閘站合建樞紐布置型式的試驗(yàn)研究

閘站合建樞紐布置型式的試驗(yàn)研究

在平原渠道和站站樞紐的配置中，傳統(tǒng)的方法通常會(huì)將渠道和站分開配置，以更好地解決節(jié)點(diǎn)上下流動(dòng)的連接問(wèn)題。然而，這種布局方式占地面積大，在人均耕地面積較少的平原地區(qū)，很容易導(dǎo)致難以解決的社會(huì)問(wèn)題，如征收和拆遷。因此，在傳統(tǒng)的配置模式下，結(jié)合水上碼頭和車站的新配置模式，如布局緊湊、占地面積小，迅速普及。以臺(tái)州的高港關(guān)閉站為例，如果采用傳統(tǒng)的開放弧段劃分，泵站必須挖掘另一條開放河。與門站相對(duì)應(yīng)的布置相比，大壩應(yīng)該占用28小時(shí)的耕地，挖一條182萬(wàn)米的土層，增加投資近1500萬(wàn)元。此外，由于土地少，征收權(quán)和移民安置減少，社會(huì)效應(yīng)顯著。另一方面,閘站結(jié)合布置方式雖然解決了征地面積大的問(wèn)題,但卻容易引起樞紐上下游水流流態(tài)的特殊化和復(fù)雜化.在閘站各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí),水流流向與河床形成一定夾角,從而改變了原河道的流態(tài)和動(dòng)量分布,使河床左右動(dòng)量不平衡,在樞紐上下游引起劇烈的回流和橫向水流,惡化了水閘泵站進(jìn)水流態(tài),從而使水閘泄流能力或泵站效率降低,甚至嚴(yán)重淘刷岸坡,危及建筑物基礎(chǔ),威脅工程安全.這些水流問(wèn)題若處理不當(dāng),則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)樞紐布置的失敗.本文通過(guò)江蘇、上海等地10余座平原水閘泵站合建工程樞紐布置與試驗(yàn)資料的分析,對(duì)閘站結(jié)合不同的布置型式及由此引起的水流問(wèn)題作一闡述和宏觀分析,并對(duì)整流措施作一些探討.1門港綜合建設(shè)過(guò)程的三個(gè)配置類型當(dāng)前,工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行平原水閘泵站結(jié)合布置設(shè)計(jì)中,根據(jù)樞紐河勢(shì)、地質(zhì)、閘站規(guī)模、樞紐的功能及水流條件,常采用三種主要布置型式.1.1個(gè)交通樞紐工程在該樞紐布置中,水閘與泵站分居河道兩側(cè).由于泵站集中布置在一側(cè),因而有利于泵站安裝、檢修和運(yùn)行管理,適合泵站規(guī)模較大的大中型水利樞紐,如江蘇泰州引江河高港樞紐、無(wú)錫白屈港水利樞紐、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期排水工程樞紐及上海張家塘、外環(huán)河、大漲涇等水利樞紐工程.1.2引排內(nèi)閘互通在該樞紐布置中,水閘位居河道中間,泵站則對(duì)稱布置在水閘兩側(cè),適合以水閘引排為主兼具開通閘通航的中小型水利樞紐.如上海龍華港泵閘樞紐工程、木櫝港泵閘樞紐工程等.1.3采用潛水泵加泵布置于一種大型樞紐在樞紐布置中,泵站布置在水閘的上層,下層閘(涵)室可代替水泵流道,適合規(guī)模較小的小型水利樞紐或雙向引排的水利樞紐.如上?；^(qū)排水工程泵涵樞紐.若泵站中使用潛水泵,則閘站立式布置所需的高度因電機(jī)層省除可進(jìn)一步減小,因而該布置方式有著較廣泛的應(yīng)用前景.2內(nèi)流特性分析高港樞紐是泰州引江河的控制口門,具有引水、排澇和航運(yùn)等多項(xiàng)功能.樞紐包括節(jié)制閘、泵站、船閘等水工建筑物.節(jié)制閘閘室共4孔,每孔凈寬10m,為整體式平底板梯形小坎堰結(jié)構(gòu).閘室底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25.6m,頂高程-6.35m,堰頂高程-5.5m.