取水泵闸选址及流态特征分析

5.2.1.1 取水泵闸选址方案

取水泵闸选址主要考虑地形地质条件、施工难易程度、方便管理运行及工程投资等因素，根据前期研究成果拟定三个方案，经综合比选确定，并通过数学模拟计算成果加以验证。

1）方案一：前期初定闸（站）址方案

取水泵闸位置设在青草沙水库西北端的新桥通道内，泵闸出水渠正对中央沙圈围北围堤，防冲槽末端距中央沙北围堤堤脚300余米。

2）方案二：下移约1500m的方案

将闸（站）址移至下游约1.5km处，中央沙北围堤离水闸较远，出闸水流能迅速扩散。

3）方案三：上移至头部与北堤斜交布置方案

由于中央沙库区按围垦工程先期实施，中央沙圈围北堤与青草沙水库北堤相交，由交点起向下游约3km处，两堤之间形成狭长区域。本方案将闸（站）址移至两堤相交处并转向与北堤斜交布置，使闸中心线与中央沙圈围北堤基本一致，出闸水流沿两堤之间狭长区域流向下游库区。

图5-2 方案一、二、三位置示意图

三个站址方案的相互位置见图5-2。

5.2.1.2 取水泵闸选址合理性论证

1）局部水流特征数学模型分析

取水泵闸（站）方案数学模型计算采用荷兰Delft3D软件。取水泵闸（站）闸址方案比选包括两方面：一是闸附近的局部流场，特别是涨潮和落潮时的进口流场特征；二是闸址附近的库区流场及对中央沙北围堤的影响分析。因此模型要求比较精细，库内外水位组合应既能反映上游水闸附近及相邻库区的流态特征，又能解决计算时间的矛盾。上游水闸闸址方案比选采用的水位组合为长江侧设计水位3.35m，库内水位2.70m。各方案由于出水渠的开挖长度、布置位置和方式有所不同，因此过闸平均单宽流量也略有不同，一般在10～13m3／s。

（1）方案一（前期初定闸址方案）。数模计算成果显示，水流在过闸后由于受中央沙北围堤的影响，水流逐渐转向，而后水流迅速扩散。中央沙北围堤附近局部流速较大，可达1.0～1.5m／s。在闸址上游库区上半部分流速很小，在0.005m／s以下，存在大小不等的两个回流。

图5-3为水流在过闸后的流场图（最大单宽流量13m3／s）。由图可见，涨落潮时的进口流场无明显差别，流场对称均衡。水流过闸后由于受中央沙北围堤的影响，水流逐渐转向，而后水流逐渐扩散。中央沙北围堤附近流速一般小于1.0m／s，在平行于中央沙北围堤的出水渠边缘局部流速可达1.0m／s左右，在出水渠中最大流速可达1.18m／s。在闸址上游库区上半部分流速很小，在0.01m／s以下。在出闸水流的两侧分别存在较小的回流。

图5-3 方案一水流在过闸后的流场图

（2）方案二（下移约1500m的方案）。图5-4为闸址下移约1500m方案水流在过闸后的流场图。由图可见，水流过闸后水流基本平顺，扩散迅速。中央沙北堤附近流速小，不大于0.5m／s，不会影响中央沙北围堤。在库区内存在大小不等的两个回流，在闸址上游约800m以上水域，流速很小，小于0.01m／s。

（3）方案三（头部闸址斜交方案）。图5-5为头部闸址斜交方案水流在过闸后的流场图。由图可见，过闸后水流比较平顺，而后水流迅速扩散。但中央沙北围堤附近局部流速较大，可达1.0～2.0m／s，高流速区相当于又一个闸室长度，北围堤需要保护的范围较大。在闸址与库区北大堤之间存在一个回流，回流强度较大。

图5-4 方案二水流在过闸后的流场图

图5-5 方案三水流在过闸后的流场图

2）综合分析(www.xing528.com)

结合工程造价，各方案综合比较见表5-1。

表5-1 各方案优缺点综合比较

从上述分析比较可以看出：①在水闸进、出水流态方面，方案二相对较好，方案三进水流态相对较差，方案一出水流态相对较差；②在施工难易程度方面，方案三相对较好；③在安全可靠方面，三个方案相差不大；④在对中央沙圈围北堤的影响方面，方案二较小；⑤在运行管理方面，三个方案泵闸结合运行管理都方便；⑥在工程投资方面，方案二最低。

