虹口港泵闸水利枢纽总体布置研究

郭高贵

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

虹口港水系骨干河道总长约 34 km，汇水面积为 46.4 km2，沿程需接纳 26 座市政排水泵站，267 m3/s 排水流量。现有虹口港节制闸建于 1966年，位于东长治路桥内侧，距河口约 500 m，该节制闸由于建设年代久远，主体结构存在不同程度破损，部分墙体发生倾斜、开裂，虽然经过多次加高、加固，但安全隐患无法完全消除，继续使用将存在较大风险。

规划新建虹口港泵闸工程是虹口港水系整治工程的重要组成部分，泵闸位于虹口港水系南端，河道入黄浦江的河口处，是上海市中心城区最后一座规划待建的水利枢纽。它与水系北端的西泗塘泵闸、郝桥港泵闸共同担负着水系的防汛排涝及南引北排等重要功能。虹口港泵闸水利枢纽选址于东大名路桥南侧（溧阳路与九龙路之间），新建节制闸孔径为 8 m，新建泵站正向排水流量为30 m3/s，反向引水流量为 10 m3/s，兼有防洪、排涝及水资源调度等综合功能。

1 工程总体布置原则

（1）满足防洪、排涝、引水的功能要求；

（2）泵站、水闸管理用房等布置紧凑合理，管理调度方便；

（3）尽量减小主体结构宽度，避免对周边建筑造成影响；

（4）有利于设备布置、安装运行及监测要求；

（5）对外交通便利；

（6）泵闸主体结构尽量外移，以缩短外河防汛墙的长度；

（7）建筑风格简洁明快，尽量减小地面建筑物体量、高度，以融入到黄浦江沿线开阔的空间中去，符合北外滩的整体空间规划要求。

2 工程总体布置

根据选定的枢纽场址，规划新建泵闸闸址位于东大名路桥南侧，水闸闸门中心线距支河口的距离约 115 m，距离东大名路道路中心线约 45 m，平面布置采用“泵+闸”的单侧布置形式，水闸中心线位于原河道中心线偏东侧 4.0 m。

节制闸布置在河道东侧，闸首口门净宽为 8 m，底板顺水流方向长度为 27.8 m，底板面高程-1.0 m，底槛面高程 0.0 m。外河消力池长 16 m，内河消力池长 15 m。门型采用运行可靠、维修方便的上卧式平面钢闸门，启闭设备采用 QHSY-2×630-6.5 液压启闭机。

泵房布置在河道西侧，泵站各设 3 台单机流量为 10 m3/s 的 1800QGS10-3.25 型潜水贯流泵，其中两台为单向，一台为双向。由于外河西侧河道无法按规划拓宽，三台水泵中靠东侧（近节制闸）位置的一台泵引排水水流条件最好，为了发挥水泵引水的效率，将双向泵设置在东侧（靠近节制闸）位置，另两台单向泵布置在西侧。站身底板顺水流方向长度为 27.8 m，水泵机组间距为 5.2 m，站身以上不设厂房，泵房顶板面高程为 5.0 m，为便于机组的安装和检修，顶板上部设可移动式的电动桥式起重机。泵站内河进出水池长 15 m。底板面高程-3.1 m，外河进出水池长 16 m，底板面高程-3.1 m。

内河海漫段布置在东大名路桥梁下部，海漫段长 35 m，海漫顶高程为-1.0 m，末端设 6 m 宽的抛石防冲槽和防冲板桩；外河海漫段长 25 m，海漫顶高程为-2.0 m，由于外河两侧为部队建筑，河道宽仅约 14.6 m，河底标高由-2.0 m 逐步降低到-3.0 m；在外河海漫段以外至黄浦江河口范围均进行模袋混凝土护底防冲。内、外河侧海漫段均采用300 mm 厚灌砌块石护底，采用 400 mm×600 mm素混凝土格梗分隔。

