城鎮排澇泵閘計算分析與設計

周嬴濤 王為群 王一凡 周雨晨

摘要：小型排澇泵閘作為城鎮引水調度和防洪排澇的關鍵工程，承擔溝通內外河水系的重要功能。為研究小型排澇泵閘的選址和選型，并基于此開展城鎮排澇泵閘的設計工作，以江蘇省江陰市青陽泵閘遷改建工程為例，首先進行了水動力數學模型計算，分析了擬建閘站在不同工況組合下引水和排澇時的水位及流速分布情況，根據分析結果進行選址；進而通過結構計算確定泵閘各段的結構尺寸，梳理了整體設計思路。結果表明：水閘的選址合理，引水期過流時對上下游河床穩定無影響；排澇期間泵站流量滿足片區規劃要求，且不會對下游河床造成沖刷；廠房整體布置合理，與周邊建筑物形式協調，交通可與現有道路順暢連接。研究成果為城鎮地區小型泵閘建設提供了參考。

關鍵詞：泵閘； 防洪排澇； 數值模擬； 青陽泵閘

中圖法分類號：TV66

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.009

文章編號：1006-0081（2023）07-0056-07

0 引 言

泵閘是治理水患與內澇的重要水利設施，在汛期增強防洪排澇能力，對于緩解區域防汛壓力有重要的作用［1］。小型排澇泵閘作為城鎮排澇工程的關鍵部分，承擔著溝通內外河道水系的重要任務。但泵閘的設計與建設又是一項系統化、專業化的工作。因此，在開展城鎮排澇泵閘的設計工作時，要綜合考慮該節點工程在整個防洪排澇片區中起到的作用，對泵閘的規模進行論證，并在此基礎上進行選址和水力結構計算，必要時還應進行物理模型實驗和數值模擬分析［2-4］。

本文以江蘇省江陰市青陽泵閘的遷改建工程為例，總結了在城鎮區域泵閘的選址和選型要點，梳理了設計的計算分析步驟，在此基礎上提出了切實可行的設計方案，為城鎮地區的小型泵閘建設提供了有益參考。

1 工程區域及特點

青陽泵閘遷改建工程位于錫澄運河江陰段荷花浜支流，原址閘站建于2009年，距錫澄運河僅150 m，作為鎮區聯圩的一部分，承擔主城區的防洪排澇和引換水功能。在非汛期，通過該閘門引錫澄運河水對圩區內水體進行交換；在汛期，通過水泵向下游錫澄運河排水，降低內澇風險。由于當地糧庫項目的規劃籌建，需將原閘站向上游平移一段距離后新建（圖1）。

工程區域汛期為每年的5～9月，主汛期為6～7月；非汛期為10月至翌年4月。由于長江口潮汐影響，當潮波從長江口向上游傳播時，受地形阻力和徑流下泄的影響，潮差向上游遞減，漲潮歷時縮短，落潮歷時延長。該地平均高潮位分別為4.04 m和4.75 m，多年平均低潮位為2.41 m，平均潮差為1.63 m。擬建場地地貌可進一步細化為太湖水網平原中的圩區平原地貌類型，經地質勘探，擬建場地50 m范圍內主要由飽和的黏性土、粉性土組成，屬第四紀松散沉積物。場地淺部除素填土及淤泥力學性質較差外，其余土層均相對較好，對天然地基沉降控制有利，深部土層分布較穩定（圖2）。

2 工程選址

錫澄運河作為長江支流，北起長江，南交于大運河（高橋），屬于區域性一級河道，長度38.93 km，平均河寬60 m，是主要的通江航道。原閘站是鎮區聯圩水利片區防洪排澇體系的關鍵節點，承擔著鎮區范圍約1 066.67 hm2（16 000畝）的排澇任務，且距離澇水排江的主通道——錫澄運河距離僅150 m，易受到長江口漲落潮影響。

