泵闸口门航道段通航水流条件改善措施研究

张 婧，陆 倩，田利勇

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

1 工程概况

近年来，随着城市建设的迅速发展，城区规模的不断扩大，原有的水利设施已经不能满足城市化地区的防洪除涝要求。同时，人们对生态景观环境要求逐渐提高，河道水体不畅、置换能力不强的矛盾日益突出。在综合解决城市河道防洪除涝、引水调度以及改善水生态环境等问题中，泵闸枢纽承担着重要的作用。

闸站合建枢纽具备布置紧凑、占地面积小等优势，在城市水利建设中得到了迅速推广，取得了较好的经济效益和社会效益。但闸站合建容易造成枢纽口门区域水流流态的复杂化，尤其是对有通航要求的河道，水闸或泵站单独运行时，闸下主流宽度和天然河道出流相比大大缩小，流速分布不均匀，水流难以通过自身的调整充分扩散，往往在口门附近航道内产生较大的横向流速，影响通航安全[1-2]。

本文结合工程实例，利用二维水流数值模型，对泵闸枢纽的口门区域流场进行模拟分析，研究口门流态的改善措施，避免泵闸运行对周边口门区域船舶的通航影响，为类似工程提供参考。

本文以上海某泵闸为例，泵站排涝流量90 m3/s，节制闸净宽30 m，采用“闸+泵+闸”的闸站布置型式，闸底高程为-1.0 m，引排双向功能，规划最大排涝流量为285 m3/s，规划最大引水流量为183.9 m3/s。考虑工程施工、投资及对长江侧码头的影响，该泵闸选址于河道出长江口预留口门处。泵闸布置见图1。

图1 工程布置图（单位：m）

距离节制闸口门约300 m处，垂直河道方向布置有粮油仓库内河码头港池，船舶出港时需要横穿内河，泵闸的运行势必会在交叉口处产生一定横流，给船舶进出港带来影响。根据《船闸总体设计规范》（JTJ 305—2001）表 5.3.2，该段航道为Ⅳ级航道，对应横流限值为0.3 m/s。

2 模型建立、验证及计算

建立工程海域二维平面水流数学模型，模型范围基本以工程区域为中心，向上下游各延伸5 km，通过控制闸门开启度，控制过闸流量，计算分析不同工况下泵闸运行对内河港池的影响，见表1。

表1 数模计算工况组合

计算结果显示：（1）节制闸排涝工况条件下，T形区最大横流流速达到0.61～0.78 m，超过横向流速控制要求；（2）节制闸引水工况条件下，T形区最大横流流速达到0.41～0.45 m，超过0.3m横向流速控制要求；（3）泵站排涝工况条件下，T形区最大横流流速为0.26～0.32 m，基本在最大横向流速允许范围内。

该泵闸为双向引排水枢纽，日常运行以引水调度为主，考虑通航水位下泵闸的排涝工况较少发生，且排涝期间，内河航运应服从区域防洪除涝统一调度，因此，以下主要针对引水工况下的内河航运条件改善进行措施分析。

3 整治前通航水流条件分析

表2给出了泵闸各引水工况下的计算结果，工况1流速相对较大，图2给出了工况1的T型区流速等值线分布情况，可以看出：

表2 整治前内河T形区最大横流速及控制过闸流量统计表

图2 工况1下T形区流速等值线分布图

（1）节制闸引水工况下，两侧对应闸门的区域流速最大，T形区最大横流流速达到0.41～0.45 m/s，不满足规范要求。在通航期间，需对引水流量进行适当控制。

（2）通过调整闸门开度控制过闸流量，使T形区最大横流流速不超过0.3 m/s，泵闸引水调度功能损失在35%～42%之间。

4 内河整流措施设计

为使泵闸引水调度功能得到充分发挥，减小泵闸日常引水调度对进出港船舶通航的影响，初步拟定了设导流墩和增大过水断面两种方案[3]，分别从增加水流的均匀性和减小断面平均流速角度，改善泵闸口门区域水流流态。考虑工况1的水流条件较为恶劣，以下选择工况1作为引水典型工况进行研究分析。

4.1 增设导流墩方案

流速不均匀系数反映流速沿断面分布的均匀性[1]。在相同流量和过水断面条件下，外河入口断面流速分布越均匀，流速也将越小。流速的不均匀系数η定义为断面垂线平均最大和最小流速差与该断面平均流速的比值，即：

