鄰近通航水域泵閘總體布置優(yōu)化研究

田利勇，張 婧，陸 倩，崔 冬

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

平原河網(wǎng)地區(qū)一般具有水系密布，流動復(fù)雜等特點，通常采取“分片控制”的治水策略，泵閘作為水利片控制工程的重要組成部分，主要發(fā)揮排澇、水資源調(diào)度等綜合功能[1]。泵閘工程布置不僅關(guān)系到日常運行維護的便捷性，同時也對上下游流態(tài)影響很大，對于泵閘上下游附近存在通航要求的情況，泵閘布置還需考慮對通航條件的影響[2- 5]。本文以上海地區(qū)某鄰近通航水域的泵閘工程為例，研究其平面布置與優(yōu)化設(shè)計。擬建泵閘工程規(guī)模為節(jié)制閘凈寬30m，泵站設(shè)計流量90m3/s，是浦東新區(qū)沿長江口重要引排水口門和通道之一。工程位于浦東新區(qū)趙家溝入長江口處，工程范圍西起外高橋糧油儲備倉庫內(nèi)河港池，東至長江口，工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置圖

泵閘工程內(nèi)河側(cè)約300m位置為糧油倉庫內(nèi)河碼頭港池，港池基本垂直河道布置，船舶出港時需要橫穿內(nèi)河，泵閘的運行勢必會在交叉口處產(chǎn)生較大橫流，給船舶進出港帶來較大的影響。如何解決泵閘工程運行與內(nèi)河港池正常安全運行之間的矛盾是本工程總體布置的關(guān)鍵難題。

近年來隨著數(shù)值模擬分析技術(shù)的發(fā)展，水流數(shù)學模型在泵閘工程總體布置優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)用[6- 12]。本文擬采用平面二維水流數(shù)學模型，模擬工程附近范圍流場流態(tài)，從水動力角度論證分析泵閘平面布置形式的合理性，選取合適的泵閘布置方案，并在此基礎(chǔ)上進一步開展減輕通航影響的工程整流措施研究，以期得到合理的工程總體布置方案。

1 研究方法

1.1 模型建立

采用MIKE21 Flow Model(FM)模塊，分別建立大小兩套模型進行模擬，大模型為長江口杭州灣整體模型，如圖2—3所示，提供開邊界條件；小模型用于模擬工程方案。小模型位于長江口南港，基本以工程區(qū)域為中心，向上下游各延伸5km；模型采用無結(jié)構(gòu)三角形與四邊形混合網(wǎng)格，并對工程區(qū)域網(wǎng)格進行加密，工程區(qū)域單元格邊長由16m逐漸過渡到0.6m，小模型范圍和計算網(wǎng)格如圖4所示。

圖2 計算范圍及水下地形(吳淞基面，下同)

1.2 計算工況

根據(jù)泵閘工程的主要工程任務(wù)與運行模式，分別模擬計算了節(jié)制閘排澇、節(jié)制閘引水、泵站排澇三種工況，計算工況組合詳見表1。

圖4 小模型計算網(wǎng)格

經(jīng)初步計算結(jié)果表明，節(jié)制閘排澇工況和引水工況條件下，對平面布置方案的水動力條件影響差異最為顯著，限于篇幅，本文選取節(jié)制閘排澇工況1和節(jié)制閘引水工況1兩組典型工況開展論證分析。

2 泵閘布置形式對比分析

2.1 泵閘布置方案

為了分析泵閘平面布置方案的合理性，針對不同平面布置方案進行水動力模擬計算，分析泵閘工程運行時內(nèi)河側(cè)的通航水流條件。本工程內(nèi)外河通航條件復(fù)雜，對水流條件要求高，而“泵+閘”平面布置方案水流條件差，故基本不予考慮。泵閘平面布置主要對比分析“泵+閘+泵”和“閘+泵+閘”兩種布置型式。

方案一為“泵+閘+泵”布置型式，水閘分三孔設(shè)在中間，三孔凈寬均為10m，泵對稱設(shè)在閘兩側(cè)，泵型采用四臺斜式軸流泵，單機流量為22.5m3/s。

方案二為“閘+泵+閘”布置型式，四臺斜式軸流泵設(shè)在中間，單機流量為22.5m3/s，水閘對稱設(shè)在泵兩側(cè)，單孔凈寬15m。

表1 數(shù)模計算工況組合

圖5 方案一(“泵+閘+泵”)平面布置及地形

圖6 方案二(“閘+泵+閘”)平面布置及地形

圖7 兩組方案在節(jié)制閘排澇典型工況下流場分布圖

方案一、二的平面布置以及地形圖分別如圖5—6所示。

2.2 計算結(jié)果分析

圖7—8分別為兩組平面布置方案在節(jié)制閘排澇和引水典型工況下，泵閘上下游局部流場圖。可以看出，無論是“泵+閘+泵”總體流態(tài)還是“閘+泵+閘”的布置方案，空間上均為對稱布置，無論是節(jié)制閘引水還是排澇的工況下，水流均較為平順、流暢，沒有明顯的偏流現(xiàn)象，無明顯不利流態(tài)。“泵+閘+泵”平面布置方案閘下大流速區(qū)延伸范圍較遠，3m/s等值線延伸距離約為250m，閘下流速總體較大。“閘+泵+閘”平面布置方案閘下大流速區(qū)延伸范圍相對小些，3m/s等值線延伸距離為140m，閘下總體流速相對減小。這主要是由于水閘居中布置時，水流流速與能量較為集中，不太利于能量沿程損失，造成其閘下所需流速擴散段長度更長。水閘分列兩側(cè)布置時，水閘同時排水時，能量消散和流速擴散較快。