由于鎮區糧庫擴建，將在原站址處修建糧庫碼頭，需將原排澇閘站向上游平移一段距離后重建，且規模不小于原閘站。該河道向上游處存在線性拐彎和分汊，因此選擇合適的站址尤為重要，既要保證進出水流平穩，又要滿足規范要求，減小對上下游的河道沖刷影響。在充分考慮河勢穩定的基礎上，將閘站設置在距錫澄運河河口310 m處。該位置河道線行平順，且距離上游分汊河道大于80 m，滿足GB 50265-2010《泵站設計規范》中直線段大于5倍水閘進口處水面寬度的要求。依據鎮區水系規劃，該防洪片區內水面率5%左右，排澇流量達到49.0 m3/s，排澇模數為3.22 m3/（s·km2）。泵閘的外河設計水位依據小青陽排澇站水位進行頻率分析選取，內河設計水位則參照當地實際數據選取；外河考慮三級堤防堤頂安全超高，泵閘外河側閘頂高程為6.00～6.50 m，滿足水系規劃要求；內河考慮安全超高并與現狀擋墻順接，堤頂高程取5.50～5.00 m（均為吳淞高程）。基于改建后不小于原有泵站規模且能適應片區防洪排澇需求，確定本新建工程的水泵設計流量為10 m3/s，水閘設計流量約45 m3/s；該河道不考慮通航，設計閘門寬度6 m，閘門型式為升臥門，可通過調節開度控制過流流量。在確定泵閘各部結構尺寸之前，應當對整體區域進行流態建模分析，并對泵房和閘室各部分進行模擬計算。

3 計算方法與模型設置

3.1 水力結構計算方法

對泵站進行設計時，主要參數為設計流量與設計揚程；該工程排澇流量根據20 a一遇最大 24 h 降雨確保每個時段（以 1 h 為一時段）骨干河道水位不超過控制水位進行設計；設計揚程取外河與內河設計水位之差，各種排澇揚程則由不同設計水位組合確定；對泵站結構進行設計，主要內容為前池、進水池、出水池尺寸的確定以及泵房尺寸和站身穩定計算。具體計算內容及公式詳見GB 50265-2010《泵站設計規范》、SL 265-2016《水閘設計規范》及《水閘設計》［5］。

對水閘閘室進行設計時，根據 SL 265-2016《水閘設計規范》，首先要進行水力計算。其內容主要有閘孔總凈寬計算、閘門控制方式擬定、消能防沖、防滲布置等計算；水力計算完成后，需對水閘結構強度及穩定性進行分析。通過對不同工況下閘墩、底板等結構的應力計算結果分析，以及對水閘的整體穩定驗算，最終確定結構尺寸。

對于關鍵位置的樞紐泵閘，還要根據其不同水位下的排澇和引水設定工況，進行物理模型實驗和數值模擬研究，分析其結構區域內的流態變化，為結構尺寸的確定提供參考。

3.2 數學模型介紹

本工程在擬定泵閘基本型式后，對泵閘的引水和排澇工況進行了數值模擬計算，以此判斷不同引水排澇組合過流條件對上下游河床的影響，作為結構計算的重要參考。

本文利用Delft3D-FLOW進行數值模擬研究［6-7］。

3.3 數學模型設置

模型網格根據尺寸分為大、小兩套，大模型范圍包含荷花浜和錫澄運河，用于計算錫澄運河及張塘浜河道二維水動力場，網格精度為1 m×1 m，計算各設計工況下泵閘前后二維水動力場；小模型范圍包括設計泵閘及上游河道直線段30 m及下游直線段80 m，網格精度0.1 m×0.1 m。模型均采用笛卡爾坐標系，設計東向為x向，北向為y向。

模型采用高分辨率矩形網格，地形及網格如圖3所示。在計算域中，地形采用吳淞高程系下的實測數據。模型的時間步長決定計算收斂性，本模型試驗取值0.05，渠底摩擦系數取0.035，設置流量和水位邊界條件，模型采用冷啟動。沿錫澄運河河道底坡約2.85×10-5。模型水深見圖3。

新建泵閘在換水期打開閘門，引入錫澄運河河水對圩區內河道進行活水交換；汛期關閉閘門，利用水泵向錫澄運河側排水，澇水經定波樞紐向北排入長江。模型采用不同水位和流量條件進行組合驅動。基于水文年鑒，江陰站7月水位最高，因此模型采用2014年7月歷時潮位實測數據作為大網格地形下錫澄運河邊界條件（圖4），模型工況組次及相應邊界條件設定見表1。

