大中型泵站樞紐對外河通航影響的研究

馬珺

（上海市堤防（泵閘）設施管理處工程建設科，上海市 200050）

大中型泵站樞紐對外河通航影響的研究

馬珺

（上海市堤防（泵閘）設施管理處工程建設科，上海市 200050）

為了減少大中型雙向張馬泵站運行對東泖河航道的影響，并為泵站管理調度提供合適的運行方案，通過水工模型試驗對不同開挖深度下整體流態進行研究和分析。結果表明，采用合理的水泵運行調度方式，灘面開挖高程-1.50 m，可使航道范圍內橫向流速小于0.3 m/s通航指標。該方案為泵站建設降低工程投資，為后期管理部門提供運行依據，確保了東泖河航道的通航安全。

大中型泵站；通航安全；流速；模型試驗

0　引言

上海青松大控制片位于市區西部最大的連片低洼湖蕩地區。其外圍受蘇州河、黃浦江上游洪水影響及下游高潮頂托，內部地勢低洼極易受澇。青松片外圍8座排澇泵站是大控制片防汛除澇工程的重要組成部分，是青松片澇水外排的主要排澇工程。擬建張馬泵站位于青松片南沿，離太湖流域“清水走廊”太浦河較近，也是青松片引清調水的主要工程，其主要任務是防汛排澇，兼顧水資源調度、水生態環境改善［1］。

該泵站工程為設計排澇、引水流量均為60 m3/s，設置4臺15 m3/s雙向豎井貫流泵，裝機容量2.52 MW，為大II型水利樞紐工程［2］。泵站外河側設有粗格柵攔污柵、交通橋、航道防護等構筑物，與東泖河相接，泵站出口的中心線與航道呈15°夾角。東泖河為Ⅲ級航道，而泵站最低運行水位低于東泖河最低通航水位，水流流速較大，易對航道產生影響［3］，故對泵站運行時外河灘地水流流態進行研究非常重要。

通過張馬泵站樞紐整體水力模型試驗研究，分析泵站排澇和引水工況不同水位流態運行組合對東泖河航道水流的影響和沖刷情況，計算不同外河側東泖河灘地開挖高程改善流態的情況。優化泵站運行方案，在盡量減少開挖工程量的情況下，保證航運安全，并對低水位下泵站水泵開啟臺數提出要求，達到工程布局合理、降低工程投資，為后續相關管理部門制定泵站運行管理方法提供技術及數據支持。

1　泵站周邊環境分析

1.1泵站周邊河道分布

張馬泵站站址位于新建張馬套閘南側80.0 m新開河口處，泵站機組中心線距入東泖河河口的距離約95.7 m，距離內河西長港約88.6 m。內外河海漫段長均為35.0 m，海漫頂高程為-1.5 m，如圖1所示。

圖1　張馬泵站布置圖

張馬泵站附近東泖河河道斷面地形如圖2所示。從圖中可以看出，泵站附近，東泖河灘地高程在1.0 m左右，近岸灘面高程在2.0 m左右，在東泖河排澇低水位的情況下，泵站出口處灘地基本露出，泵站排出水流在灘面上形成水躍。

1.2泵站外河側河道開挖分析

在泵站現有布置且河道內不能設置導流建筑物的條件下，若采用擴大過流斷面以降低入河平均流速，但受漲落潮及水流自由擴散角的雙重影響，過流斷面在平面上的過度擴散作用不明顯，因此只有適當開挖灘面，從垂向上擴大過流斷面以滿足通航要求。

若僅考慮泵站設計流量60 m3/s，出口寬度約40 m，則出口流速1.0 m/s條件下，灘面需開挖至0.5 m高程。但根據通航安全論證要求，通航水力學指標為：規劃藍線范圍內水流橫向流速小于0.3 m/s，即泵站出口水流進入藍線范圍內橫向流速要求小于0.3 m/s，故必須對灘面進一步加大開挖量。

圖2　東泖河河道斷面地形

2　模型研究

2.1研究思路

根據實際運行情況考慮，在排澇工況下，內河側丘張港及西長港兩向來流，外河側東泖河需考慮對通航影響；引水工況下，內河側向丘張港及西長港出流，外河側亦需考慮對通航影響。截取外河側東泖河上下游全斷面各約120 m，內河側西長港約80 m，丘張港約60 m進行模型試驗研究。

不同水位下泵站外河側引渠斷面平均流速、水流弗勞德數、引渠外水流自由擴散角等見表1。其中水流自由擴散角由以下經驗公式計算

表1　泵站外河側引渠相關水力指標計算

式中：α為水流單側自由擴散角；Fr為水流弗勞德數。

從表中數據可以看出，灘地高程開挖至-2.5 m高程，可以滿足外河側水位高于2.80 m條件下泵站4臺泵開啟運行要求，但是開挖工程量太大，且后期回淤強度較大；采用灘地高程開挖至-1.5 m高程，在某些工況下流速略高于并通過運行調度來滿足通航要求。

