排水口工程對京杭運河通航條件的影響研究

徐建昌

摘 要：排水口工程因其持續向航道中注入水流而產生橫流，是一種特殊的臨河工程，工程建設的科學合理對保障航道及通航安全至關重要。結合京杭運河蘇北段揚州市湯汪污水處理廠擴大排水口改造三期工程，對排水口工程涉航道選址、平面布置，利用MIKIE21數值模擬軟件建立數模對航道通航條件等進行分析研究，提出排水口類工程建設相關建議。

關鍵詞：京杭運河;排水口;航道條件

中圖分類號：U697.2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）07-0071-04

京杭運河蘇北段溝通江、淮、沂、泗水系，全長404公里，已全部建成國家Ⅱ級航道，是北煤南運大動脈，南水北調主通道，集航運、防洪、灌溉、南水北調、生產生活用水等多功能于一體，被譽為黃金水道。京杭運河蘇北段全程水位落差31米，共設有11個航運梯級，用于改善航道水流條件。縱跨徐州、宿遷、淮安、揚州4市，沿線建設有眾多碼頭、取排水口、橋梁及管道等臨跨河設施，這些工程的建設無疑對促進地方經濟發展、構建綜合運輸體系及保障生產生活用水發揮了巨大的作用，同時亦會對京杭運河航道通航條件帶來諸多影響。《航道法》實施后，航道通航條件影響評價制度的設立使得航道管理部門可以在工程建設前期盡早介入，對臨跨河設施的通航技術參數審核有了較好的依據和保障。

在所有的臨河設施中，排水口工程因持續向航道中注入水流產生較大橫流，是一種特殊的臨河工程，對航道水流條件影響最大，若排水口布置在水面以上，對航道影響更為明顯。《內河通航標準》（GB50139-2014）對排水口工程選址及布置共提出三點要求：①取排水口設施宜布置在上下游既有臨河建筑物外緣線以內。②在航道和可能通航的水域內設置淹沒在水下的取排水設施、船臺滑道等水下臨河建筑物，其頂部設置設置深度應按有關規定執行。③取排水設施的設置和作業不得造成不利的河床變化和礙航的水流。《內河通航標準》中未禁止在航道水面以上設置排水口，亦未對水面以上設置排水口提出具體布置要求。從實踐來看，在航道兩岸設置高出水面的排水泄水設施并不鮮見，如城市中航道駁岸上的市政排水口、長江護坡上排澇泄水管道。

目前國內對排水口工程對航道通航條件影響的研究較少，少數的相關研究主要集中在沿江地區取排水口的水流條件等方面。京杭運河屬于限制性航道，航道斷面系數相對小，兩岸以人工護岸為主，邊坡較陡，這些與長江等天然河流屬性有較大不同。

本文以京杭運河蘇北段與長江口交匯處的揚州市湯汪污水處理廠擴大排水口改造三期工程為例，通過評價其對航道通航條件的影響，各類影響因素的分析，提出排水口類工程建設涉航道的相關建議，以期能為類似工程的建設提供一定的借鑒作用。

1工程概況

擬建湯汪污水處理廠擴大排水口三期工程位于京杭運河蘇北段最后一個梯級施橋船閘下游。施橋船閘共布置有3線船閘（見圖1），其中一號船閘位于航道中心位置，建成于1961年;二號船閘位于航道最左側，建成于1988年;三號船閘緊鄰一號船閘，位于航道最右側，建成于2011年。3座船閘平行布置，一號船閘和二號船閘中心距為150m，三號船閘和一號船閘中心距為100m。湯汪污水處理廠排水口工程建成于2004年，工程建設時，施橋船閘僅有一號船閘和二號船閘，尾水排放口距離鄰近的一號船閘中心線約110m。三號船閘在排水口上游建設后，排水口上下游500m范圍內工廠碼頭全部實施搬遷，以便設置三號船閘引航道，且保留下來的排水口其前沿原航道邊線被拉直，排水口緊鄰三號船閘布置，在其下游引航道區域范圍內。

現狀排水口緊鄰施橋船閘下游布置，位于航道右岸側，上游緊鄰某內港池碼頭，距施橋三號船閘閘室約200m（見圖2）。

工程位置設計最高通航水位（DHNWL）為6.83m（1985國家高程標準，下同），設計最低通航水位（DLNWL）為0.23m。

現狀湯汪污水處理廠已連續多年處于滿負荷運行狀態，三期工程建設迫在眉睫，且現有排水口排放能力已無法滿足三期工程尾水排放需要。本工程擬利用現狀排水口增大排水流量至26萬m?/d，相比現狀排水流量18萬m?/d增加了8萬m?/d。

