杭州八堡泵站泵前航道安全調度研究

包中進，劉 云，韓曉維

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

內河航道作為地區水系的重要組成部分之一，經常承擔著區域行洪、排澇等水利功能。因此，在航道的支流河口經常會設有泵閘，泵閘在引排水過程中必定產生水流交匯現象，從而引起航道中的水流流速及流態的變化，對航道安全產生一定的影響[1,2]。針對泵閘口門航道段通航水流條件改善工程措施已有不少研究，但同樣合理的泵閘運行調度方案也直接關系到排澇效果是否顯著、河(航)道運行是否安全[3-4]。

八堡排水泵站工程利用運河二通道作為排水干河，泵站運行過程中，受泵站側向進流影響，極易形成泡漩、亂流等影響通航安全的不良流態[5-7]，且進水口附近航道橫向流速容易超標；另一方面，當泵站大流量排澇時，運河二通道航道水流條件發生變化，容易出現過高流速導致河道沖刷，影響河道建筑物安全。因此采用平面二維水力數值模擬對泵站不同運行流量下，上游不同水位組合情況下泵前航道局部流場進行模擬，提出滿足泵前航道安全的水位流速相應關系，進而提出保證泵前航道安全運行的邊界條件。

1 工程概況

擴大杭嘉湖南排—八堡排水泵站工程位于航運部門規劃京杭運河二通道一線船閘東側，為京杭運河溝通錢塘江第二通道的關鍵性節點工程，排水河道利用規劃京杭運河二通道，排水口設在錢塘江北岸海塘上。工程任務是增加太湖流域水環境容量，促進杭嘉湖東部平原河網水體流動，提高向杭州灣排水能力，改善流域和杭嘉湖東部平原水環境；提高流域和區域防洪排澇和水資源配置能力，排澇設計流量200 m3/s，為大(1)型排澇泵站。

泵站上游引河中心線長1 256.1 m，包含進水口、進水明渠、進水箱涵等建筑物。進水口位于九沙大道的南側，擬建運河二通道航道漸變段東側。進水口軸線與上游航道軸線成32°32′9″交角。過轉彎段后，軸線基本上平行于船閘航道。泵站進水池位最高運行水位3.19 m；設計運行水位1.88 m；最低運行水位，即停泵水位：0.52 m。

八堡兩線船閘平行并列布置，上游引航道長505.3 m，其中導航調順段長138 m，停泊段長367.3 m；船舶制動段長275 m。運河二通道設計最低通航水位為0.6 m，設計最高通航水位為2.4 m。泵站與船閘平面布置見圖1。

圖1 八堡泵站平面布置示意圖Fig.1 General layout of Babao pump station

2 研究方法

2.1 模型介紹

平面二維數學模型采用基于三角形網格的有限體積模式，該模型具有網格布置靈活、局部加密方便、適用性強、能夠模擬水閘、泵站等泄水建筑物等特點，已成功應用于錢塘江、甌江口以及舟山等沿海地區的圍墾和防洪排澇工程研究中，取得了一定的成果。

(1)

(2)

(3)

2.2 模型范圍

泵站進水口整體二維數模分析模型范圍涵蓋船閘引航道、上游運河二通道、泵站進水口、進水明渠、進水箱涵等。上游范圍模擬至匯合口上游1.5 km，下游模擬至泵站出口處，計算域內的網格布設考慮了水流、地形梯度的差異，并對水流、地形復雜河段以及進水口附近的網格進行了局部加密，以便更好地反映該地區的水流、地形的變化特征，保證模擬精度，整個計算域內共布設21 991 個三角形單元，11 968 個節點，最小網格尺寸1 m，模型范圍見圖2。

圖2 平面二維數學模型布置Fig.2 Layout of two-dimensional numerical model

2.3 模型邊界

模型邊界上游運河二通道入口為水位邊界；下游泵站出口為流量邊界，按照泵站不同開啟臺數設定。

2.4 模型驗證

模型驗證主要是模型計算參數的合理性，因本工程為新開河道，模型糙率參考類似泵站工程選取，并與物理模型試驗相互補充驗證。驗證工況選取泵站進水池水位1.64 m，4臺泵開啟，排澇流量為200 m3/s，數模流場分布圖見圖3，物模流場分布見圖4，流速驗證結果見表1。

圖3 數模計算流場分布Fig.3 Flow distribution with numerical simulation

圖4 物模流場分布Fig.4 Flow distribution with physical model

從表1可以看出，數值模擬流場分布與物理模型較為接近，回流范圍及大小相近。從流速值來看，流速最大相差0.06 m/s，試驗成果較為接近，模型滿足模擬精度要求。

表1 流速分布驗證計算 m/s

3 研究成果

3.1 對航道沖刷安全的影響

八堡泵站利用運河二通道排水，泵站運行時使上游運河二通道及引河內流速增大，床面泥沙將由靜止向個別動、少量動甚至大量起動、揚動轉化，河床發生沖刷。隨著沖刷的發生和發展，航道內水深增加，流速減緩，直至降低到與沖刷后水深條件下的泥沙起動流速相同時，沖刷達到平衡。

設沖刷發生前河床某處的垂線平均流速為V1，水深為h，床面泥沙的起動流速為Ue，極限沖刷深度為Δh，沖刷平衡情況下的垂線平均流速為V2，根據水流的連續性原理以及運河河床斷面沿程相對均勻的特征，假定斷面上沖刷前后單寬流量沿橫斷面分布的趨勢不變，則有[8]：

V1h=V2(h+Δh)

(4)

根據指數流速分布公式，沖刷前床面臨底y處的流速分布為：

(5)

當河床達到極限沖刷平衡時，床面臨底y處的流速分布亦可寫成：

(6)

