵闸引排水对两侧导流墩及北围堤冲刷影响；针对本泵闸提出水闸过流流量系数，为以后工程运行调度提供技术支撑。

2.3 试验工况

水闸主要趁低潮位排涝水或高潮位引淡水，泵站主要是在外海高潮位时排涝及低潮位引淡水，水闸与泵站不同时运行。根据内河及外河特征水位，确定泵闸运行工况，具体见表1。由于泵闸内外结构基本对称，本文以排涝工况为例进行论述。

表1 试验运行工况 mTab.1 Test operating cases

3 试验成果分析

3.1 原设计方案水闸排涝

水闸闸门全开排涝时，排涝工况1、排涝工况2 过闸流量分别为73.00、53.40 m3/s。出闸后流态及流速分布见图3 与图4：闸前水头越大，总过流量越大，但由于出闸后水深大，最大流速反而小，出闸后水深可以有效减少出闸流速；泵闸为不对称布置，水流出闸后主流偏于闸侧，过闸后海漫处最大流速分别为4.25、4.31 m/s；在泵闸进水池、进水前池近闸处海漫段无回流现象，说明原设计泵闸之间的导流墩长度基本合适；排涝工况1在海漫末端有回流，随着出流侧水深增加，回流速度增大，最大回流速度为0.51 m/s。

图3 原方案水闸排涝流态图Fig.3 The original plan sluice drainage flow pattern diagram

图4 原方案水闸排水流速分布图Fig.4 The original plan sluice drainage velocity distribution map

3.2 原设计方案泵站排涝

4 台泵站同时运行排涝时，泵站进水前池流态见图5，泵站进水前池于近水闸侧形成回流，排涝时泵站前池最大回流速度为0.60 m/s。泵站流道进口处流态见图6，近水闸侧两台泵站流道进口处形成回流。

图5 泵站进水前池水流流态图Fig.5 The flow pattern of the water flow in the forepool of the pumping station

图6 泵站流道进口水流流态Fig.6 Flow pattern of inlet water flow of pumping station

3.3 整流措施

3.3.1 水闸排涝偏流整流

鉴于过闸后水流严重偏折，主流偏于闸侧且流速过大，可能导致护坡护底冲刷，需采取整流措施，使出闸水流尽量均匀，减少最大流速。

（1）导流墩整流。试验中首先考虑在外河海漫段设置导流墩，使出闸水流能有效扩散，根据不同导流墩数量、排列方式及尺寸等，试验中进行了多个方案比较。试验表明：在外河海漫段设置导流墩，可以较好地改善外河水流流态，使出闸水流趋于均匀，最大流速明显减少，各方案排涝工况1的外海侧防冲槽末端最大垂线平均流速为2.41～3.00 m/s，较整流前减少24%～43%，且没有回流现象。

（2）消力池整流。在水闸侧进水前池末端增设消力池，与原设计近闸处消力池形成两级消能效果。实验表明：设置二级消力池，出闸水流流态得到明显改善，水流充分扩散而趋于均匀，排涝工况1 的外海侧防冲槽末端最大垂线平均流速为2.48 m/s，较整流前减少42%，且没有回流现象。

（3）整流措施选取。两种整流措施效果均明显。导流墩对试验边界的影响（导流墩的位置、角度及外河水位等）较为敏感，为了达到整流效果要求导流墩的高度不宜小于1.5 m。一方面由于低水位时导流墩出露水面，景观性差；另一方面围区河道需适时清淤，导流墩的设置影响清淤船只通行。因此采用设置两级消力池整流方案。

3.3.2 泵站回流整流

为消除近水闸侧泵站进水前池及流道进口处的回流，试验中主要通过在进水前池进口段设置导流墩的方法。经过多种尺寸的比选，推荐在内外河侧的进水前池进口斜坡段均对称设置3 个长9.0 m、厚1.0 m、高2.8 m 的导流墩。采用整流措施后，进水前池及泵站流道进口处回流消失。