下面分別對0.50 m和-1.50 m開挖高程不同工況及泵站運行方式進行水工模型試驗研究。

2.2模型制作

選取線性比尺為1∶20制作模型，模型泵站部分均采用有機玻璃制作［4，5］，以便于觀測流態，如圖3所示。內外河道地形采用斷面法制作，采用三角網導線系統進行平面放樣，對復雜地形，加設局部斷面，以提高精度。河床采用水泥沙漿加糙模擬，滿足阻力相似。

圖3　泵站模型

2.3測量儀器及觀測

流量采用超聲波流量計及矩形薄壁堰測定，誤差范圍不超過1%［6，7］。流速采用csy直讀式測速儀，誤差不超過1%。水位采用高精度測針進行測量，精度0.02 mm，并采用絲線法或著色法觀察流態。

3　水工模型試驗結果及分析

3.10.5 m開挖高程

出口灘面0.5 m高程條件下，東泖河2.01 m低水位下4臺泵排澇工況外河河道流速分布（圖中各測點流速為0.××m/s，下同）如圖4所示，4臺泵引水河道流速分布如圖5所示。

圖4　2.01 m水位4臺泵排澇流速分布

圖5　2.01 m水位4臺泵引水流速分布

可以看出，在低水位下，排澇工況受泵站出口地形影響，泵站出流較為集中，在東泖河灘面上，流速接近0.9 m/s，主流沖向河道主槽后下泄，橫向流速大于0.3 m/s部分伸入主槽約50 m，已越過河道主槽中心線。引水工況流速也接近0.80 m/s，均對外河通航影響較大。

3.2－1.50 m開挖高程排澇工況

圖6所示為外河側水位2.80 m條件下4臺泵排澇東泖河航道水域橫向流速分布；圖7所示為外河側水位2.01 m條件下（考慮防洪預降），開啟2臺泵排澇東泖河航道水域縱橫向流速分布。可以看出，在低水位下開啟2臺泵東泖河航道水域橫向流速分布可以滿足要求，因此防洪預降運行時，在外河側水位低于2.80 m條件下建議只開啟2臺泵運行以滿足通航要求，水位達到2.80 m以上可以選擇3臺泵或4臺泵運行。

圖6　2.80 m水位4臺泵排澇橫向流速分布

圖7　2.01 m水位2臺泵排澇橫向流速分布

3.3－1.50 m開挖高程引水工況

圖8所示為外河側水位2.01 m條件下4臺泵引水工況（水位2.01 m）東泖河航道水域橫向流速分布；圖9所示為外河側水位1.59 m條件下3臺泵引水工況（東泖河航道水域橫向流速分布）。從圖中可以看出，在外河側水位高于1.59 m（泵站引水最低運行水位）條件下，3臺泵引水東泖河航道規劃水域內橫向流速分布均可滿足要求。

圖8　2.01 m水位4臺泵引水橫向流速分布

圖9　1.59 m水位3臺泵引水橫向流速分布

4　結語

（1）通過水工模型試驗的技術手段，對外河側不同灘面開挖高程對比研究發現，在泵站不同水位流量運行組合下完全滿足東泖河通航水域流速分布要求較為困難，灘面開挖高程過大對改善流態效果不顯著且后期回淤強度較大。

（2）在灘面開挖高程-1.50 m條件下，外河側水位高于2.80m條件下，泵站排澇運行能夠滿足通航要求。在水位低于2.80 m條件下泵站預降水位運行時，泵站應從調度角度考慮，運行組合臺數不宜多于2臺。

（3）在灘面開挖高程-1.50 m條件下，外河側水位高于2.01 m條件下，4臺泵引水運行能夠滿足通航要求。在水位低于2.01 m條件下，引水運行臺數不宜多于3臺。

（4）通過整體水力模型試驗研究，分析泵站排澇和引水工況不同水位流態，泵站運行組合對航道水流運動的影響，計算不同外河側東泖河灘地開挖程度改善流態的情況，可以為后續相關管理部門制定泵站運行管理方法提供技術及數據支撐。

［1］上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.張馬泵站工程初步設計報告［R］.2015.

［2］GB/T 50265—2010，泵站設計規范［S］.

［3］何勇.杭州三堡排澇泵站進水口防護方案優化研究［J］.水利建設與管理，2015，35（11）:43-48.

［4］SL 155—2012，水工（常規）模型試驗規程［S］.

［5］SL/T 233—1999，水工與河工模型常用儀器校驗方法［S］.

［6］劉際軍，高學平.抽水蓄能電站進水口明渠水力優化研究［J］.水力發電學報，2015，34（10）:96-102.

［7］許健，陳鋒，羅燦，等.閘站結合泵站進水模型試驗研究［J］.中國農村水利水電，2015（8）:176-179.

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1009-7716（2016）06-0188-04

2016-03-15

馬珺（1973-），女，上海人，助理工程師，從事水利工程項目管理工作。