平原河網地區泵閘合建樞紐布置形式

陸 倩,崔 冬,田利勇,張 婧

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200061;2.上海市水務局防汛減災工程技術研究中心,上海 200061)

平原河網地區一般具有河網水系密布、水體流動性復雜等特點,往往采取分片控制的治水方針,其中泵閘作為水利片控制工程的重要組成部分,主要發揮排澇功能,兼顧引水、水資源調度等綜合功能。關于水閘、泵站樞紐的布置方式,一般有分建與合建兩大類。其中,傳統的泵閘分建方式,占地面積大,在土地資源寶貴的平原地區,易引起征地拆遷和移民安置等難以解決的社會難題;泵閘合建方式,具有布置緊湊、占地面積小、擋水面小、運行管理方便等優點,在平原河網地區被廣泛應用[1]。

目前,泵閘合建樞紐工程的布置形式主要有3類:①平面不對稱布置,即水閘與泵站分居河道兩側,如上海的張家塘泵閘、虹江泵閘、斜路港泵閘、清水港泵閘、朱泖河泵閘工程等[2-3];②平面對稱布置,包括2種具體布置方式,一種是“泵+閘+泵”,即水閘位居河道中間,泵站對稱布置在水閘兩側,如上海的龍華港泵閘、木瀆港泵閘工程等[2];另一種是“閘+泵+閘”,即泵站位居河道中間,水閘對稱布置在泵站兩側,如上海的薛家泓泵閘、常熟的望虞河樞紐、杭州的錢江樞紐、蕭山四工段排澇泵閘工程等;③立面分層布置,即泵站布置在水閘的上層,下層閘室可代替水泵流道,適合規模較小的小型水利樞紐,如上?；^排水工程泵涵樞紐等[4]。

泵閘合建布置形式雖解決了征地面積大等問題,但易引起樞紐上下游水流流態的特殊化和復雜化[5-11],需要謹慎對待、合理布置。本文以上海地區擬建的趙家溝東泵閘工程為例,通過平面二維水動力數學模型的模擬論證,從水動力條件角度對泵閘合建工程的不同布置形式進行比選分析,以期為類似平原河網地區泵閘合建工程的布置提供參考。

1 工程概況

1.1 工程平面布置

擬建的趙家溝東泵閘工程是上海市浦東新區防洪排澇和水資源調度沿長江口的6個引排水口門和通道之一,位于浦東新區趙家溝入長江口處。趙家溝東泵閘工程包括泵閘1座(節制閘凈寬30 m,泵站設計流量90 m3/s)以及泵閘前長約800 m的引河。其中泵閘主體結構包括閘首、站身、內外河消力池、進出水池、內外河海漫及防沖槽,主體結構總長365 m,內外河海漫段河道底寬分別為130 m和80 m,圖1為趙家溝東泵閘工程示意圖。

圖1 趙家溝東泵閘工程示意圖

1.2 泵閘平面布置方案

泵閘工程平面布置設計了3種布置方案,見圖2。

圖2 3種泵閘平面布置方案示意圖

方案1:“泵+閘”不對稱布置形式,水閘分3孔設在河道右側,單孔凈寬10 m,泵站集中布置在河道左側,泵型采用4臺斜式軸流泵,單機流量22.5 m3/s。

方案2:“泵+閘+泵”對稱布置形式,水閘分3孔設在河道中間,單孔凈寬10 m,4臺斜式軸流泵對稱布置在閘的兩側,兩側各2臺,單機流量22.5 m3/s。

方案3:“閘+泵+閘”對稱布置形式,4臺斜式軸流泵設在河道中間,單機流量22.5 m3/s,水閘對稱布置在泵站的兩側,兩側為單孔閘門,單孔凈寬15 m。

2 研究方法

2.1 數學模型

采用丹麥水力學研究所(DHI)研發的MIKE 21 Flow Model(FM)模塊,建立平面二維水動力模型進行模擬計算,分別建立大、小兩個模型。大模型為長江口、杭州灣整體模型,上游邊界取至江陰,東至外海123°E,北至呂四港附近,南至象山港附近,東西寬約275 km,南北長約305 km,大模型范圍、網格及地形見圖3。小模型范圍為長江口南港局部水域,以工程區域為中心,向上下游各延伸5 km,現狀條件下(即工程前)小模型范圍、網格及地形見圖4。大模型主要為小模型提供開邊界條件,小模型用于模擬不同泵閘布置方案的水流流態。小模型采用無結構三角形與四邊形混合網格,為保證計算精度,對泵閘工程區域網格進行加密,單元格最小邊長約為0.5 m,工程區地形采用2016年實測資料(吳淞基面,下同)。3種泵閘平面布置方案的模型網格及地形見圖2。