式中：vmax为断面垂线平均最大流速；vmin为断面垂线平均最小流速；v¯为断面平均流速。

在内河海漫段布置导流墩墙，减小T形区的流速不均匀系数。分别设计了直线型布置、眉型布置和花瓣型布置导流墩墙（布置见图3）。

图3 导流墩墙平面布置图

（1）直线型布置导流墩：在内河海漫中段设两排导流圆墩，与两侧闸门相对，呈直线型布置，距离闸门约120 m，墩直径0.6 m，中心距2 m，两侧各布置15个，共计30个导流墩。

（2）眉型布置导流墩：在内河海漫中段设两排导流圆墩，与两侧闸门相对，呈眉型布置，距离闸门约 135 m，墩直径 0.8 m，中心距2～5 m，两侧各布置16个，共计32个导流墩。

（3）花瓣型布置导流墩墙：在内河两侧消力池前设两组导流墩墙，呈花瓣型布置，距离闸门约85m，导流墩宽 0.5 m，长 12.3～16.9 m，间距 3～4 m，两侧各布置5个，共10个导流墩。

引水典型工况下，模拟计算三种导流墩布置方案的流场。在T形区取观测断面（见图4），断面设13个观测点，观测点间距10 m，统计断面上的流速分布情况，三种导流墩布置方案，观测点横断面流速分布见图5。

图4 T形区取观测断面测点分布图

图5 整流前后观测点横断面流速分布图

可以看出，三种方案对均匀内河流速、减小T形区横流均有一定的作用。直线型、眉型和花瓣型布置，对应T形区最大横流流速分别为0.39 m/s、0.35 m/s和0.36 m/s。直线型与眉型布置的流速分布特点与无整流措施时相同，两侧对应闸门区域流速最大，而花瓣型布置则改变了原来的流速分布特点，水流向河道中心集中。总的来说，眉型布置方案效果最佳，但最大流速仍超过横流限值。究其原因在于过水断面不足，经过测算，过闸设计流量均摊至河道过水断面上，平均流速约0.30 m/s，已达规范允许值，由于流速的不均匀分布，局部区域难免出现横流超过0.30 m/s的现象，见表3。

表3 典型工况下各导流墩方案T形区横流分析表

4.2 增大过水断面面积方案

在流量一定的条件下，通过增大断面，可以有效减小流速。考虑在T形区河底高程浚深1.0 mm，浚深区域长方形布置，由内河防冲槽末端竣深至内河港池西侧约40 m处，长约240 m，宽约105 m。经测算，过闸设计流量若均摊至浚深后的河道过水断面上，平均流速降至0.25 m/s。

浚深后，引水典型工况下，观测点横断面流速分布见图6，T形区流速较竣深前整体减小，流速分布及不均匀性基本不变，最大横流流速0.39 m/s，但仍超过横流限值。

4.3 增设导流墩+增大过水断面面积组合方案

为使推荐方案在引水典型工况下，T形区最大横流流速降至横流限值，采取在内河侧增设导流墩和增大T形区过水断面面积的组合方案。结合整流效果及施工难度、投资等因素，采用眉型布置导流墩。

增设眉型导流墩+增大T形区过水断面面积组合方案后，引水典型工况下，观测点横断面流速分布见图7。可以看出，T形区水流均匀性大大提高，最大横流流速减小至0.29 m/s，符合规范要求。

图6 浚深后观测点横断面流速分布

图7 增设眉型导流墩+增大T形区过水断面方案后观测点横断面流速分布

5 结论

（1）泵闸运行时，闸下水流集中出流，流速不均匀性较大，短距离内难以充分扩散，口门区域水流条件较差，流速偏大。对于通航河道，影响口门区船舶的安全通航。

（2）本文提出提高流速均匀性与整体减小流速两种思路，分别给出解决方案：

a.在海漫段设置导流墩可有效改善水流流态，口门区域水流得到充分扩散，大大提高了流速的均匀性。从工程实例可以得出，眉型导流墩的扩散效果高于直线型，花瓣型导流墩的导流作用最为明显。从扩散效果，工程投资，施工难度等多方面综合考虑，推荐眉型导流墩。

b.当过流断面受限，水流充分扩散仍难以达到流速要求时，可采用扩大过水断面的方案，达到减小流速的目的。一般对于城市水利设施，受占地面积的约束，较难拓宽河道，可通过竣深河床改善通航条件。

（3）实际工程中，针对具体情况，综合考虑这两类措施，选择经济合理的工程方案。