模型分別就大小兩套網格范圍的新建泵閘附近水動力環境進行數值模擬研究，分析泵閘前后在不同工況下的水位、流速變化情況，對新建泵閘后河道的二維水動力要素和水流沖刷條件進行研究。大模型在新建閘室中部閘門處設置監測點A，提取模型穩定后的水位、流速進行分析；小模型則對穩定后的二維流場進行分析。

4 計算結果及分析

4.1 水力及結構計算

由水力及結構計算結果，水閘最大過閘流量為87.92 m3/s。但考慮到水閘內河過流能力有限制，因此需控制開啟度。如遇到必須全開的特殊情況，則待上下游水位差進一步縮小后進行。根據消能防沖計算成果并結合類似工程經驗，本次設計外河消力池長度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防沖槽4 m，海漫長度15 m。內河進水池（消力池）長度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防沖槽4 m，與內河銜接段進水池7.6 m，海漫長度15 m。

4.2 整體水位、流場分析

在引水工況下，外河側水位高，將上游錫澄運河來流以明渠的水位流量關系概化成流量邊界條件，內河分別對應設置引水工況1、引水工況2的相應內河水位條件。模型選取7月1～10日的模擬結果進行展示，可見在各工況下，閘門處水位也呈現不規則半日潮型。水位差在模型初始較大，高低水位間差值近1 m，可以看做是閘門全開的瞬間所能達到的水位差值。模型穩定后，各組工況的水位差在0.3 m左右。引水條件下的兩種工況水位區別明顯，引水工況1由于內河水位高于引水工況2，其在閘室內的平均水位較高，較工況2的平均水位高0.3 m，但兩種引水工況下水位變化的絕對值有限，均小于0.5 m。就大模型閘室監測點的流速分布情況來看，引水工況下，模型穩定后閘室內流速峰值在0.8 m/s左右，從垂向平均的二維流場分布情況來看，大流速主要集中在上游閘室首端，流速超過1.0 m/s，但由于閘室及前后消力池經鋼筋混凝土底板硬化處理，在泵閘鋼筋混凝土結構外的河道整體流速小于0.5 m/s，小于河道的不沖流速，因此泵閘新建對上下游河道底床沖刷有限，并可進一步通過控制閘門開度來減小閘室前后的區域流速（圖5）。

4.3 泵閘附近流場分析

小模型在排澇工況時，設置泵閘出水口為入流流量邊界條件，下游東側邊界為固定水位邊界條件；引水工況時，設置閘室下游西側邊界為入流流量邊界條件，上游東側邊界為固定水位邊界條件，因模型設定常邊界條件，故模擬結果穩定后，水位流速是恒定的。從二維流場分布特征來看，排澇工況下，河道流速自東邊界泵站以2.5 m3/s的下泄流量向西排除澇水，泵站出水池流速最大，達0.5 m/s，但在進入下游河道前流速已低于0.3 m/s，可見排澇工況下泵機排水對下游影響不大，流速不會引起河床沖刷；引水工況下，河道流速自西向東，閘室內流速達到2.0 m/s，閘室下游（西側）進口處流速雖有集中，但均小于1.0 m/s，閘室上游末端（閘室東側）的流速變化范圍較進水側（閘室西側）大，但流速大于1.0 m/s的分布范圍均在泵閘結構范圍內，在東側消力池流速逐漸減小至0.3 m/s以下，因而對泵閘結構外的河道底床影響不大。閘室東側末端出流口由于斷面增大，導致出水池范圍內存在環流，但整體流速較小，對環境影響不大。由于引水工況2閘門上下游水位差達2.20 m，閘門全開將導致河床上游的中心河底局部存在沖刷風險，因此需要調整閘門開度，通過控制閘門過流流量使得河道流速小于河道不沖流速，避免產生河道沖刷（圖6）。