圖3 長江口、杭州灣整體模型網格及地形

圖4 工程前小模型范圍、網格及地形

上海市水利工程設計研究院有限公司建立的長江口、杭州灣整體模型,已經歷過多次水文測驗成果的率定驗證,并得到了成功應用[12-13]。本次計算中,計算潮型采用2006年8月10—12日汛期大潮,大模型外海開邊界給定潮位過程,上游江陰處給定流量過程;小模型外海北邊界給定流量過程,南邊界給定水位過程,小模型外海南北邊界由大模型計算提供,工程后小模型內河給定水位邊界。

2.2 計算工況

擬建趙家溝東泵閘工程的主要功能為排澇和引水,因此,二維水動力數學模型計算工況包括排澇工況和引水工況,其中排澇工況分為節制閘排澇(簡稱閘排澇)和泵站排澇(簡稱泵排澇)2種情況,引水工況為節制閘引水(簡稱閘引水)?？紤]內外河不同的水位組合情況,計算工況設定了7組,詳見表1。

初步計算結果表明,上述7組工況中,在閘排澇工況1與閘引水工況1條件下,3種泵閘平面布置方案的水動力條件差異最為明顯。限于篇幅,下文以閘排澇工況1(以下簡稱排澇工況)與閘引水工況1(以下簡稱引水工況)作為典型計算工況,對3種平面布置方案展開詳細分析比較。

表1 數值模擬計算工況

3 計算結果及其分析

根據SL 75—1994《水閘技術管理規程》及《上海市水閘技術管理規定》,過閘水流應平衡、平穩,避免發生集中水流、折沖水流、回流、漩渦等不良流態。此外,為保證泵站的正常運行,還要盡量減少泵站上游及下游側泥沙淤積。因此,以下重點比較2種典型工況下,3種泵閘平面布置方案下樞紐上下游平面二維水流流態和流速分布情況。

3.1 對稱布置與不對稱布置方案的比較

在排澇和引水工況下,3種平面布置方案樞紐上下游局部流場見圖5～7。從圖中可以看出,當采用方案1(“泵+閘”不對稱布置形式)時,水流主要集中在閘門所在直線的河道一側,上游來流發生偏折,泵站前形成大片滯水區,節制閘前水流收縮明顯,橫向流速較大。樞紐下游由于單側泄流,泵站前出現較大的回流,回流區寬度約占河寬的40%,在排澇工況下,回流區尾部延伸至外高橋糧食儲備庫碼頭外檔泊位,距樞紐出水口約為650 m,在引水工況下,回流區尾部延伸至內河側與糧油倉庫內河碼頭港池的“T”形交叉口(簡稱“T”形區),距樞紐出水口約為320 m。主流區與回流區之間形成的壓差產生橫向水面坡降,使主流沿河道一側前進,形成偏流。

當采用方案2(“泵+閘+泵”對稱布置形式)時,水流基本沿著河道中心線流動,上游來流在兩側泵站前偏折流向閘前。樞紐下游兩側泵站前出現小范圍回流,兩側回流區總寬度約占河寬的35%,在排澇工況下,回流區尾部延伸至與外高橋糧食儲備庫碼頭內檔泊位齊平的位置,距樞紐出水口約為460 m,在引水工況下,回流區尾部延伸至“T”形區,距離樞紐出水口約為320 m。當采用方案3(“閘+泵+閘”對稱布置形式)時,兩側閘下水流沿著水閘中心線逐漸擴大至整個河道流動,上游來流的偏折現象得到很大的緩解。樞紐下游泵站前回流區范圍較小,寬度約占河寬的20%,在排澇和引水工況下,回流區尾部距樞紐出水口分別約為130 m和150 m。

