青草沙水庫取水泵閘庫內(nèi)側(cè)消能防沖技術(shù)研究

王其利 ，王志林 ，馬 寧 ，高 峰

（1.上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

青草沙水庫及取輸水泵閘工程位于上海市長興島西側(cè)和北側(cè)的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域范圍，由上游取水泵閘、下游水閘、環(huán)庫大堤及輸水干線進(jìn)水口和長興島輸水支線輸水泵站等工程組成。青草沙水庫總面積66.15 km2，環(huán)庫大堤總長約48.5 km；水庫最高蓄水位7.00 m，最低運(yùn)行水位-1.50 m，水庫設(shè)計總庫容5.27 億 m3。

上游取水泵閘位于青草沙水庫北堤西北端，取水泵站共設(shè)6臺立式混流泵，單泵流量33.3 m3/s；取水閘總凈寬70 m，分5孔，每孔凈寬14 m。上游取水泵閘主要功能是非咸潮期自流引水入庫、咸潮期鹽峰之間搶引淡水和咸潮初期提水預(yù)蓄避咸、緊急情況下水庫預(yù)降排水，并與下游水閘聯(lián)動使水庫內(nèi)的水保持流動以保證水庫水質(zhì)滿足要求。

2 取水泵閘平面布置

上游取水泵閘工程主要由上游水閘、取水泵站、水閘內(nèi)外消力池、泵站進(jìn)出水池、內(nèi)外側(cè)引渠、防沖槽、翼墻、清污機(jī)橋及連接堤等構(gòu)筑物組成。

泵閘并列布置，水閘總寬82.60 m，布置在西側(cè)，泵站總寬58.60 m，布置在東側(cè)，泵、閘間以導(dǎo)墻隔開。泵、閘兩側(cè)與引堤相接，兩側(cè)引堤形成引渠。在泵閘內(nèi)二側(cè)設(shè)置導(dǎo)堤，形成內(nèi)側(cè)引渠（出水渠），并向后延伸以引導(dǎo)水流至東側(cè)庫區(qū)。由于中央沙圈圍北堤距泵閘較近，庫內(nèi)引渠在堤腳前需轉(zhuǎn)彎近90°角，沿北堤堤線向東約1.2 km至北小泓港汊。

3 取水泵閘庫內(nèi)側(cè)消能防沖特點(diǎn)

1）由于外江潮位每天兩漲兩落變化頻繁，庫內(nèi)水位也有相當(dāng)幅度的變化（尤其是咸潮期變化明顯，最高最低水位差為8.5 m），因而出閘水流流速較大，流態(tài)可能趨于紊動，某些工況可能不能形成穩(wěn)定水躍，夾有余能的水流對下游渠道是不利的。

2）由于出水渠轉(zhuǎn)彎段緊鄰中央沙北堤，上游取水閘設(shè)計單寬流量達(dá)到13 m3/s的引水出流易對已建中央沙北堤造成沖刷。

3）根據(jù)地勘資料，出水渠底面的地基土為①3-1A層（淤泥質(zhì)）粘性土夾粉性土，選淹沒水深2～3 m工況，其不沖流速約為0.4 m/s，按這個流速設(shè)計的出水渠寬度至少需要300 m才能滿足要求，這樣的后果是出水渠將直接與中央沙北堤堤腳相接，水閘引水出流將沖刷中央沙北堤堤腳，對其穩(wěn)定造成極大壓力。

因此，必須采取有效的消能防沖技術(shù)，以保證中央沙北堤的安全，從而保證取水系統(tǒng)安全。根據(jù)水庫調(diào)度和取水泵閘的功能特點(diǎn)，選用上游取水閘正向引水工況對庫內(nèi)側(cè)消能防沖技術(shù)進(jìn)行研究，采用理論計算與物模試驗相結(jié)合的研究手段，優(yōu)化消能防沖布置問題。

4 庫內(nèi)消能防沖技術(shù)研究

4.1 傳統(tǒng)計算及初擬消能防沖布置

根據(jù)本地區(qū)類似工程經(jīng)驗，采用經(jīng)驗公式計算上游取水閘消能防沖結(jié)果如表1。

表1 上游水閘正向引水工況消能計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果初擬消能防沖布置。內(nèi)側(cè)消力池采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消力池長為23 m，深1.50 m，池底面高程為-3.00 m，尾坎高程-1.50 m，消力池底板厚為1 m，首端寬81.1 m，臨岸側(cè)按12°擴(kuò)散，泵站側(cè)利用泵房及其出水流道邊墩分隔，消力池末端寬86.0 m。

