青草沙水库取水泵闸物模试验简析与研究

许 翔 王志林

（上海勘测设计研究院 上海 200434）

1 工程概况

青草沙水库取水泵闸工程位于青草沙水库上游新建北堤上段，由长江取水泵站及引水闸组成，实现由青草沙水库长江北港取水，原水经水库调节后，向上海市陆域水厂提供水源，并向邻近的长兴岛水厂供水，从而满足上海市现有水厂及规划水厂原水需求。水库库容为5.27亿m3，在取水口位置设置有取水泵站、引水闸。取水泵站规模为200m3/s，引水闸闸孔总宽为70m，分5孔，闸底板高程-1.5m，单宽设计流量为13m3/s。

2 枢纽整体布置

青草沙水库上游取水泵闸工程主要由水闸、取水泵站、泵站进出水池、水闸内外消力池、内外侧引渠、防冲槽、翼墙、拦污拦鱼设施及连接堤等组成。取水泵闸采用并列布置形式，水闸总宽82.60m，泵站总宽58.60m。布置图见图1。

3 模型试验研究的目的及内容

针对设计方案中的水库取水泵闸枢纽布置，通过建立水工模型，由模型试验分析水闸在相应运行工况下的进出水流态、滩面的冲刷及淤积范围等特性，进而验证设计方案中泵闸整体枢纽布置的合理性；同时针对在模型试验中显现出来的问题进行分析，对水库的设计提供合理性建议和意见。出于以上模型试验研究目的，本水工模型试验的研究重点在于泵闸总平面布置方案的验证及优化。

4 模型模拟方法

4.1 长江侧水流模拟

根据上游取水泵闸布置的型式及水库北堤附近的多年长江水文特征，水库近区长江侧水流以顺岸往复流为主，水流流向与闸（泵）中心线垂直，水流平面上需转向90°左右进入水闸（泵站）；另一方面，由于泵闸进水引渠较短，水流的调整作用不充分，水闸、泵站进口流态受长江的影响较为明显，在模型试验中，应考虑长江潮流对泵闸枢纽近区水流流态的影响，适当模拟潮流作用下长江侧近岸水流的流动特性。

试验中采用近似模拟方法模拟水库长江侧水流形态。根据泵闸枢纽附近长江流速分布，沿北堤平行线截取一定宽度的江滩作为长江外边界，该宽度范围以外的长江水流对枢纽流态已无较大影响，因此忽略来自于北堤的外边界与长江侧的水量交换，将该边界近似模拟成固定边界，并且将非恒定的潮流过程离散成多个恒定的水位、流速、流向组合进行试验。

4.2 水库侧水流模拟

由于取水泵闸布置在水库西部较窄处，水流经泵闸后转向约90°进入库区，造成出水渠主流偏向南侧，导致在水库西端一定范围内形成回流区和滞流区，为全面反映库区水流运动特点，对库区南侧模拟至中央沙北堤，对西侧回流及滞流区可适当减少模拟范围，东侧尽可能增加模拟长度。

表1 水闸引水主要试验工况

图1 水库上游取水泵闸总体布置图

5 模型制作

5.1 模型设计原理

为了让模型与工程原型相似，必须使模型与原型有几何相似、运动相似及动力相似。这三者是水力学模型试验的重要特征，同时也是缺一不可的。但在某种具体条件下，总有一种力发挥着主要作用，而其他作用力处于从属地位。这就为模型试验的简化提供了方便。可以忽略次要力，同时又能够满足需要，而单项作用力下一个很重要的相似准则就是重力相似。所以本模型按重力相似准则进行设计，模型几何比尺λ1=50，相应其它物理量比尺为流速比尺：λv=λ11/2=501/2=7.071,流量比尺:λQ=λ15/2=505/2=17677.7，糙率比尺为：λn=λl1/6=501/6=1.919，水深比尺：λh=λ1=50，压强比尺：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机玻璃制作，并严格控制制作精度。有机玻璃的糙率为0.007～0.008，按相似理论换算至原型为0.0134～0.0154，与混凝土糙率相近。河道及库区地形采用水泥砂浆制作，分模拟区域采用不同的制作工艺，从而满足模型试验对糙率的要求。水泵只模拟流量，选用6台小型水泵，每台配一台流量调节阀控制单泵流量。模型整体形式见图2。

图2 枢纽模型布置图

6 模型试验及数据分析

为了较为全面的了解和论证评价水库枢纽工程设计的合理性，模型试验主要为水闸引水试验，试验均采用不同工况和水位组合进行。

试验根据泵闸运行水位组合，按长江两年一遇潮位、平均高潮位、长江潮流流速最大及潮位最高进行组合，选择控制性工况进行试验。主要工况见表1。

工况YFZT1：此时为落潮情况下消能防冲控制工况。在试验中发现，长江上游水流平顺，在距泵闸上游约300m处水流开始发生转向，流向进水口，在水流惯性作用下，部分水流越过泵闸分界线后，再流向水闸进水口；水流在进入进水口后流经拦污拦鱼栅、清污机桥墩时，斜向流受到桥墩分割，并被迫转向，沿桥墩方向流出，在流经栅孔的过程中，流速得到均化。但在长江落潮潮流的作用下，主流偏向泵闸导流隔墙一侧；泵站前，水流经过拦污拦鱼栅流向泵站前池，再绕泵闸导流隔墙流向水闸，在近泵站的闸孔前形成一较强的回流区，延伸到该闸孔前沿，对该孔水闸过流产生不利影响，该闸孔过流能力明显降低，进水水流流态见图3。