現狀排水口為空箱結構，內接DN1600排水管道，排水口橫斷面尺度為10.8m×5m，排水坎頂標高為2.50m，排水管道中心標高為4.50m。從過去一年施橋船閘下游水位變化曲線圖（見圖3）可知，航道水位超過排水坎頂標高2.50m的天數有150天，水位超過排水管道中心標高4.50m的天數僅有1天。一年中有超過7個月的時間航道水位均在排水口排水坎頂標高以下，排水口排水長期呈瀑布式入流形態（見圖4）。

2工程對航道的影響分析

為分析排水口工程流量增加后對航道的影響，主要從工程選址、平面布置、對水流條件的影響、對船舶通航的影響等幾個方面進行分析。

2.1工程選址

揚州市發改委批復湯汪污水處理廠擴大排水口項目為改造工程，擬利用現狀尾水排水口改造實施。上游緊鄰施橋船閘三號船閘閘室，下游緊鄰三號船閘調度進閘區域。從2004年建成時的河勢條件、航道條件及效果評價來看，其選址位置河床穩定，水域寬闊，水深和水流條件良好，排水口工程的選址基本符合《內河通航標準》的相關要求。

2.2 平面布置

現狀排水口采用箱式排水結構，排水坎頂標高為2.50m，位于DHNWL和DLNWL之間，排水口前沿線與航道邊線齊平，當航道水位低于2.50m時，呈瀑布式入流形態。當航道水位較高時，呈淹沒漫溢出流狀態。《內河通航標準》對排水口提出“在航道和可能通航的水域內設置淹沒在水下的取排水設施、船臺滑道等水下臨河建筑物，其頂部設置深度……”，規范未禁止在航道水面以上設置排水口，亦未對水面以上設置排水口提出具體布置要求，從這個角度來說，現狀工程平面布置未違背規范中相關要求。但客觀上，當航道水位較低時，排水口呈瀑布式入流形態會對準備進入施橋三號船閘的待閘船舶帶來較大影響，在夜晚等視線不良時，安全隱患尤大。據調研，三號船閘自2011年建成后，由于排水口瀑布式入流形態對待閘船舶特別是船隊帶來了許多威脅，船隊在經過排水口位置時受橫流影響偏離待閘區，造成進閘困難，甚至會對一號船閘進出閘船舶造成干擾。

2.3 對水流條件的影響

為研究排水口工程流量增加后對航道水流條件的影響，以工程航段地形圖為基礎，采用垂向平均的二維水動力數學模型對工程附近水域進行模擬計算。通過MIKE21中SOURCES工具模擬排水口管徑為DN1600時的排水狀態，對流量增大后DHNWL、DLNWL分別進行計算。模型上邊界為固定邊界，下邊界為水位邊界。根據數學模型計算結果，對擴大排水口改造工程流量增大后工程河段流速及流向進行了比較分析，如圖5、圖6所示。

圖5? 流量增大后流場圖- DHNWL

圖6? 流量增大后流場圖- DLNWL

由圖5和圖6可知，排水口流量增大后，在DHNWL及DLNWL工況下均形成了略指向航道下游的橫流及回流。在DHNWL時，最大橫流值在0.19-0.21m/s左右，在DLNWL時，最大橫流值在0.32-0.36m/s左右;DHNWL時回流流速值小于0.10m/s，DLNWL時回流流速值小于0.16m/s。其中DLNWL時排水引起的最大橫流值超過了《內河通航標準》及《船閘總體設計規范》中引航道內橫向流速不超過0.3m/s的要求。

2.4 橫流對船舶通航的影響

排水口工程緊鄰施橋三號船閘布置，位于施橋三號船閘下游引航道右側岸邊，排水口前沿線與航道護岸前沿線齊平。從數模分析結果可知，排水口流量增大后，在DLNWL時，排水所引起的橫流值超出規范要求，在DHNWL時，排水所引起的橫流值及回流值能滿足《內河通航標準》（GB50139-2014）及《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001）中引航道內橫向流速不超過0.3m/s及回流流速不超過0.4m/s的要求。

從現場調研可知，改造工程下游緊鄰三號船閘進閘待閘區，直線進閘的船舶從靜止待閘狀態啟動時，初始航速較小，現狀排水口消力池底板頂高程位于DLNWL以上，當航道水位較低時，為瀑布式排放入流，易受該排水口較大橫流影響而偏離航向，會給進閘船舶帶來不利影響。