泵站共9臺(tái)機(jī)組,引排能力達(dá)300m3/s,配合式雙層矩形流道,雙向排水,底層流道在泵站停機(jī)時(shí)還可兼作地涵使用.每個(gè)底層流道順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)31.9m,凈寬7.8m,凈空4.45m,中間設(shè)一層分隔墻.流道底板頂高程-6.85m,分別以斜坡方式與上下游河床相接.在樞紐布置中,節(jié)制閘中心線與河道中心線一致,泵站緊靠節(jié)制閘右側(cè)布置,并在閘站結(jié)合部上下游分別布置長(zhǎng)20.5m和20m的導(dǎo)流墻,該工程樞紐為典型的平面不對(duì)稱布置(圖1).平面不對(duì)稱布置樞紐中的主要水流特性是:在建筑物各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí),上游來(lái)流發(fā)生偏折,主流流向與河床形成夾角,引起河床左右動(dòng)量不平衡,在樞紐前形成強(qiáng)烈的回流和橫向流速.在節(jié)制閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí),泵站前形成大片滯水區(qū),閘前右側(cè)則水流收縮明顯,橫向流速顯著,致使水流與閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻脫離,在水閘一側(cè)處形成回流.閘室進(jìn)口斷面回流區(qū)最大寬度約為2/3閘孔寬,回流區(qū)尾部則一直延伸至水閘右邊孔閘室出口斷面,使右邊孔有效過(guò)水寬度減少,泄流能力降低.在泵站單獨(dú)運(yùn)行時(shí),上游來(lái)流偏向泵站,左側(cè)來(lái)流繞閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻進(jìn)入前池.無(wú)論是高水位還是低水位,在導(dǎo)流墻端部水流均發(fā)生分離并在前池左側(cè)產(chǎn)生較大回流區(qū),水位越低,回流范圍越大,且一直延伸至泵站進(jìn)水口門.由于回流區(qū)的存在,最右側(cè)的一臺(tái)泵斜向進(jìn)水,致使進(jìn)水口門右側(cè)墩前產(chǎn)生陣發(fā)性旋渦,尤其是在低水位時(shí),旋渦持續(xù)發(fā)生.在樞紐下游,由于單側(cè)泄流,閘下河道兩側(cè)出現(xiàn)大小不同的回流,主流區(qū)與回流區(qū)之間形成的壓差產(chǎn)生橫向水面坡降,使主流沿河道一側(cè)前進(jìn),形成偏流.上述水流特性給樞紐運(yùn)行帶來(lái)不利影響,既惡化了樞紐進(jìn)水流態(tài),使泵站效率和節(jié)制閘泄流能力降低,又增加了下游消能防沖的負(fù)擔(dān),因此必須采取相應(yīng)的整流措施.首先對(duì)閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻形態(tài)和平面位置進(jìn)行比較試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明,此種措施可以改善節(jié)制閘入流流態(tài),但卻惡化了泵站前池水流流態(tài).其次對(duì)導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度進(jìn)行比較試驗(yàn).若導(dǎo)流墻長(zhǎng)度為零,即取消導(dǎo)流墻,閘前橫向流速顯著增加,不僅右邊孔內(nèi)有回流存在,在鄰近的中孔內(nèi)也有小回流存在,致使右邊兩孔的平均流速減小,泄流能力較原方案反而降低.