福清东桥防洪工程排涝系统优化设计及试验研究

王挺

（福清市水利工程质量监督站，福建福清　350300）

福清东桥防洪工程排涝系统优化设计及试验研究

王挺

（福清市水利工程质量监督站，福建福清350300）

本文采取传统水工设计与二维数学模型相结合的方式，对福清东桥防洪工程排涝系统设计方案进行分析论证和优化设计，较好地解决了原设计方案存在的问题，实现了工程最优设计，其模式可供类似工程参考。

排涝工程；优化设计；试验研究；数值模拟

1　工程概况

龙江是福清市的最大河流，全长62km、流域面积538km2，在福清市境内河道长 35.51km、流域面积474km2。龙江干流中下游两岸是福清市主城区，而且北岸是政治、经济、文化中心。为确保福清市城区防洪堤能在汛期全面发挥防洪排涝功能，2005年福清市着手推进福清城区防洪排涝工程建设，作为龙江中下游福清城区防洪工程体系的主要城市排涝系统，东桥水闸和东桥排涝站将共同担负起约7km2涝区面积的城市暴雨径流排涝，以保障城市的排涝安全。

东桥片区排涝工程排涝标准为5年一遇，最大排涝流量40m3/s。其中，排涝闸净宽15m，闸底高程5.50m，闸前最高内涝水位10.36m（黄海高程，下同），闸前渠道宽度10m，河底高程5.50m。排涝泵站设计流量15m3/s，进水池的最高运行水位8.60m，最低运行水位6.80m；出水池的最高运行水位9.93m，最低运行水位7.35m。

原设计东桥排涝工程平面布置如图1所示。

图1　东桥排涝工程原设计方案平面布置

2　东桥排涝工程原设计方案试验研究

为分析论证东桥排涝工程原设计方案的合理性，利用二维数学模型对设计排涝系统进行试验模拟，重点研究排涝工程进出水系统平面流态和垂向平均流速分布情况。

2.1计算工况的确定

根据设计方提供的泵站调蓄计算过程线，确定了三种模拟计算工况，见下表。

数值模拟计算工况表

图2　工况Ⅰ、工况Ⅱ模型设计图

图3　工况Ⅲ模型设计图

2.2原设计方案模型设计

根据东桥排涝工程不同的运行工况，设计计算模型，如图2、图3所示。工况Ⅰ:水闸和泵站同时工作，此时最大排涝流量40m3/s，其中泵站承担15m3/s，模型边界1给定流量40m3/s，边界4为外江水位9.92m，边界2为源项，排出流量15m3/s，边界3为汇项，模拟泵站抽排至出水渠的流量15m3/s。工况Ⅱ:水闸单独排涝，此时泵站不启动，模型边界为边界1和边界4，边界1给定流量12.8m3/s，边界4给定水位7.43m。工况Ⅲ:水闸不启动，泵站单独排涝，模拟水闸区域断开，泵站自然连接，边界1给定流量15m3/s，边界2为对应外江水位9.80m。

2.3原设计方案数值模拟计算成果

通过数值摸拟计算，图4～图6分别绘出了原设计方案各工况平面流速分布形态。从图中可以看出:原设计方案工况Ⅰ排涝泵站进水渠局部水力集中现象明显，水流在泵站进水渠分布十分不均匀，主要集中在进水渠左侧，右岸局部存在明显的回流区，泵站出水管道与出水渠连接区域，水流也明显偏向水渠左岸，右岸局部流速仅为左岸的22%；工况Ⅱ整体上水闸流速分布形态良好；工况Ⅲ排涝泵站进水渠和泵站排涝管道出口同样存在较明显的局部水力集中现象，泵站进水渠进口处右岸局部流速仅为左岸流速的35%，泵站排涝管道出口水流则明显冲刷出水渠左岸，并在右岸形成一个明显的回流区。