圖5 方案1樞紐上下游流場

圖6 方案2樞紐上下游流場

圖7 方案3樞紐上下游流場

從總體流態上看,平面對稱布置形式水流較為平順、流暢,沒有明顯的橫流和偏流現象,優于不對稱布置形式。兩種對稱布置方案相比,方案3較方案2上游來流偏折現象減輕,下游泵站前回流區范圍減小,方案3略優于方案2。為進一步比較兩種平面對稱布置方案水動力條件的差異,下文分別從閘下流速分布和內河側通航水流條件方面,對方案2和方案3進行詳細比較。

3.2 不同對稱布置方案的比較

3.2.1流速分布

從排澇和引水工況下,兩種平面對稱布置方案泵閘下游流速分布圖(圖6和圖7)可以看出,相較于引水工況,排澇工況下流速更大,節制閘下段防沖壓力更大,因此重點比較排澇工況下,兩種對稱布置方案閘下流速分布情況。

由閘下流速等值線分布(圖8)可以看出,方案2閘下最大流速在5～5.5 m/s之間,大流速區延伸范圍較遠,3 m/s流速等值線延伸距離約為250 m,出?？谔幜魉偌s為2.3 m/s,閘下流速總體較大。方案3閘下最大流速也在5～5.5 m/s之間,大流速區延伸范圍相對縮小,3 m/s流速等值線延伸距離約為140 m,出海口處流速約為1.1 m/s,閘下總體流速相對減小。從閘下流速分布情況看,方案3優于方案2,對減輕節制閘下段水流沖刷更為有利。

圖8 排澇工況閘下流速等值線分布

圖9 閘排澇工況內河側流速等值線分布

圖10 引水工況內河側流速等值線分布

3.2.2內河側通航水流條件

距工程樞紐約350 m的內河側,垂直河道方向布置有糧油倉庫內河碼頭港池(如圖1),船舶進出港需要橫穿內河,樞紐的運行勢必會在交叉口處產生較大橫流,給船舶進出港帶來一定的影響。

在排澇和引水工況下,兩種平面對稱布置方案內河側流速等值線分布如圖9和圖10所示。從圖中可以看出,排澇工況下,當過閘流量為285.00 m3/s時,方案2和方案3的“T”形區最大橫向流速分別為0.62 m/s和0.61 m/s;引水工況下,當過閘流量為183.90 m3/s時,方案2和方案3的“T”形區最大橫向流速分別為0.72 m/s和0.42 m/s。即當過閘流量相同時,排澇工況下,兩種平面對稱布置方案“T”形區最大橫向流速值相當,引水工況下,方案3的“T”形區最大橫向流速比方案2明顯減小。進一步計算表明,引水工況下,在“T”形區橫向流速不超過允許橫向流速限值條件下(參照JTJ305—2001《船閘總體設計規范》,橫向流速限值按0.3 m/s取值),方案3的允許過閘流量(約為107 m3/s)大于方案2的允許過閘流量(約為77 m3/s)。因此,從對內河側通航水流條件的影響看,方案3優于方案2。

4 結 論

a. 從樞紐上下游總體流態看，平面對稱布置形式(方案2和方案3)的水流較為平順、流暢,沒有明顯的橫流和偏流現象,優于不對稱布置形式(方案1);方案3較方案2上游節制閘前來流偏折現象減輕,下游泵站前回流區范圍減小。

b. 當節制閘排澇時，從兩種平面對稱布置形式的閘下流速分布來看,方案3閘下總體流速相對較小,對減輕閘下水流沖刷更為有利。

c. 在節制閘引水工況下,當過閘流量相同時,方案3對內河側“T”形區橫向流速的影響比方案2明顯減小;當采用相同的內河側通航橫向流速限制條件時,方案3的允許過閘流量較方案2明顯增大。

d. 經過對3種平面布置方案水動力條件的分析比較,方案3(“閘+泵+閘”對稱布置形式)的水動力條件最優,加之方案3具有閘上空間利用率高、運行管理較方便等優點,為該工程的推薦方案，可作為類似平原河網地區泵閘合建樞紐泵閘平面布置形式。