若增加導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度,閘前回流雖不能消失,但回流區(qū)則隨導(dǎo)流墻長(zhǎng)度的增加而逐漸上移,當(dāng)導(dǎo)流墻增至34.4m時(shí),回流區(qū)尾部?jī)H延伸到閘孔入口處,若增加至42m時(shí),則右邊孔閘室內(nèi)回流完全消失,泄流能力較原方案明顯增加,若再增加導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度,則泄流能力無(wú)明顯變化,故試驗(yàn)確定閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻長(zhǎng)度由原來(lái)20.5m增加至42m.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于引江河來(lái)水主流完全在泵站左側(cè),若僅僅通過(guò)延長(zhǎng)閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度來(lái)改善前池流態(tài),效果并不明顯,需要在前池內(nèi)采取整流措施.經(jīng)多種整流措施比較,在前池入口兩側(cè)布設(shè)3個(gè)長(zhǎng)度為14.5m的導(dǎo)流墩,可以明顯改善池內(nèi)流態(tài),消除回流,均化泵站進(jìn)水口前流速分布.最后對(duì)樞紐下游左側(cè)岸坡體型和擴(kuò)散角進(jìn)行調(diào)整,使主流偏流強(qiáng)度有所減緩.采用上述整流措施后,樞紐上下游水位流態(tài)有所改善,從而提高了該布置方案下樞紐運(yùn)行的安全性和可靠性.3水流傳播及流態(tài)龍華港套閘泵站工程是上海淀北片排水的主要咽喉,通過(guò)調(diào)度引淀浦河清水,改善該地區(qū)水質(zhì).套閘由內(nèi)外閘首和閘室組成.內(nèi)閘首位于內(nèi)河側(cè),外閘首位于外江側(cè).閘首和閘室底板高程為-1.0m,閘首凈寬12m,閘室凈寬20m.泵站對(duì)稱布置于內(nèi)閘首兩翼,兩側(cè)各設(shè)3臺(tái)水泵,單泵流量5m3/s.在內(nèi)閘首上游端兩側(cè)邊墻各設(shè)5個(gè)高2.8m、寬2.4m的底孔.水流由底孔側(cè)向進(jìn)入泵站前池,底孔頂高程為1.8m,所以高水位時(shí)為孔流,低水位時(shí)為明流.進(jìn)入前池的水流轉(zhuǎn)向90°進(jìn)入泵室,再由水泵抽至閘室內(nèi),排至下游,前池凈寬9.2m.該樞紐布置為典型的平面對(duì)稱布置(圖2).由于水閘居中,在水閘單獨(dú)運(yùn)行時(shí),主流流向與水閘泄流方向一致,故進(jìn)口水流流態(tài)較好.但水流集中下泄,在下游河道兩側(cè)形成強(qiáng)烈的回流.回流擠壓主流,致使出閘水流單寬流量集中,水面陡降,垂線平均流速超過(guò)5m/s,大大增加下游消能防沖的負(fù)擔(dān),不得不嚴(yán)格限制水閘運(yùn)行時(shí)閘門的開啟高度.在泵站單獨(dú)運(yùn)行時(shí),由于兩側(cè)泵站前池采用側(cè)向底孔進(jìn)水布置,水流由閘首轉(zhuǎn)90°進(jìn)入前池上游段后又轉(zhuǎn)向90°進(jìn)入前池下游段,且在高水位時(shí)底孔呈孔流出流,低水位時(shí)又呈明流出流,因而前池內(nèi)水流流態(tài)相當(dāng)復(fù)雜.試驗(yàn)表明:在內(nèi)河高水位時(shí),水流呈孔流進(jìn)入前池上游段,孔口處的表層水流受底部主流卷吸;另一方面,底部主流在外側(cè)邊墻約束下轉(zhuǎn)向流入下游段的同時(shí)也有部分水流沿邊墻進(jìn)入表層朝孔口方向流動(dòng),形成斷面環(huán)流.在前池下游段,進(jìn)口斷面上底流流向偏向外側(cè),表流流向偏向內(nèi)側(cè).池內(nèi)主流位于外側(cè)底層,在主流的卷吸作用下更促使相鄰底層水流向外側(cè)流動(dòng),而表層水流則向內(nèi)側(cè)流動(dòng)再沿內(nèi)側(cè)邊墻轉(zhuǎn)入下層補(bǔ)充底流.因此,整個(gè)前池橫斷面形成底流流向外側(cè)、表流流向內(nèi)側(cè)的斷面環(huán)流,前池水流呈螺旋流流態(tài)流向泵室.