許 翔 王志林

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 上海 200434）

1 工程概況

青草沙水庫取水泵閘工程位于青草沙水庫上游新建北堤上段，由長江取水泵站及引水閘組成，實(shí)現(xiàn)由青草沙水庫長江北港取水，原水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，向上海市陸域水廠提供水源，并向鄰近的長興島水廠供水，從而滿足上海市現(xiàn)有水廠及規(guī)劃水廠原水需求。水庫庫容為5.27億m3，在取水口位置設(shè)置有取水泵站、引水閘。取水泵站規(guī)模為200m3/s，引水閘閘孔總寬為70m，分5孔，閘底板高程-1.5m，單寬設(shè)計(jì)流量為13m3/s。

2 樞紐整體布置

青草沙水庫上游取水泵閘工程主要由水閘、取水泵站、泵站進(jìn)出水池、水閘內(nèi)外消力池、內(nèi)外側(cè)引渠、防沖槽、翼墻、攔污攔魚設(shè)施及連接堤等組成。取水泵閘采用并列布置形式，水閘總寬82.60m，泵站總寬58.60m。布置圖見圖1。

3 模型試驗(yàn)研究的目的及內(nèi)容

針對(duì)設(shè)計(jì)方案中的水庫取水泵閘樞紐布置，通過建立水工模型，由模型試驗(yàn)分析水閘在相應(yīng)運(yùn)行工況下的進(jìn)出水流態(tài)、灘面的沖刷及淤積范圍等特性，進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案中泵閘整體樞紐布置的合理性；同時(shí)針對(duì)在模型試驗(yàn)中顯現(xiàn)出來的問題進(jìn)行分析，對(duì)水庫的設(shè)計(jì)提供合理性建議和意見。出于以上模型試驗(yàn)研究目的，本水工模型試驗(yàn)的研究重點(diǎn)在于泵閘總平面布置方案的驗(yàn)證及優(yōu)化。

4 模型模擬方法

4.1 長江側(cè)水流模擬

根據(jù)上游取水泵閘布置的型式及水庫北堤附近的多年長江水文特征，水庫近區(qū)長江側(cè)水流以順岸往復(fù)流為主，水流流向與閘（泵）中心線垂直，水流平面上需轉(zhuǎn)向90°左右進(jìn)入水閘（泵站）；另一方面，由于泵閘進(jìn)水引渠較短，水流的調(diào)整作用不充分，水閘、泵站進(jìn)口流態(tài)受長江的影響較為明顯，在模型試驗(yàn)中，應(yīng)考慮長江潮流對(duì)泵閘樞紐近區(qū)水流流態(tài)的影響，適當(dāng)模擬潮流作用下長江側(cè)近岸水流的流動(dòng)特性。

試驗(yàn)中采用近似模擬方法模擬水庫長江側(cè)水流形態(tài)。根據(jù)泵閘樞紐附近長江流速分布，沿北堤平行線截取一定寬度的江灘作為長江外邊界，該寬度范圍以外的長江水流對(duì)樞紐流態(tài)已無較大影響，因此忽略來自于北堤的外邊界與長江側(cè)的水量交換，將該邊界近似模擬成固定邊界，并且將非恒定的潮流過程離散成多個(gè)恒定的水位、流速、流向組合進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 水庫側(cè)水流模擬

由于取水泵閘布置在水庫西部較窄處，水流經(jīng)泵閘后轉(zhuǎn)向約90°進(jìn)入庫區(qū)，造成出水渠主流偏向南側(cè)，導(dǎo)致在水庫西端一定范圍內(nèi)形成回流區(qū)和滯流區(qū)，為全面反映庫區(qū)水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)庫區(qū)南側(cè)模擬至中央沙北堤，對(duì)西側(cè)回流及滯流區(qū)可適當(dāng)減少模擬范圍，東側(cè)盡可能增加模擬長度。