新建东大名路桥桥宽 28 m。东大名路桥梁位于内河海漫段上方，桥台兼作翼墙与内河消力池衔接。为便于桥梁两侧与现状纵、横向道路的标高顺接，河中顺泵闸导流墙方向设柱式桥墩，将桥梁布置为两跨（跨径 16 m+9.8 m），以减小桥梁跨径，降低梁高及路面标高。图1为泵闸总平面布置图。

3 总体布置数模论证

3.1 计算目的

该工程位于黄浦江中游左岸虹口港出口处，水闸和泵站并行布置于东大名路桥外侧。由于泵闸平面布置方案为“泵+闸”（即泵站集中单侧布置在闸的一边）型式，同时上游侧设置桥墩，为了分析方案布置的水动力合理性，工程建成后水闸引、排水的水流流态情况，以及枢纽布置对泵站及水闸排水的过流影响，该设计建立了泵闸工程范围内的二维水流模型。

3.2 模型计算范围及网格布置

模型上边界分别取虹口港泵闸上游 500 m处，黄浦江作为接纳水体，下边界分别取虹口港上下右侧各 1 000 m。为能较好模拟所研究河道流场，本次模型计算采用三角有限元网格，并采用大小网格嵌套方式进行模拟计算，泵闸工程范围内网格加密处理，其优点能模拟复杂的河道岸线，计算范围主次分明，计算速度较快。本次模型网格剖分共布设 15 461 个节点，9 113 个单元，单元边长在 0.2～50.0 m。图2为工程河段网格布置图，图3为水闸及泵房网格布置图。

3.3 控制方程及计算方法

该设计采用的有限元法求解平面二维浅水运动方程和连续方程为:

式中：h 为水深；u，v 为直角坐标下的速度；x,y,t 为直角坐标及时间；ρ为水体的密度；E 为涡动粘滞系数；g 为重力加速度；a 为底部高程；n 为曼宁糙率系数为地球角速度；φ为局部纬度。

上述方程组采用伽辽金加权余量有限元法进行数值求解。单元的形式可为一维线性单元、两维四边形或三角形单元，适用于岸线曲折的边界。速度形函数为二次，深度形函数为线性。空间积分以高斯积分，时间离散利用非线性有限差分。在每一时间步上，变量表达式为：

图1 泵闸总平面布置图

图2 工程河段网格布置图

图3 水闸及泵房网格布置图（带桥墩）

式中：a，b，c 是常数，c 为 1.5。

方程采用全隐式求解，解法为 Newton-Raphson非线性迭代。方程中各基本参数选取说明如下。

（1）曼宁系数

模型中曼宁系数 n 考虑有、无植被影响，根据各单元的平均水深按式（5）自动赋值并实时调整：

（2）涡动粘性系数

模型中涡动粘性系数 E 根据各单元的平均速度和水流方向上单元长度自动赋值并实时调整，计算公式为:

式中：P 为 Peclet 常数；ρ为液体密度；u 为单元平均速度；dx 为主流方向的单元长度。

3.4 计算水文条件

模型按照泵闸引排水方案划分 4 种主要计算工况，分别为：

（1）工况一

水闸闸门全开排水工况，内河 3.0 m，外河2.5 m。

（2）工况二

水闸闸门全开引水工况，内河 2.5 m，外河3.0 m。

（3）工况三

关闸、泵站排水工况，Q=30 m3/s，内河 2.5 m，外河 5.06 m。

（4）工况四

关闸、泵站引水工况，Q=10 m3/s，内河 3.0 m，外河 2.21 m。

3.5 数学模型成果与分析

3.5.1 工况一：闸门全开排水

从图4水闸闸门全开排水工况（内河水位 3.0 m，外河水位 2.5 m）时的流场中可以看出，水流出闸后，主流分布于河道东岸，分流较少，水流扩散后西岸泵站进出水池局部形成缓流区，由于西岸岸线在下游消力池之外收窄，限制了回流的形成，出闸水流流态总体较好，在离下游消力池约 60 m外，水流已均匀扩散至下游河道断面。