5 金屬結構選型與結構設計

根據工程規模和水位組合，初步選用4臺立式軸流泵，設計總流量10 m3/s，根據工程場址和泵型，考慮采用“泵+閘”的布置方式。考慮征地拆遷范圍及進場交通條件，計劃將管理區布置在河道北側，為方便管理，泵站布置在北側，水閘布置在南側，見圖7（a）。

泵房布置在河道北側，泵站設4臺單機流量為2.5 m3/s的立式軸流泵，主要功能為排澇。

泵站從內河往外河依次為內河防沖槽、內河海漫段、進水池連接段、進水池、泵房、出水池、出水池連接段、外河海漫段、外河防沖槽。泵站順水流方向布置的總長度為67.0 m，垂直水流方向總長為16.4 m。泵房底板順水流方向長度為16.5 m，水泵機組間距為3.80 m，流道底板高程為0，站身上部設廠房，廠房吊機軌道梁頂面高程為14.70 m，為便于機組的安裝和檢修操作運行，廠房內設可移動式的16/3T電動單梁橋式起重機，直接通入泵站南側的檢修間，見圖7（b）。

節制閘布置在河道南側，閘首口門凈寬為6 m，底板順水流方向長度為13.00 m，底板面高程0，底檻面高程0.50 m。內河消力池長為8.0 m，外河消力池為8.0 m。門型采用排架低、抗震效果好的升臥門，啟閉設備采用卷揚啟閉機，見圖7（c）。

外河海漫段布置在外河消力池外側，長度15 m，海漫頂高程為-0.50～0.50 m，末端設4 m寬的拋石防沖槽；內河海漫段長15 m，海漫頂高程為-0.50～0.50 m。內、外河側海漫段均采用300 mm厚C25素混凝土護底。泵閘整體設計外觀效果如圖8所示。

6 結 論

城鎮排澇泵閘的設計不僅要滿足片區規劃要求，還要盡量減少對上下游河道的影響，同時，泵站本身的廠區布置與建筑外形也應與周邊的建筑風格相統一。本文以江蘇省江陰市青陽泵閘的遷改建為例，總結了城鎮區域泵閘的選址和選型要點，梳理了計算分析步驟，在此基礎上提出了切實可行的設計方案，主要結論如下：

（1） 泵閘的選址需進行充分論證，應充分考慮進出口流態穩定和河勢穩定，在保證防洪排澇功能的前提下盡量避免對流域水環境產生影響。

（2） 泵閘的結構設計需以切實可靠的計算結果為依據，對于小型泵閘，可根據規范公式對泵閘每部分結構尺寸逐個進行計算，對于過流流量應通過數值模擬實驗復核其不同工況下對河勢穩定的影響；對于大中型或關鍵樞紐泵閘，應考慮整體建模，并通過物理模型試驗和數值模擬對進行流態分析。

（3） 泵閘是重要防洪排澇節點，也是系統性專業性較強的工程，在進行方案設計時不僅在水工結構方面需要仔細研究，其上部建筑、廠區綠化、電氣、給排水等也需要統籌考慮。

參考文獻：

［1］ 孫長華.平原地區泵閘設計過程中的常見問題與解決策略分析［J］.長江技術經濟，2021，5（增1）：38-40.

［2］ 潘飛.物模與數模相結合的泵閘結構優化研究［J］.中國水運（下半月），2020，20（6）：80-82，87.

［3］ 陳偉.一體化泵閘水力優化數值模擬研究［D］.揚州：揚州大學，2021.

［4］ 何斌，張燎軍，王春樹，等.基于ANSYS的水閘可視化分析系統研究［J］.水電能源科學，2005（2）：96-98，10.

［5］ 華東水利學院.水閘設計·上［M］.北京：中國科學技術出版社，1983.

［6］ 馮曦，趙嘉靜，馮衛兵，等.江蘇輻射沙洲海區潮流對涌浪能量傳播的影響［J］.海洋科學，2020，44（3）：23-33.

［7］ 馮曦，丁志偉，馮輝，等.南黃海輻射沙洲潮流不對稱性對岸線變動的響應［J］.海洋學報，2022，44（6）：1-9.

（編輯：李 晗）