表1 水閘引水主要試驗(yàn)工況

圖1 水庫上游取水泵閘總體布置圖

5 模型制作

5.1 模型設(shè)計(jì)原理

為了讓模型與工程原型相似，必須使模型與原型有幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似。這三者是水力學(xué)模型試驗(yàn)的重要特征，同時(shí)也是缺一不可的。但在某種具體條件下，總有一種力發(fā)揮著主要作用，而其他作用力處于從屬地位。這就為模型試驗(yàn)的簡化提供了方便?？梢院雎源我Γ瑫r(shí)又能夠滿足需要，而單項(xiàng)作用力下一個(gè)很重要的相似準(zhǔn)則就是重力相似。所以本模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型幾何比尺λ1=50，相應(yīng)其它物理量比尺為流速比尺：λv=λ11/2=501/2=7.071,流量比尺:λQ=λ15/2=505/2=17677.7，糙率比尺為：λn=λl1/6=501/6=1.919，水深比尺：λh=λ1=50，壓強(qiáng)比尺：λp=λ1=50，重力比尺：λG=λ13=125000

5.2 模型制作

模型建筑物部分均由有機(jī)玻璃制作，并嚴(yán)格控制制作精度。有機(jī)玻璃的糙率為0.007～0.008，按相似理論換算至原型為0.0134～0.0154，與混凝土糙率相近。河道及庫區(qū)地形采用水泥砂漿制作，分模擬區(qū)域采用不同的制作工藝，從而滿足模型試驗(yàn)對(duì)糙率的要求。水泵只模擬流量，選用6臺(tái)小型水泵，每臺(tái)配一臺(tái)流量調(diào)節(jié)閥控制單泵流量。模型整體形式見圖2。

圖2 樞紐模型布置圖

6 模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了較為全面的了解和論證評(píng)價(jià)水庫樞紐工程設(shè)計(jì)的合理性，模型試驗(yàn)主要為水閘引水試驗(yàn)，試驗(yàn)均采用不同工況和水位組合進(jìn)行。

試驗(yàn)根據(jù)泵閘運(yùn)行水位組合，按長江兩年一遇潮位、平均高潮位、長江潮流流速最大及潮位最高進(jìn)行組合，選擇控制性工況進(jìn)行試驗(yàn)。主要工況見表1。

工況YFZT1：此時(shí)為落潮情況下消能防沖控制工況。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，長江上游水流平順，在距泵閘上游約300m處水流開始發(fā)生轉(zhuǎn)向，流向進(jìn)水口，在水流慣性作用下，部分水流越過泵閘分界線后，再流向水閘進(jìn)水口；水流在進(jìn)入進(jìn)水口后流經(jīng)攔污攔魚柵、清污機(jī)橋墩時(shí)，斜向流受到橋墩分割，并被迫轉(zhuǎn)向，沿橋墩方向流出，在流經(jīng)柵孔的過程中，流速得到均化。但在長江落潮潮流的作用下，主流偏向泵閘導(dǎo)流隔墻一側(cè)；泵站前，水流經(jīng)過攔污攔魚柵流向泵站前池，再繞泵閘導(dǎo)流隔墻流向水閘，在近泵站的閘孔前形成一較強(qiáng)的回流區(qū)，延伸到該閘孔前沿，對(duì)該孔水閘過流產(chǎn)生不利影響，該閘孔過流能力明顯降低，進(jìn)水水流流態(tài)見圖3。

圖3 工況YFZT1水流流態(tài)

該工況下過閘水流為自由孔流，閘后消力池內(nèi)能形成穩(wěn)定水躍，在與閘墩相對(duì)應(yīng)的位置形成回流區(qū)，受此影響，消力池出池水流有局部集中現(xiàn)象，出池后經(jīng)海漫段調(diào)整，水流逐步趨于均勻。該工況實(shí)測(cè)閘后第一防沖槽末端最大流速2.88m/s，位于防沖槽中部。在進(jìn)入出水渠彎道后進(jìn)入直段，主流偏于南側(cè)，北側(cè)形成一定范圍的回流區(qū)。實(shí)測(cè)第二防沖槽末端最大流速為1.78m/s，位于出水渠中心線南側(cè)約40m左右，出水渠直段南側(cè)最大流速為1.94m/s。

工況YFZT2：該工況是長江漲潮情況下消能防沖試驗(yàn)控制工況。

試驗(yàn)觀測(cè)到，長江下游來流平順，在距泵閘分界線約250m處，近堤水流開始轉(zhuǎn)向流向進(jìn)水口，由于慣性作用，部分水流向上游越過進(jìn)水口再轉(zhuǎn)向流向進(jìn)水口；經(jīng)攔污攔魚柵及清污機(jī)橋橋墩的作用，水流順清污機(jī)橋橋墩流出，兩側(cè)水流沿水閘翼墻平順流入水閘。泵站前水流經(jīng)過攔污攔魚柵流向泵站前池，再繞泵閘導(dǎo)流隔墻流向進(jìn)水閘，在近泵站的閘孔前形成一較強(qiáng)的回流區(qū)，回流區(qū)延伸到閘孔前沿，對(duì)該孔水閘過流產(chǎn)生不利影響，該閘孔過流能力明顯降低。

