分側(cè)泵閘樞紐閘下出流整流措施研究

楊 靖，陳毓陵，周春天

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

傳統(tǒng)分建形式的泵閘樞紐工程有著良好的進(jìn)水條件，能較好地解決上下游水流銜接的問題，但因其占地面積大，容易引起征地拆遷補(bǔ)償及移民安置等復(fù)雜的社會問題[1,2]。而泵閘合建樞紐工程以其布置緊湊、占地面積少得到迅速推廣[3]。與此同時(shí)，泵閘合建樞紐存在著一些水流問題，在泵、閘各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水水流存在著較大的偏流現(xiàn)象，水流流向與河床形成一定夾角，原河道的水流狀態(tài)與動量分布發(fā)生改變，河床左右水流動量不平衡，樞紐上游產(chǎn)生回流與橫向水流，進(jìn)水流態(tài)較為紊亂。同樣，下游出水流態(tài)會因?yàn)樗飨蛄硗庖粋?cè)擴(kuò)散以及水躍問題而惡化，對下游的消能防沖與通航造成影響，降低了樞紐的效率及安全性[4]。因此，在泵閘合建樞紐中，研究進(jìn)出水水流的水力特性，分析其不良流態(tài)及影響因素，提出合理有效的整流措施，對泵閘樞紐有著重大的意義。

針對泵閘上游進(jìn)水流態(tài)的整流措施，前人[5-8]提出了改變隔墻體型，增設(shè)導(dǎo)流墩、低坎等措施，有效改善了泵閘的進(jìn)流條件，取得了豐富的成果。而針對泵閘下游側(cè)的整流措施研究則相對較少。曾昊等[9]探討“一”字形底坎整流措施對改善出閘水流的影響,得出了合理的“一”字形底坎設(shè)置參數(shù)。王法猛等[10]提出了在消力池下游海漫段設(shè)置八字形底坎的整流措施，使得外河入口斷面流速不均勻系數(shù)和外河航道內(nèi)橫向流速顯著降低，有助于河口泵閘合建樞紐的通航安全。

本文以分側(cè)泵閘樞紐作為研究對象，采用物理模型試驗(yàn)的方法，對閘下出流的一些不良流態(tài)及其整流措施展開研究，通過原方案與整流方案的試驗(yàn)結(jié)果對比分析，尋求改善閘下出水流態(tài)的優(yōu)化方案，可為同類工程參考。

1 問題的提出

圖1為某典型分側(cè)泵閘樞紐工程下游側(cè)布置示意圖，該泵閘采用“泵+閘”的布置形式，泵閘分兩側(cè)布置，泵站總流量為25 m3/s，水閘為單孔水閘，凈寬10 m，閘后消力池與泵站出水池長度均為15 m，由泵閘隔墻分開，消力池及出水池后設(shè)置尾坎，池后海漫段長度為10 m，防沖槽長6 m，防沖槽后接通航河道，泵閘出水渠與通航河道垂直相交，受通航條件限制，對泵閘下游側(cè)水流的流速分布提出了更高的要求。

圖1 泵閘樞紐平面布置圖

2 物理模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況的確定

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用幾何正態(tài)模型。模型幾何比尺λl=20，相應(yīng)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。

為全面觀測閘下出流的流態(tài)以及流速分布，選在海漫前段拐角處，海漫末端處，以及這兩處的中間位置布置斷面流速測點(diǎn)，每個(gè)斷面布置7個(gè)測點(diǎn)。同時(shí)出水流態(tài)還通過高性能相機(jī)拍照記錄。物理模型布置見圖2所示。

圖2 泵閘樞紐物理模型平面布置圖

2.2 試驗(yàn)工況

當(dāng)泵站運(yùn)行時(shí)，外河水位較高，且泵站的排澇量相對較小，對外河防沖及通航影響相對水閘出流較弱，因而本文僅針對水閘運(yùn)行工況進(jìn)行研究。選取內(nèi)外河高水位的大流量排水工況作為研究工況，該工況過閘流量大，外河流速也相對較大，為下游河床及通航不利工況。此時(shí)內(nèi)河水位4.44 m，外河水位3.94 m，閘門全開，實(shí)測流量142 m3/s。河床抗沖流速Vc1=0.80 m/s，海漫末端相應(yīng)水深的抗沖流速為Vc=Vc1h0.2=1.10 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與比較

3.1 初始方案試驗(yàn)

在初始方案中，隔墻與消力池等長，均為15 m，消力池寬度11 m，底高程-1.5 m，出水池寬度14.6 m，底高程-2.0 m，池后尾坎頂寬0.4 m，頂高程0 m，坎坡坡降比為1∶1，海漫、防沖槽及通航河道底高程均為-1.0 m。