圖9—10分別為兩組平面布置方案在節(jié)制閘引水和排澇典型工況下內(nèi)河與港池所形成的T形交叉口(以下簡稱T形區(qū))的局部流場，可以看出，典型排澇工況下，按相同的過閘流量(285m3/s)，“泵+閘+泵”方案下T形區(qū)最大橫流為0.62m/s；“閘+泵+閘”方案下T形區(qū)最大橫流為0.61m/s，兩者相差不大。典型引水工況下，按相同的過閘流量(183.9m3/s)，“泵+閘+泵”方案下T形區(qū)最大橫流為0.72m/s；“閘+泵+閘”方案下T形區(qū)最大橫流為0.45m/s。“閘+泵+閘”方案T形區(qū)最大橫流比“泵+閘+泵”方案明顯減小。參照JTJ305—2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(含局部修訂)，得出在不超過T形區(qū)允許橫流條件下，橫流限值按0.3m/s取值，在引水工況下，允許過閘流量“閘+泵+閘”方案大于“泵+閘+泵”方案。進一步計算表明，采用0.3m/s的橫流限制條件來控制閘門的過閘流量(通過調(diào)節(jié)閘門的開啟度實現(xiàn))，在引水工況下“泵+閘+泵”平面布置方案的允許過閘流量為77m3/s，“閘+泵+閘”平面布置方案的允許過閘流量為107m3/s，明顯“閘+泵+閘”方案更優(yōu)。

圖8 兩組方案在節(jié)制閘引水典型工況下流場分布圖

圖9 兩組方案在節(jié)制閘排澇典型工況下T形區(qū)流場及流速等值線分布圖

圖10 兩組方案在節(jié)制閘引水典型工況下T形區(qū)流場及流速等值線分布圖

綜上所述，兩方案空間上均為對稱布置，從總體流態(tài)比較，無論是節(jié)制閘引水還是排澇工況下，水流均較為平順、流暢，沒有明顯的偏流現(xiàn)象；從閘下流速分布比較來看，“閘+泵+閘”平面布置方案較“泵+閘+泵”平面布置方案閘下大流速區(qū)延伸范圍要小；從內(nèi)河側(cè)通航水流條件比較，典型引水工況下，“閘+泵+閘”方案T形區(qū)最大橫流比“泵+閘+泵”明顯減小，在不超過T形區(qū)允許橫流條件時，引水工況下，“閘+泵+閘”方案允許過閘流量比“泵+閘+泵”方案可明顯增大。經(jīng)過水流數(shù)學模型論證分析，從減小泵閘運行與內(nèi)河港池通航影響考慮，本工程推薦采用“閘+泵+閘”的平面布置方案更為合適。

3 整流措施研究

3.1 整流方案

為使推薦方案在引水典型工況下，T形區(qū)最大橫流流速降至橫流限值，通過總結(jié)相關(guān)工程經(jīng)驗[13- 15]，本工程擬采取在內(nèi)河側(cè)增設(shè)導(dǎo)流墩和增大T形區(qū)過水斷面面積的組合整流方案。

在內(nèi)河側(cè)進出水池增設(shè)兩排導(dǎo)流墩，兩排導(dǎo)流墩與兩側(cè)閘門相對，墩子成眉型布置，單排墩子距離閘門約135m，單個墩子為圓形，直徑0.8m，間距2～5m，兩側(cè)各布置16個，共計32個導(dǎo)流墩。

為了減小推薦方案在引水典型工況下T形區(qū)的最大橫流流速，設(shè)計T形區(qū)河底高程浚深至-2.5m，浚深區(qū)域長方形布置，長約240m，寬約120m。經(jīng)測算，過閘設(shè)計流量若均攤至浚深后的河道過水斷面上，則平均流速約為0.25m/s。

整流方案布置如圖11所示。

圖11 整流方案布置示意圖

3.2 計算結(jié)果分析

增設(shè)眉型導(dǎo)流墩及增大T形區(qū)過水斷面面積組合方案后，引水典型工況下，內(nèi)河側(cè)流速分布如圖12所示，觀測點橫斷面流速分布如圖13所示。可以看出，T形區(qū)最大橫流流速由整流前的0.45m/s降至0.29m/s，達到規(guī)范允許范圍以內(nèi)，可滿足船舶進出港池航行要求。

圖12 整流后內(nèi)河側(cè)流速分布圖

4 結(jié)論

本文以上海地區(qū)擬建的某泵閘工程為例，通過平面二維水動力數(shù)學模型的模擬論證，從水動力條件角度分析泵閘工程布置對鄰近內(nèi)河港池通航影響，主要結(jié)論如下：

(1)泵閘對稱布置優(yōu)于不對稱布置，無論“閘+泵+閘”方案還是“泵+閘+泵”方案，上下游水流均較為平順、流暢，沒有明顯的橫流和偏流現(xiàn)象。

(2)“閘+泵+閘”方案較“泵+閘+泵”方案閘下大流速區(qū)延伸范圍要小。從內(nèi)河側(cè)通航水流條件比較，典型引水工況下，“閘+泵+閘”方案T形區(qū)最大橫流比“泵+閘+泵”方案小37.5%，在不超過T形區(qū)允許橫流條件時，引水工況下，“閘+泵+閘”方案允許過閘流量比“泵+閘+泵”方案可增加39%。從減小泵閘運行與內(nèi)河港池通航影響考慮，采用“閘+泵+閘”平面布置方案更合適。

(3)在內(nèi)河側(cè)通過增設(shè)眉型導(dǎo)流墩及增大T形區(qū)過水斷面面積組合方案后，典型引水工況下，T形區(qū)最大橫流流速由整流前的0.45m/s降至0.29m/s，達到規(guī)范允許范圍以內(nèi)，可滿足船舶進出港池航行要求。