在低水位時(shí),水流呈明流進(jìn)入前池上游段,這時(shí)前池中不會(huì)形成螺旋流.由于水流的慣性作用,靠上游端底孔的進(jìn)水流量少于靠下游端底孔的進(jìn)水流量.隨著內(nèi)河水位的降低,流速的加大,這種不均勻進(jìn)流現(xiàn)象更為明顯;而下游端底孔水流進(jìn)入前池后幾乎以90°轉(zhuǎn)向,所以在前池內(nèi)側(cè)形成大片回流區(qū),主流集中在前池外側(cè).在前池內(nèi)形成的螺旋流和回流,都將影響泵室進(jìn)流條件,降低水泵效率,故需采取消除此種水流的整流措施.在內(nèi)河高低水位時(shí)前池下游段分別產(chǎn)生螺旋流和回流的重要原因是,水流進(jìn)入下游段時(shí)流速方向迅速偏斜.在高水位時(shí)是底流向外側(cè),表流向內(nèi)側(cè),低水位時(shí)表、底流均偏向外側(cè).試驗(yàn)中曾嘗試改變底孔立柱斷面型式,做成帶有不同偏斜角度、類似導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整水流流向,但試驗(yàn)表明,因其長(zhǎng)度有限,只能對(duì)局部水流發(fā)生影響,根本無(wú)法改變前池中的總體流態(tài).如果將立柱做成導(dǎo)流墻并適當(dāng)延長(zhǎng),在上游段前池內(nèi)做成順外側(cè)邊墻轉(zhuǎn)向的彎曲流道,則由于在不同內(nèi)河水位時(shí)各底孔入流的流量分配不相同,將會(huì)造成在某些水位情況下前池內(nèi)斷面流量不均.分析和試驗(yàn)證實(shí),在前池上下游段分界處設(shè)兩個(gè)軸線與泵閘軸線相平行的導(dǎo)流礅則可以有效地改善泵室進(jìn)口流態(tài),使水流基本正向進(jìn)入泵室,但流速分布尚不夠均勻.由于高低水位時(shí)泵室前池流速分布具有兩種相反的傾向,所以單靠調(diào)整導(dǎo)流墩的位置和長(zhǎng)度還不能取得滿意的效果.因此,在導(dǎo)流墩下游加設(shè)3個(gè)三角形潛墩,對(duì)水流再次進(jìn)行調(diào)整,特別在低水位時(shí)更能進(jìn)一步均化水流,取得良好的效果.4水流區(qū)下沉平原閘泵樞紐工程采用水閘泵站結(jié)合布置方式,具有布置緊湊、占地面積少等優(yōu)點(diǎn).與傳統(tǒng)的閘站分開布置方式相比,在人口稠密和人均耕地面積少的地區(qū)更有廣泛的應(yīng)用前景.但此種布置方式產(chǎn)生的水流問(wèn)題卻不容忽視.若處理不當(dāng),將直接關(guān)系到樞紐布局的成敗.為此,筆者建議:a.重視閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻的設(shè)計(jì).在平面不對(duì)稱布置中,主流偏折勢(shì)必使閘前產(chǎn)生橫向流速和回流.導(dǎo)流墻雖不能徹底消除閘前回流,但可使回流區(qū)上移,減小對(duì)水閘泄流的影響.導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度與上游來(lái)流流速的大小、方向以及水閘泄流寬度與上游河寬的比值等影響因素有關(guān),一般應(yīng)通過(guò)物模試驗(yàn)確定.對(duì)中小型工程,在初步設(shè)計(jì)時(shí),導(dǎo)流墻長(zhǎng)度可按水閘泄流寬度選取或參照類似的工程選取.b.注意改善河道消能銜接流態(tài).水閘泄流時(shí)下游河床的沖淤原因一般有兩個(gè):一是消能設(shè)施選擇不當(dāng),消能率不高;另一個(gè)是泄流消能流態(tài)發(fā)生了變化,水流能量分布不均勻.在平面對(duì)稱布置中,主流集中在河床中間下泄,造成兩側(cè)回流壓縮主流,使單寬流量集中.在平面不對(duì)稱布置中,主流集中一側(cè)下泄,造成偏流.因此,在閘站結(jié)合布置樞紐中,不僅要研究消能工的消能率,更應(yīng)注重研究泄流消能銜接流態(tài),使其盡快恢復(fù)到原有河道流態(tài)