图3 工况YFZT1水流流态

该工况下过闸水流为自由孔流，闸后消力池内能形成稳定水跃，在与闸墩相对应的位置形成回流区，受此影响，消力池出池水流有局部集中现象，出池后经海漫段调整，水流逐步趋于均匀。该工况实测闸后第一防冲槽末端最大流速2.88m/s，位于防冲槽中部。在进入出水渠弯道后进入直段，主流偏于南侧，北侧形成一定范围的回流区。实测第二防冲槽末端最大流速为1.78m/s，位于出水渠中心线南侧约40m左右，出水渠直段南侧最大流速为1.94m/s。

工况YFZT2：该工况是长江涨潮情况下消能防冲试验控制工况。

试验观测到，长江下游来流平顺，在距泵闸分界线约250m处，近堤水流开始转向流向进水口，由于惯性作用，部分水流向上游越过进水口再转向流向进水口；经拦污拦鱼栅及清污机桥桥墩的作用，水流顺清污机桥桥墩流出，两侧水流沿水闸翼墙平顺流入水闸。泵站前水流经过拦污拦鱼栅流向泵站前池，再绕泵闸导流隔墙流向进水闸，在近泵站的闸孔前形成一较强的回流区，回流区延伸到闸孔前沿，对该孔水闸过流产生不利影响，该闸孔过流能力明显降低。

工况YFZT3：闸门全开。该工况库内外水位均较高，是落潮情况下水闸引水能力试验控制工况之一。试验观测发现，其长江侧及出水渠流态与YFZT1相近。但由于库水位升高，西侧回流区扩大到滩地上部分水域，试验实测滩地最大回流流速为0.59m/s，出水渠平直段主流进一步偏向南侧，南侧滩地流速较大，试验实测南侧滩地最大流速为0.98m/s。

工况YFZT4：闸门全开。该工况库内外均为最高运行水位，是涨潮情况下水闸引水能力试验的控制工况之一。试验中观测发现，该工况长江侧流态与YFZT2相近，而闸后水流流态及出水渠水流流态与YFZT3相近。

工况YFZT5、YFZT6潮位相对较低，前者长江流速较大，是水闸敞开引水闸前流态较为不利的工况。试验中发现，前者长江流态与工况YFZT1相类似，但落潮流速较大，同时，由于闸门全开，回流区对水闸过流的影响更加显著，造成该闸孔过流很少。该工况过闸水流为堰流，实测过闸流量为550m3/s。闸后水流衔接较好。后者为涨潮平均高潮位，长江近岸流速最大工况。闸门全开。试验中观测到，长江东端来流平顺，在距泵闸250m处，水流开始逐步转向流入进水口，远岸侧水流继续向西流动，水流流经进水口后经拦污拦鱼栅时，位于两端孔口的平均流速较低，中部孔口流速较大，其余与工况YFZT5相类似。

从实验数据分析不难发现，该工程设计方案基本能满足设计需要，但局部流速仍然较大，故提出，建议将闸址外移100m。通过数值模拟发现，在闸址外移后，由于围堤对水流产生影响，导致水流发生转向并且不断扩散，对降低闸后流速确实起到了很好的作用。

7 结论

通过以上水工模型试验得知：

（1）泵闸枢纽布置方案总体可行，基本能满足泵闸引水的要求。

（2）进水口体型合理，涨、落潮时水流均能较为平顺转向，拦污拦鱼栅有较强的整流作用，各工况水流经拦污拦鱼栅后，均能顺清污机桥桥墩方向出流，各工况过栅流速分布为中间大两端小，长江潮流的影响主要表现为中部大流速区沿潮流方向有少量偏移。

（3）由于泵闸导流隔墙墙端绕流的影响，导致泵、闸前存在一定范围的回流区，影响泵站前池进流流量分布的均匀性，导致水闸引水能力下降，需采取局部修改措施消除不良流态。

（4）针对工程方案设计中的不足，提出了将泵闸址外移100m的改进方案，并通过数值模拟得到了较好的结果。

如今青草沙水库已经开始正常运行，同时通过实地观察发现，取水泵闸水流流态良好。泵闸布置设计的合理性得到了实际验证。

由此认为，通过对青草沙水库的物模试验的研究以及工程建成后的正常运行，其合理的布置形式为以后大型水利取水建筑物的平面布置设计提供了一定的参考。

[1]河海大学.《上游取水泵闸水工模型试验研究报告》.