初始方案水閘排水時(shí)，過閘水流為緩流，消力池內(nèi)不形成水躍，僅沿程水面略有升降。水流出消力池后，左側(cè)突擴(kuò)，在泵站出水池及左側(cè)河道中形成較大的回流區(qū)，海漫末端斷面過流寬度接近3/4河寬，流速呈左小右大分布，左側(cè)岸腳為反向流速，局部流速較大，對河床抗沖不利，且對通航影響較大。初始方案外河流態(tài)分布見圖3，流速分布見圖4。

圖3 初始方案外河流態(tài)分布

圖4 初始方案外河流速分布(單位：m/s)

3.2 改進(jìn)方案試驗(yàn)

針對初始方案的試驗(yàn)結(jié)果，提出3種改進(jìn)方案。方案1是將外河泵閘隔墻長度縮短到大致消力池長的一半7 m，頂高程不變，同時(shí)將水閘側(cè)坎高增加0.5 m。方案2在方案1的基礎(chǔ)上增設(shè)一短導(dǎo)流墩，該導(dǎo)流墩長6 m，厚0.5 m，主要是盡量減少對泵站出流的影響，墩頂高程2.5 m，與閘中心線成30°角。方案3在方案1的基礎(chǔ)上對消力池尾坎體型進(jìn)行修改，修改后的消力池尾坎坎頂高程分段布置，水閘中心線右側(cè)坎頂高程為0.7 m，水閘中心線至泵閘隔墻坎頂高程為0.3 m，泵站側(cè)左側(cè)5 m坎頂高程為0.5 m，其余部分坎頂高程保持不變(0 m)。3種方案具體布置見圖5。

圖5 各改進(jìn)方案布置圖(單位：m)

方案1試驗(yàn)結(jié)果顯示，縮短隔墻有利于出閘水流提前向泵站側(cè)擴(kuò)散，左側(cè)回流區(qū)的最大回流速度為0.32 m/s，海漫末端斷面最大垂線流速為1.62 m/s，過流寬度有所增加。方案2試驗(yàn)結(jié)果顯示，增設(shè)導(dǎo)流墩后，左側(cè)回流區(qū)上移，最大回流速度為0.11 m/s，海漫末端斷面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全斷面過流，最大垂線流速為1.44 m/s。方案3試驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)整尾坎體型后，左側(cè)回流區(qū)進(jìn)一步上移，最大回流速度為0.07 m/s，全斷面過流提前實(shí)現(xiàn)，海漫末端斷面最大垂線流速為1.40 m/s。各改進(jìn)方案外河流速分布見圖6。

將初始方案與各改進(jìn)方案的海漫末端斷面流速繪制成圖7，可以看出，3種方案都起到了改善下游流速分布與降低海漫末端最大垂線流速的作用，其中方案2與方案3效果更為顯著。本文同時(shí)也對下游低水位工況做了一些試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對比方案2，方案3尾坎作用增強(qiáng)，對閘下出流流速分布改善效果更佳。

圖6 各改進(jìn)方案外河流速分布(單位：m/s)

圖7 海漫末端斷面流速測點(diǎn)布置及各方案海漫末端斷面流速分布

為定量分析不同方案下閘下水流對外河防沖槽及通航河道的影響，以海漫末端斷面為閘下出水口典型斷面，引入流速分布不均勻系數(shù)k，定量判斷各方案的優(yōu)劣。其中k定義為斷面垂線平均最大和最小流速差與該斷面平均流速的比值，即：

(1)

對比表1中各方案下海漫末端斷面的流速分布不均勻系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，方案3最為優(yōu)異。

表1 各方案海漫末端斷面對應(yīng)的流速分布不均勻系數(shù)

4 結(jié) 語

(1)分側(cè)泵閘樞紐在水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，由于隔墻長度過長，閘下出流不能及時(shí)擴(kuò)散，使得下游出水口的流速分布混亂。而縮短外河泵閘隔墻長度將有利于出閘水流提前向泵站側(cè)擴(kuò)散，有利于泵站側(cè)回流區(qū)上移，從而改善出水口流速分布；在泵站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，出水池出流均勻，池后提前逐步向右側(cè)擴(kuò)散，海漫末端達(dá)到全斷面過流且流速較低，這將有效減輕河道的沖刷、減弱對通航的影響。

(2)增設(shè)高低尾坎與導(dǎo)流墩使下游海漫末端出水口的最大垂線流速從2.25 m/s降低到了1.40～1.62 m/s，對比相應(yīng)水深的抗沖流速1.10 m/s，其對河道局部防沖改善效果十分顯著。同時(shí)，外河水流流速分布得到明顯均化，海漫末端斷面的流速分布不均勻系數(shù)從2.78降低到了1.22～1.92，河口區(qū)水面橫向流速明顯降低，對通航影響顯著減弱。

(3)在實(shí)際工程中，隔墻、導(dǎo)流墩、尾坎的相關(guān)參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體的泵閘分布形式以及尺寸做相應(yīng)調(diào)整。

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