工況YFZT3：閘門全開。該工況庫內(nèi)外水位均較高，是落潮情況下水閘引水能力試驗(yàn)控制工況之一。試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，其長江側(cè)及出水渠流態(tài)與YFZT1相近。但由于庫水位升高，西側(cè)回流區(qū)擴(kuò)大到灘地上部分水域，試驗(yàn)實(shí)測(cè)灘地最大回流流速為0.59m/s，出水渠平直段主流進(jìn)一步偏向南側(cè)，南側(cè)灘地流速較大，試驗(yàn)實(shí)測(cè)南側(cè)灘地最大流速為0.98m/s。

工況YFZT4：閘門全開。該工況庫內(nèi)外均為最高運(yùn)行水位，是漲潮情況下水閘引水能力試驗(yàn)的控制工況之一。試驗(yàn)中觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該工況長江側(cè)流態(tài)與YFZT2相近，而閘后水流流態(tài)及出水渠水流流態(tài)與YFZT3相近。

工況YFZT5、YFZT6潮位相對(duì)較低，前者長江流速較大，是水閘敞開引水閘前流態(tài)較為不利的工況。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，前者長江流態(tài)與工況YFZT1相類似，但落潮流速較大，同時(shí)，由于閘門全開，回流區(qū)對(duì)水閘過流的影響更加顯著，造成該閘孔過流很少。該工況過閘水流為堰流，實(shí)測(cè)過閘流量為550m3/s。閘后水流銜接較好。后者為漲潮平均高潮位，長江近岸流速最大工況。閘門全開。試驗(yàn)中觀測(cè)到，長江東端來流平順，在距泵閘250m處，水流開始逐步轉(zhuǎn)向流入進(jìn)水口，遠(yuǎn)岸側(cè)水流繼續(xù)向西流動(dòng)，水流流經(jīng)進(jìn)水口后經(jīng)攔污攔魚柵時(shí)，位于兩端孔口的平均流速較低，中部孔口流速較大，其余與工況YFZT5相類似。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不難發(fā)現(xiàn)，該工程設(shè)計(jì)方案基本能滿足設(shè)計(jì)需要，但局部流速仍然較大，故提出，建議將閘址外移100m。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在閘址外移后，由于圍堤對(duì)水流產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水流發(fā)生轉(zhuǎn)向并且不斷擴(kuò)散，對(duì)降低閘后流速確實(shí)起到了很好的作用。

7 結(jié)論

通過以上水工模型試驗(yàn)得知：

（1）泵閘樞紐布置方案總體可行，基本能滿足泵閘引水的要求。

（2）進(jìn)水口體型合理，漲、落潮時(shí)水流均能較為平順轉(zhuǎn)向，攔污攔魚柵有較強(qiáng)的整流作用，各工況水流經(jīng)攔污攔魚柵后，均能順清污機(jī)橋橋墩方向出流，各工況過柵流速分布為中間大兩端小，長江潮流的影響主要表現(xiàn)為中部大流速區(qū)沿潮流方向有少量偏移。

（3）由于泵閘導(dǎo)流隔墻墻端繞流的影響，導(dǎo)致泵、閘前存在一定范圍的回流區(qū)，影響泵站前池進(jìn)流流量分布的均勻性，導(dǎo)致水閘引水能力下降，需采取局部修改措施消除不良流態(tài)。

（4）針對(duì)工程方案設(shè)計(jì)中的不足，提出了將泵閘址外移100m的改進(jìn)方案，并通過數(shù)值模擬得到了較好的結(jié)果。

如今青草沙水庫已經(jīng)開始正常運(yùn)行，同時(shí)通過實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)，取水泵閘水流流態(tài)良好。泵閘布置設(shè)計(jì)的合理性得到了實(shí)際驗(yàn)證。

由此認(rèn)為，通過對(duì)青草沙水庫的物模試驗(yàn)的研究以及工程建成后的正常運(yùn)行，其合理的布置形式為以后大型水利取水建筑物的平面布置設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

[1]河海大學(xué).《上游取水泵閘水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告》.