显然，方案一除因中央沙圈围北堤的影响出闸水流态相对差一些外，其他方面都相近或优于方案二。若通过调整平面布置，将泵闸轴线向外江侧移动近100m，相应地使水闸与中央沙圈围北堤堤脚距离增加100m，水流对北堤堤脚的冲刷将大为减弱，出闸水流流态也随之好转。综合多种因素，取水泵闸闸（站）址采用方案一，并将泵闸轴线向外江侧移动近100m，与堤线正交布置，涨落潮状态均为侧向进水。

5.2.1.3 取水泵闸进出口流态数模分析

根据青草沙水库取水方式及上游取水泵闸闸址选择研究成果，水库采用泵闸联动、开敞式渠道取水，上游取水泵闸闸（站）址选定在青草沙水库头部新建北堤上段新桥通道内。为了深入研究取水口的流态特征，采用荷兰Delft3D数学模型计算分析典型工况泵闸进出口的水流流态。

计算成果表明：涨落潮时的进口流场无明显差别，流场对称均衡。水流过闸后由于受中央沙北围堤的影响，水流逐渐转向，而后水流逐渐扩散。中央沙北围堤附近流速一般小于1.0m／s，在平行于中央沙北围堤的出水渠边缘局部流速可达1.0m／s左右，在出水渠中最大流速可达1.18m／s，在闸址上游库区上半部分流速很小，在0.01m／s以下，在出闸水流的两侧分别存在较小的回流。流场图详见图5-6。

图5-6 选定方案涨落潮时进口流场图

由以上流场图可见，取水泵闸以上库区头部流速均比较低，故还须考虑采取其他措施减少死水区。

5.2.1.4 取水泵闸进出口流态物理模型试验验证

对取水泵闸运行水位组合中的控制性工况进行总体布置方案水工物理模型试验验证，进一步分析青草沙水库取水泵闸选定方案（正交布置）的合理性。

为了反映潮流作用对取水口的影响，试验中采用近似模拟方法模拟长江侧水流，即根据取水泵闸附近长江流速分布，在距离取水泵闸一定范围之外，泵闸取水对长江主流流线不再有明显影响，因此物理模型中根据上述范围沿北堤平行线截取500m宽的江滩作为长江外边界，东、西侧均模拟至距泵闸分界线800m处，该宽度范围以外的长江水流对泵闸枢纽近区流态已无明显影响，因此可忽略平行于北堤的外边界与长江水流的水量交换，将该边界近似模拟成固定边界，同时在时间序列上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，以分级恒定流代替非恒定潮流过程，近似模拟近岸（北堤）潮流的影响。

物模试验总体布置示意图见图5-7，试验工况见表5-2，试验照片见图5-8～图5-10。

表5-2 取水泵闸总体布置方案试验引水主要试验工况

图5-8 水闸引水工况YFZT1取水泵闸近区水流流态

图5-9 水闸引水工况YFZT5取水泵闸近区水流流态

图5-10 泵站引水工况YFBT1取水泵闸近区水流流态

试验结果表明：①取水泵闸侧向进水（正交布置方案）总体可行，能满足泵闸引水要求；②进水口体型合理，涨落潮水流均能较为平顺转向，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转；③泵、闸前存在一定范围的回流区，并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，须采取局部修改措施消除不良流态。

综上所述，潮汐河口受往复流影响，朝向上游来流方向的开敞式取水口布置虽然落潮工况水流很平顺，但会产生涨潮时段进流流态不利的情况；同样地，朝向下游方向的取水口布置涨潮进流工况比较平顺，但落潮时段进流流态不顺，这对落潮流占优势的工程位置更为不利；而正交取水口若平面布置合理，涨落潮进流流态均可较为平顺。潮汐河口大型泵闸联动的取水口，其出水流态受双向进流流态影响，会有一定摆动，尤其是水闸引水的设计流量大，过闸后相当范围内流速比较大，同时出水渠可能出现回流情况，因此出水渠必须有足够长度调整出流流态。