本泵闸具有排涝和引淡功能，因此在泵闸内外河均在闸侧增设消力池及在泵站进水前池增导流墩，见图7。

图7 整流措施布置图Fig.7 Arrangement of rectification measures

3.4 整流效果分析

3.4.1 水闸整流效果

在进水前池水闸侧增设二级消力池后，排涝工况1、排涝工况2 总的过闸流量基本不变，整流措施不影响水闸过流能力。排涝工况1出池水流因跌落而形成急流区，急流区长度约22 m，跌落区内最大流速为4.09 m/s，防冲槽末端最大垂线平均流速为2.36 m/s，见图8（a）和图9（a）；排涝工况2 急流区长度约34 m，跌落区内最大流速为3.64 m/s，防冲槽末端最大垂线平均流速为2.03 m/s，见图8（b）和图9（b）。

图8 整流后水闸排水流态图Fig.8 Flow diagram of sluice drainage after rectification

图9 整流后水闸排水流速分布图Fig.9 Flow rate distribution diagram of sluice drainage after rectification

整流措施对水流起到扩散作用，海漫位置基本上没有回流现象，排涝工况1、排涝工况2 海漫处最大流速分别较整流前减少约35%、53%，减少不均匀水流对护坡护底的冲刷作用。特别是外海水位低时，扩散效果更加明显。

3.4.2 泵站整流效果

泵站进水前池及进水流道回流会降低水泵运行效率，容易导致水泵损坏［4］，需采取整流措施。在泵站进水前池处设置导流墩，减少进水前池水流横向运动，进水前池进口端断面流速分布呈左大右（靠近水闸侧）小分布；进水前池内没有回流，但在水闸侧形成一回流区，最大回流流速为0.60 m/s，见图10 和图11。

图10 整流后泵站进水前池水流流态图Fig.10 the flow pattern of the water in the forepool of the pumping station after rectification

图11 整流后海漫流速分布图Fig.11 Overflow velocity distribution map after rectification

3.5 过闸流量公式

由于泵闸不对称布置，按现行《水闸设计规范》过流计算公式侧收缩系数难以确定，为工程运行调度带来不便。模型试验针对该泵闸布置进行专门过流实验，确定水闸过流流量系数。

3.5.1 堰流流量系数

过闸堰流流量可以按Q=mB计算，根据试验实测的内、外河水位和排涝流量，计算出水闸排涝堰流的流量系数。整理后发现，流量系数与相对淹没度hs/H（hs为下游水位点处堰顶以上的水深）有较好的相关关系，试验结果见图12。结果表明：水闸排涝在自由堰流时，综合流量系数m接近一个常数，其平均值大约为0.308，在淹没堰流时，综合流量系数m随相对淹没度hs/H增加而急剧减少；水闸引水在自由堰流时，综合流量系数m接近一个常数，其平均值大约为0.302，在淹没堰流时，综合流量系数m随相对淹没度hs/H增加而急剧减少。排涝综合流量系数略大于引水综合流量系数，见图12。

图12 水闸引排水堰流综合流量系数与相对淹没度关系图Fig.12 Relationship between comprehensive discharge coefficient and relative submergence degree of sluice diversion and drainage weir

3.5.2 孔流流量系数

图13 水闸自由孔流系数与相对开度关系图Fig.13 Relation diagram between free pore flow coefficient and relative opening of sluice

图14 水闸淹没孔流系数与相对开度关系图Fig.14 Relation diagram between submerged hole flow coefficient and relative opening of sluice

4 结 论

（1）通过物理模型验证，原泵闸整体平面布置方案基本合理，导流堤长度基本合适，但水闸运行时，海漫处存在局部流速过大和回流的现象；泵站运行时泵站进水前池于近水闸侧及闸侧泵站流道进口处形成回流。

（2）在水闸侧进水前池末端增设二级消力池，使出闸水流流态趋于均匀，最大流速大大减少，消除了回流；通过在泵站进水前池增设导流墩，消除泵站进水前池及流道进口处回流。

（3）通过物理模型试验，得出不均匀对称布置过闸堰流与孔流流量系数，为工程运行管理提供技术支撑。