海漫長度為100 m，首端高程為-2.00，從首端到末端以1∶66.7緩坡降至-3.50 m高程，邊坡坡比約1∶4，底部及邊坡均采用灌砌塊石結(jié)構(gòu)防護(hù)。海漫末端設(shè)第一道拋石防沖槽，面高程-3.50，深3.5 m，寬22.3 m。

庫內(nèi)出水引渠與水庫疏浚區(qū)結(jié)合布置，邊坡坡比1∶5。由于中央沙北堤距離泵閘較近，出水引渠需轉(zhuǎn)87.8°角，沿中央沙北堤向東延伸至與北小泓港汊相接，將水流引至水庫下游。轉(zhuǎn)彎段底高程與水庫側(cè)海漫一致，為-3.5 m，彎道后的直線段底高程-1.5 m，彎道與直線段之間過渡段63 m以1∶31.5緩坡相接。自第一道防沖槽末端至轉(zhuǎn)彎后100 m范圍，出水渠渠底及邊坡全斷面均采用砂肋軟體排上壓袋裝碎石及拋石保護(hù)，末端設(shè)深3.5 m，寬17 m的第二道拋石防沖槽。由于水庫側(cè)海漫末端南側(cè)約5即為中央沙北堤堤腳，水流易對其產(chǎn)生沖刷，故出水渠與中央沙北堤堤腳之間的平臺也設(shè)拋石下壓軟體排保護(hù)，延伸至第二道防沖槽末端。并在超出第二道防沖槽的280 m范圍內(nèi)的平臺上，設(shè)五道拋石丁壩，丁壩間距70 m，以確保拋石護(hù)底末端被沖刷形成深坑后，中央沙北堤的邊坡穩(wěn)定安全。

4.2 總體防沖消能技術(shù)研究

為了研究上游取水閘的消能工布置合理性，選擇落潮引水兩種工況不利組合對消能總體布置方案進(jìn)行定床物模試驗驗證，水位組合見表2。

表2 閘下消能防沖主要試驗工況（落潮）

試驗表明，初擬消能防沖總體布置合理，基本滿足設(shè)計要求。在試驗工況下，消力池均能形成穩(wěn)定水躍，躍首發(fā)生在閘室末端，躍尾接近消力池尾坎，但存在出池水流局部集中、池后局部水流流速明顯偏大的現(xiàn)象，對水閘下游消能防沖產(chǎn)生不利影響。經(jīng)海漫段調(diào)整，流速分布逐步趨于均勻；但受中央沙北堤限制，出水渠急轉(zhuǎn)近90°角，出水渠彎道段存在較大范圍回流區(qū)，平直段主流偏向中央沙北堤，流速較大，易對出水渠中央沙北堤外灘地及中央沙北堤產(chǎn)生沖刷。

4.3 消力池局部布置研究

根據(jù)對總體消能布置方案研究，發(fā)現(xiàn)始放工況池后水面跌落較為明顯，受池內(nèi)回流影響，出池水流局部集中，為消除這種影響，需對消力池作局部修改。

傳統(tǒng)的消力池輔助消能工措施，有增加池深、池長、加設(shè)消力墩、消力坎以及差動尾坎和增設(shè)池末反坡等，采用這些措施，對消力池的消能效果進(jìn)行研究比較，以選擇較優(yōu)修改方案，保證閘下水躍完整地發(fā)生在消力池內(nèi)。經(jīng)多組次試驗觀測比較，選取兩種較優(yōu)方案進(jìn)行詳細(xì)比較研究：

方案一，在消力池尾部增設(shè)1∶5的反坡，每孔加設(shè)高1.5 m的連續(xù)消力坎，池深增加至2.0 m（池底高程-3.5 m），總池長增加至35.5 m，具體修改方案布置見圖1。

圖1 消力池局部調(diào)整布置方案一

方案二，沿用原初擬消力池布置方案，消力池長23 m，深1.50 m，底板高程-3.00 m，同時每孔中間增設(shè)高1.5 m的消力墩，消力池尾坎改為差動式結(jié)構(gòu)，具體修改方案布置見圖2。

圖2 消力池局部調(diào)整布置方案二

經(jīng)初步試驗觀測，方案一消能工況消力池能形成穩(wěn)定水躍，躍首發(fā)生在閘室末端，躍尾在輔助消力坎處。由于消力坎的整流作用，消力池中雖仍存在回流區(qū)，但是強(qiáng)度較小。躍后水流越坎后在池中得到較好調(diào)整，再經(jīng)反坡作用后，出池流速分布較為均勻。海漫段流速分布較為均勻，與原方案相比，出水渠東西兩側(cè)回流區(qū)范圍稍有減小，回流流速較低；始放工況消力池回流較原方案小，出水池水流較為均勻，但仍存在一定的水面跌落，跌落區(qū)長度較原方案顯著縮短，最大長度為6 m左右。