图4 工况一流场分布图

从水闸上下游沿程水位及流速分布（见图5）可知，最大流速出现在闸室驼峰段，最大值约为2.03 m/s；经下游消力池消能后流速迅速下降至1 m/s 左右。由于河道断面放宽，水深变大，流速变小，水位基本上与外河齐平。泵闸外入黄浦江后，由于水面开阔水流迅速扩散，出闸水流流速也迅速减小至 0.3 m/s 以下。

3.5.2 工况二：闸门全开引水

从图6水闸闸门全开引水工况（内河水位2.5 m，外河水位 3.0 m）时的流场中可以看出，水流出闸后流态与工况一类似，主流分布于河道东岸。由于导流墙及桥墩的导流作用，以及西岸河岸缩窄，泵站进出水池侧回流的形成受到限制，出闸水流流态总体较好，在离上游消力池约 40 m 外，水流已均匀扩散至下游河道断面。

从水闸上下游沿程水位及流速分布（见图7）可知，最大流速出现在闸室驼峰段，最大值约为1.93 m/s；经上游消力池消能后流速显著下降，约1.25 m/s，出闸后流速和水位降低相对缓慢，但在上游海漫段以内流速不超过 0.7 m/s。

图5 工况一水闸上下游水面及流速分布图

图6 工况二流场分布图

3.5.3 工况三：泵站排水

从图8泵站排水工况（内河水位 2.5 m，外河水位 5.06 m）时的流场中可以看出，由于泵站集中布置在河道西岸，而且凹进河岸侧，水流进入泵站存在明显偏转，出流后闸室一侧局部形成回流，但由于闸、泵之间隔墩以及泵房侧渐变岸线的限制作用，回流区范围有限，总体上泵房出水水流较为平顺，且在 20 m 左右距离内能迅速扩散充满河道过水断面，对进出泵房的流量不构成较大影响。另外,由于水泵流道低于水面，故出泵房水流为淹没出流，从图9可以看出，最大出流流速约为0.5 m/s，小于上游最大进流流速，约 0.79 m/s，至下游河口流速减小至 0.2 m/s 以下。

图7 工况二水闸上下游水面及流速分布图

3.5.4 工况四：泵站引水

泵站引水工况（内河水位 3.0 m，外河水位2.21 m）时流场与排水工况相似，从图10中可以看出，水流进入泵站有轻微偏转，泵站出水水流则比较平顺，由于导流墙及桥墩的导流作用，水闸侧水流扩散较好，没有形成局部回流。出泵房水流在20 m 左右距离内能迅速扩散充满河道过水断面，对进出泵房的流量不构成较大影响。从图11 可以看出，下游江侧最大进流流速约为 0.36 m/s，上游侧出流流速约为 0.33 m/s，出流流速减小相对缓慢，但在上游海漫段以内流速不超过 0.2 m/s。

图8 工况三流场分布图

图9 工况三泵站上下游流速分布图

图10 工况四流速分布图

图11 工况四泵站上下游流速分布图

3.6 结论

从水动力角度来看，虽然泵闸单侧布置、泵闸横向宽度大于上下游河道宽度，而且闸外段河道宽度扩宽受到限制，但从数学模型模拟结果分析表明，闸、泵过水偏流的不良影响程度有限，该泵闸工程的平面布置方案可以满足水闸和泵站的正常运行。由于外河河底高程向外河逐渐降低，并采用直立式护岸，闸、泵出流流场没有发生不良流态。经过外河消力池、海漫段的消能以及下游河口的水流扩散作用，进入黄浦江的下泻剪切流速在0.3 m/s 以下，对黄浦江此段流场以及通航未产生不利影响。

[1] 徐祖信，卢士强.平原感潮河网水动力模型研究[J].水动力学研究与进展,2003（3）：176-181.

[2] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Model-ling System for Rivers and Channels Reference Manual[R].DHI.2002.