3 問題及對策

3.1存在問題

如前所述，擴大排水口改造工程選址受限，緊鄰施橋三號船閘下游待閘區布置;且其排水口高程位于DLNWL以上，排水口前沿線與航道邊線齊平，航道水位較低時，呈瀑布式入流形態;排水口流量增大后，DLNWL時排水引起的橫流值亦超出了規范中的數值要求，會對航道條件及通航安全帶來不利影響。

3.2解決措施

為解決存在的問題，本工程擬利用京杭運河施橋船閘至長江口門段航道整治工程實施的契機，對排水口工程在原址進行技術改造。

圖7? 排水口改造工程平立面圖

技術改造主要包括消力池改造及排水管更換兩個方面。

消力池改造方面：根據改造方案（見圖7），排水口采用下挖式底流消能，消力池斜坡段長17m，凈寬由3m逐漸擴散至8m，擴散角8.37°，消力池長10m，消力池凈寬8m，池深0.5m，底板厚0.6m，消力池底板高程-1.90m，尾坎頂高程-1.40m。改造工程實施后，排水口底板及消力坎均位于DLNWL以下，消力池長度由現狀的8.5m增加至27m，排水方式更為科學合理。

排水管更換：將現有排水管道由DN1600更換為DN1800。

3.3效果分析

根據改造后的方案，采用垂向平均的二維水動力數學模型對工程附近水域進行模擬計算，通過MIKE21中SOURCES工具模擬排水口管徑為DN1800時的排水狀態，對排水口技術改造后在DHNWL、DLNWL兩種極端狀態下分別進行計算，模型計算結果如圖8、圖9所示。

圖8 改造后流場圖- DHNWL

圖9 改造后流場圖- DLNWL

由圖8和圖9可知，改造后DHNWL及DLNWL時，流場呈噴射狀，流向與航道邊線幾乎垂直，橫流范圍較改造前（圖6和圖7）明顯減小，最大影響范圍在一號船閘和三號船閘之間，水流未頂沖至一號船閘與二號船閘之間的隔堤。DHNWL時排水口最大流速小于0.10m/s，DLNWL時排水口最大流速小于0.20m/s。

從數模分析結果可知，在對排水口頭部進行技術改造后，得益于采取了針對性的措施，盡管排水流量增加，但排水口工程引起的橫流值及范圍均有所減小;在DHNWL時，排水口排水引起的橫流值及范圍均小于DLNWL;在DHNWL時最大橫流值約為0.1m/s，在DLNWL時最大橫流值約為0.20m/s，各工況下橫流值均小于0.3m/s，滿足規范相關要求。擴大排水口改造工程引起工程區域附近的水位壅高幅度很小，僅發生在消力池范圍內，對航道通航水深基本沒有影響。

4相關建議

以湯汪污水處理廠擴大排水口改造工程為例，排水口工程的建設對今后在京杭運河上的類似工程改造提供了可借鑒的經驗。

4.1選址方面

在滿足《內河通航標準》中要求外，排水口的選址應盡可能遠離船閘、引航道、錨地等船舶流量密度大、對橫流特別敏感的區域，以減小橫流對船舶航行的影響。

4.2平面布置方面

排水口布置應遠離可通航水域，可采用挖入式平面布置或者布置在航道支汊中，避免水流以瀑布入流形態直接排入航道可通航水域中。

在實踐中當發生排水流量較大造成水流條件不滿足規范流速要求時，可通過加大排水管直徑的方法減小流速，管道直徑型號可通過數值模擬計算確定。

4.3排水口設施高程確定方面

從湯汪污水處理廠擴大排水口工程來看，除有特殊功能需要，排水口設施頂標高宜明確設置在DLNWL以下，以減少自由出流水流及產生的橫流對航道水流流態及船舶通航帶來的不利影響。建議規范中對排水設施頂部設置深度做進一步明確，若允許在水面以上設置排水口設施，則宜對布置方式提出相關要求。

5? 結語

排水口工程是一種特殊的臨河工程，不同于取水口工程為保證取水效果必須將取水頭部布置在DLNWL以下，建設單位為減小排水動力費用傾向于盡可能讓排水口處于自由出流而非淹沒出流狀態。因排水量大小而異，排水工程會使航道中產生一定橫流和回流，較大的橫流和回流又會對船舶通航帶來安全影響。

水運復興，航道先行。航道與排水口等臨河設施是相互依存的，未來在航道中建設排水口類工程時，應具體分析工程需要，結合文中選址、平面布置、排水口設施高程確定等諸多方面因素綜合考慮工程建設對航道的影響，提出科學、合理的技術方案，從而形成共贏局面，促進京杭運河航道事業的發展。

參考文獻：

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