方案二尾坎改為差動式，消能工況消力池內(nèi)能形成穩(wěn)定水躍，閘孔兩側(cè)躍首位于閘室末端，閘孔中部位于斜坡上，躍尾最遠(yuǎn)位于消力墩前。受消力墩作用，池內(nèi)回流區(qū)得到一定的壓縮，較原方案小，躍后集中的主流向兩側(cè)擴(kuò)散，寬度較原方案加大，經(jīng)尾坎作用后，原方案中出池水流集中現(xiàn)象基本消除，出池水流水面跌落不明顯，東側(cè)回流區(qū)較原方案有所減少，較消力池局部布置方案一稍大，回流流速較低；始放工況躍首位于斜坡中部，經(jīng)消力墩作用，池內(nèi)回流區(qū)較原方案有所減少，墩后主流擴(kuò)散較原方案增加。經(jīng)尾坎作用后出池水流較原方案有所均化。池后水面跌落區(qū)長度在10 m左右，小于原方案，大于方案一。

研究顯示消力池局部布置方案一、方案二均能滿足水閘取水消能要求，從消能最優(yōu)原則采用方案一稍有優(yōu)勢，但方案一庫內(nèi)消力池長度增加了12 m，水閘側(cè)翼墻、及平臺也需要作相應(yīng)調(diào)整，投資增加明顯，設(shè)計綜合考慮消力池采用局部布置方案二。

4.4 出水渠整流措施研究

取水閘消力池之后緊連水庫側(cè)海漫，由于水庫側(cè)海漫末端南側(cè)約350 m即為中央沙北堤堤腳，出水渠出流與海漫水流成87.8°轉(zhuǎn)向，水流流態(tài)較為復(fù)雜，且易對中央沙北堤堤腳產(chǎn)生沖刷，故對出水渠出流應(yīng)進(jìn)行深入研究，采取有效措施，保證中央沙北堤的穩(wěn)定安全。

通過模型試驗分別選擇導(dǎo)流隔墻（墻頂高出水面）、近岸丁壩群（堰頂高出水面）、潛壩三種可行的整流工程措施進(jìn)行流態(tài)觀測。流態(tài)觀測結(jié)果表明，導(dǎo)流隔墻整流效果較好，對庫水位的變化適應(yīng)性強(qiáng)，各庫水位下出水渠直段均能獲得較為均勻的流速分布，但其水中施工有一定難度；丁壩群的布置比較復(fù)雜，部分丁壩需布置在出水渠直段，出水渠直段水流主流雖能居中但分布不夠均勻，局部流速較大，丁壩頭部繞流可能引起較大的局部沖刷，整流效果較差，但其水下施工較導(dǎo)流隔墻容易；潛壩的整流作用在中低水位時較為顯著，而在水位較高時則整流作用減弱，其整流效果較導(dǎo)流隔墻差，與丁壩群整流效果相近，但其水中施工較為容易，從兼顧水流條件和施工方便考慮，選擇潛壩整流工程措施。

由物模試驗比選，確定在出水渠轉(zhuǎn)彎段上布置兩道拋石潛壩，潛壩按平行于出水渠直段中心線布置，兩道潛壩長分別為205 m和170 m，中心間距為68 m。布置潛壩后出水渠直線段主流略偏于南側(cè)，北側(cè)略有回流區(qū)，流速分布較優(yōu)。

潛壩的特點(diǎn)是阻礙下層部分水流，使其一部分沿潛壩上游面轉(zhuǎn)向，一部分翻越潛壩。水流翻越潛壩時水流得到橫向擴(kuò)散和均化，壩后流經(jīng)一定距離后立面上水流趨于均化，因而合理選擇潛壩高度對整流效果有很大影響，潛壩過低整流作用不明顯，過高雖整流效果顯著但會引起壩前雍水和壩后跌落明顯，對潛壩本身穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響，同時增加阻水作用，有可能影響水閘過流能力。經(jīng)試驗觀測同時考慮施工難易，選擇潛壩高度為2.5 m，壩頂寬度為2.0 m，邊坡為1∶2.5，堤心為拋石結(jié)構(gòu)，壩體表面拋石理砌。

5 結(jié)語

1）青草沙上游取水泵閘庫內(nèi)側(cè)消能防沖理論計算結(jié)果與物模試驗結(jié)果基本吻合，布置可行。

2）水流出消力池后有局部集中現(xiàn)象，在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩，尾檻采用差動式，可改善出池水流均勻性。

3）出水渠彎道段設(shè)置二道潛壩、直線段設(shè)置五道丁壩可有效改善彎道水流的流態(tài)及減少對北圍堤的沖刷。

［1］河海大學(xué).上游取水泵閘水工模型試驗研究報告［R］.