图4　工况Ⅰ流速平面分布形态

图5　工况Ⅱ流速平面分布形态

图6　工况Ⅲ流速平面分布形态

2.4原设计方案数值模拟计算结论

从原设计方案各工况数值模拟计算成果来看，原设计方案排涝泵站进水渠及泵站出水口水流分布不均匀、水力集中现象明显，存在明显的回流区，可能会影响排涝系统的排涝能力，并造成局部的水力冲刷，需进行优化；另外，原设计方案泵站拦污闸位于进水渠转弯处，在排涝系统闸排时侧向水流对该区域几乎不形成作用，不利于拦污栅障碍物的自然排出，若采用该设计方案，必然需要定期对拦污闸进行人工清污，因此也需要改进。

3　排涝工程优化设计

针对东桥排涝工程原设计方案存在的问题，现通过调整泵站的进水渠和出水渠体型以及拦污闸的平面位置，对方案进行优化，优化后的东桥排涝工程平面布置如图7所示。

图7　东桥排涝工程优化设计方案平面布置

4　东桥排涝工程优化设计方案试验研究

为了论证优化设计方案的合理性，再次利用二维数学模型对优化后的设计方案进行试验分析，计算工况同原设计方案一致。

4.1优化设计方案模型设计

与原设计方案数值模拟相类似，各工况对应的优化设计方案数值计算模型分别如图8和图9所示，计算时，各工况模型边界条件设置同原设计方案保持一致。

图8　工况Ⅰ、工况Ⅱ模型设计图

4.2优化设计方案数值模拟计算成果

通过数值模拟计算，优化设计方案各工况平面流速分布形态如图10～图12所示。从图中可以看出:经过优化设计后，各工况水流分布较均匀，形态良好，较原设计方案有明显的改善；其中，工况Ⅰ泵站进水渠及出水口的局部回流区消失，泵站进水渠左右岸流速相当，出水口水渠右侧流速略小于左侧，工况Ⅱ水流在泵站拦污闸前形成较明显的侧向流速，在闸排时清除拦污栅前的障碍物将发挥明显作用，工况Ⅲ泵站出水口水流仍略偏向左岸，但左岸最大流速仅为原设计方案的50%，局部回流现象也有明显减弱。

图9　工况Ⅲ模型设计图

图10　工况Ⅰ流速平面分布形态

图11　工况Ⅱ流速平面分布形态

图12　工况Ⅲ流速平面分布形态

4.3优化设计方案数值模拟计算结论

从优化设计方案各工况数值模拟计算成果来看，优化设计方案各工况水流分布较均匀，形态良好，较原设计方案有明显的改善，可以较好地保障排涝工程的排涝能力，改善排涝系统的消能防冲安全；同时，调整拦污闸至泵站进水渠进口处以后，在闸排工况下，可以利用水流的侧向流动，排出拦污栅前的障碍物，改良闸泵系统后期的运行管理。因此，将优化设计方案作为该次福清东桥防洪排涝工程排涝系统的推荐方案。

5　结语

东桥防洪排涝工程排涝系统的设计建立在传统水工设计与数值模拟计算相结合的基础上，通过数值计算模型对原设计方案进行验证分析，并针对原设计方案存在的问题提出优化方案并进一步试验论证，最终确定优化设计方案为推荐方案，较好地解决了工程设计中可能隐藏的问题，实现了工程的最优设计，其模式对工程设计具有重大的意义。该工程于2008年建成投入使用至今运行良好，期间在2008年“凤凰”、2010年“南川”、2014年“麦德姆”和“凤凰”、2015年“杜鹃”等台风带给福清城区强降雨的过程中，能较好地发挥排涝功能，有效防止了片区洪涝灾害的发生，取得了良好的社会、经济效益。■

Research on optimization design and experiment of flood drainage system in Fuqing Dongqiao Flood Control Project

WANG Ting
（Fuqing Water Conservancy Engineering Quality Supervision Station，Fuqing 350300，China）

In the paper，the mode of combining traditional hydraulic design and two-dimensional mathematical model is adopted for analytic demonstration and optimal design of flood drainage system in Fuqing Dongqiao Flood Control Project. Problems in original design plan are better solved for realizing optimal design of the project.The mode can provide reference for similar projects.

flood drainage project；optimization design；experimental study；numerical simulation

TV87

A

1005-4774（2016）05-0016-06

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.005