由式(4)、式(5)及式(6)可得極限沖刷深度為：

(7)

河床質的起動流速可參照張瑞瑾公式(8)進行計算。

(8)

式中：Ue為起動流速，m/s；ρs為泥沙密度，本工程為2 700 kg/m3；ρ為水的容重，取1 000 kg/m3；d為泥沙粒徑，取0.03 mm；h為水深，m。

泵站運行大流量且對應匯合口低水位時，上游河道沖刷較為明顯，實際調度過程中，此類運行工況較難出現，或出現時間較短。文章主要以河道不沖流速為控制指標，研究泵前河道不同排澇流量時的水位流速響應關系，并提出不同排澇流量時滿足航道不沖流速的安全水位，為泵站運行安全調度提供技術支撐。泵站運行流量考慮50、100、150、200 m3/s 4組情況，水位變幅從0.60～3.1 m。計算成果見表2。

表2 泵前航道水位流速響應關系表Tab.2 The response of water level and velocity near pump station

由表2可見，在泵站運行水位區間，當泵站運行50 m3/s時，航道不會產生沖刷；泵站運行100 m3/s，當匯合口水位低于0.7 m時航道開始發生沖刷；泵站運行150 m3/s，當匯合口水位低于1.6m時航道開始發生沖刷。

泵站設計排澇流量200 m3/s下運行，河道普遍沖刷。此流量下沖深和匯合口水位關系為；

Tk= -2.45ln(x) + 2.76R2=0.998

式中：Tk為沖刷深度，m；H為匯合口水位，m。

3.2 對通航安全的影響

泵前航道為京杭運河二通道，為Ⅲ級航道，按照內河通航標準(GB50139-2014)和《船閘總體設計規范》(JTJ305-2001)[9,10]，口門區水面平行航線的縱向流速≤2.0 m/s，垂直航線的橫向流速≤0.30 m/s；制動段L4和停泊段L3水面平行航線的縱向流速≤0.5 m/s，垂直航線的橫向流速≤0.15 m/s。

數學模型分別計算了泵站運行(50、100、150 m3/s)3組流量情況對應不同運河水位時的通航水流條件，計算成果表見表3。

泵站不同運行工況下的水流流態基本相似。以泵站運行50 m3/s、匯合口水位為1.6 m為例，水流流態和橫向流速及縱向流速等值線分布情況見圖5及圖6。

由圖可見，泵站運行時，船閘制動段區域內主流逐漸偏向左側，產生橫向流，泵站運行流量越大，橫向流速越大。制動段右側部分區域存在一定的回流，停泊段位于進水口下游，水流條件相對穩定。

可以看出，泵站一臺機組運行50 m3/s流量，在運河二通道內最低通航水位0.6 m時，船閘口門最大縱向流速為0.34 m/s，最大橫向流速為0.06 m/s；制動段最大縱向流速為0.30 m/s，最大橫向流速為0.10 m/s，均滿足規范要求的通航水流條件，若航道內水位抬高，則流速進一步減小，對船舶通航更為有利。因此，在通航水位區間內，1臺泵站機組運行時，進水口附近航道水流條件均滿足通航要求。

表3 通航調度成果表Tab.3 List of navigation scheduling results

圖5 進水口附近橫向流速分布Fig.5 Lateral velocity distribution near pump intakes

圖6 進水口附近縱向流速分布Fig.6 Longitudinal velocity distribution near pump intakes

泵站兩臺機組運行100 m3/s流量，匯合口水位在0.7～1.5 m之間時，口門區最大縱向流速在0.63～0.52 m/s之間，橫向流速約為0.14～0.11 m/s，仍可以滿足口門段的通航水流要求；而制動段最大縱向流速在0.51～0.40 m/s之間，橫向流速約為0.18～0.15 m/s，不能滿足制動段通航水流要求。因此，當2臺機組運行時，只有當匯合口水位大于1.5 m時，才能同時滿足口門區及制動段的通航水流條件要求。

泵站三臺機組運行150 m3/s流量，當匯合口水位在1.6～3.4 m之間時，口門區最大縱向流速在0.67～0.50 m/s之間，橫向流速約為0.15～0.13 m/s，口門區水流條件仍能滿足規范要求；但制動段最大縱向流速在0.56～0.41 m/s之間，橫向流速可達0.20～0.15 m/s，不能滿足制動段通航水流條件要求。3臺機組運行時，滿足通航要求所需要的水位為3.4 m，遠高于運河二通道內最高通航水位2.4 m，故3臺機組運行時，匯合口航道水流條件不能滿足規范要求。

3.3 泵站安全調度運行方式

根據不同運行工況計算成果，提出了滿足航道不沖及通航安全的最低水位，即安全運行邊界見表4。

表4 泵站安全運行邊界Tab.4 Safe operation condition of pump station

4 結 論

(1)泵站進水口與船閘引航道交匯布置運行時，引航道容易出現主流偏斜、回流等不良水流流態，易形成較大的橫向流速，影響通航安全。

(2)以通航水流條件及航道不沖流速為指標，提出了滿足泵前航道安全的調度方式。泵站一臺機組運行50 m3/s，對航道安全運行沒有影響；泵站兩臺泵運行，流量為100 m3/s時，當匯合口水位大于0.7m時，附近航道均不會產生沖刷；水位大于1.5 m時，航道內不沖刷且滿足通航要求。

泵站運行150 m3/s，當匯合口水位高于1.6 m時不會產生沖刷；泵站運行200 m3/s，當匯合口水位大于3.1 m時不會沖刷，此流量情況下均不宜通航。

(3)泵站設計排澇流量200 m3/s下運行，河道普遍沖刷，此流量下沖深和匯合口水位關系為；Tk= -2.45ln(x) + 2.76，相關系數R2=0.998。

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