邻近通航水域泵闸总体布置优化研究

田利勇，张 婧，陆 倩，崔 冬

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心，上海 200061)

平原河网地区一般具有水系密布，流动复杂等特点，通常采取“分片控制”的治水策略，泵闸作为水利片控制工程的重要组成部分，主要发挥排涝、水资源调度等综合功能[1]。泵闸工程布置不仅关系到日常运行维护的便捷性，同时也对上下游流态影响很大，对于泵闸上下游附近存在通航要求的情况，泵闸布置还需考虑对通航条件的影响[2- 5]。本文以上海地区某邻近通航水域的泵闸工程为例，研究其平面布置与优化设计。拟建泵闸工程规模为节制闸净宽30m，泵站设计流量90m3/s，是浦东新区沿长江口重要引排水口门和通道之一。工程位于浦东新区赵家沟入长江口处，工程范围西起外高桥粮油储备仓库内河港池，东至长江口，工程平面布置如图1所示。

图1 工程平面布置图

泵闸工程内河侧约300m位置为粮油仓库内河码头港池，港池基本垂直河道布置，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较大横流，给船舶进出港带来较大的影响。如何解决泵闸工程运行与内河港池正常安全运行之间的矛盾是本工程总体布置的关键难题。

近年来随着数值模拟分析技术的发展，水流数学模型在泵闸工程总体布置优化中得到广泛应用[6- 12]。本文拟采用平面二维水流数学模型，模拟工程附近范围流场流态，从水动力角度论证分析泵闸平面布置形式的合理性，选取合适的泵闸布置方案，并在此基础上进一步开展减轻通航影响的工程整流措施研究，以期得到合理的工程总体布置方案。

1 研究方法

1.1 模型建立

采用MIKE21 Flow Model(FM)模块，分别建立大小两套模型进行模拟，大模型为长江口杭州湾整体模型，如图2—3所示，提供开边界条件；小模型用于模拟工程方案。小模型位于长江口南港，基本以工程区域为中心，向上下游各延伸5km；模型采用无结构三角形与四边形混合网格，并对工程区域网格进行加密，工程区域单元格边长由16m逐渐过渡到0.6m，小模型范围和计算网格如图4所示。

图2 计算范围及水下地形(吴淞基面，下同)

1.2 计算工况

根据泵闸工程的主要工程任务与运行模式，分别模拟计算了节制闸排涝、节制闸引水、泵站排涝三种工况，计算工况组合详见表1。

图4 小模型计算网格

经初步计算结果表明，节制闸排涝工况和引水工况条件下，对平面布置方案的水动力条件影响差异最为显著，限于篇幅，本文选取节制闸排涝工况1和节制闸引水工况1两组典型工况开展论证分析。

2 泵闸布置形式对比分析

2.1 泵闸布置方案

为了分析泵闸平面布置方案的合理性，针对不同平面布置方案进行水动力模拟计算，分析泵闸工程运行时内河侧的通航水流条件。本工程内外河通航条件复杂，对水流条件要求高，而“泵+闸”平面布置方案水流条件差，故基本不予考虑。泵闸平面布置主要对比分析“泵+闸+泵”和“闸+泵+闸”两种布置型式。

方案一为“泵+闸+泵”布置型式，水闸分三孔设在中间，三孔净宽均为10m，泵对称设在闸两侧，泵型采用四台斜式轴流泵，单机流量为22.5m3/s。

方案二为“闸+泵+闸”布置型式，四台斜式轴流泵设在中间，单机流量为22.5m3/s，水闸对称设在泵两侧，单孔净宽15m。

表1 数模计算工况组合

图5 方案一(“泵+闸+泵”)平面布置及地形

图6 方案二(“闸+泵+闸”)平面布置及地形

图7 两组方案在节制闸排涝典型工况下流场分布图

方案一、二的平面布置以及地形图分别如图5—6所示。

2.2 计算结果分析

图7—8分别为两组平面布置方案在节制闸排涝和引水典型工况下，泵闸上下游局部流场图。可以看出，无论是“泵+闸+泵”总体流态还是“闸+泵+闸”的布置方案，空间上均为对称布置，无论是节制闸引水还是排涝的工况下，水流均较为平顺、流畅，没有明显的偏流现象，无明显不利流态。“泵+闸+泵”平面布置方案闸下大流速区延伸范围较远，3m/s等值线延伸距离约为250m，闸下流速总体较大。“闸+泵+闸”平面布置方案闸下大流速区延伸范围相对小些，3m/s等值线延伸距离为140m，闸下总体流速相对减小。这主要是由于水闸居中布置时，水流流速与能量较为集中，不太利于能量沿程损失，造成其闸下所需流速扩散段长度更长。水闸分列两侧布置时，水闸同时排水时，能量消散和流速扩散较快。

图9—10分别为两组平面布置方案在节制闸引水和排涝典型工况下内河与港池所形成的T形交叉口(以下简称T形区)的局部流场，可以看出，典型排涝工况下，按相同的过闸流量(285m3/s)，“泵+闸+泵”方案下T形区最大横流为0.62m/s；“闸+泵+闸”方案下T形区最大横流为0.61m/s，两者相差不大。典型引水工况下，按相同的过闸流量(183.9m3/s)，“泵+闸+泵”方案下T形区最大横流为0.72m/s；“闸+泵+闸”方案下T形区最大横流为0.45m/s。“闸+泵+闸”方案T形区最大横流比“泵+闸+泵”方案明显减小。参照JTJ305—2001《船闸总体设计规范》(含局部修订)，得出在不超过T形区允许横流条件下，横流限值按0.3m/s取值，在引水工况下，允许过闸流量“闸+泵+闸”方案大于“泵+闸+泵”方案。进一步计算表明，采用0.3m/s的横流限制条件来控制闸门的过闸流量(通过调节闸门的开启度实现)，在引水工况下“泵+闸+泵”平面布置方案的允许过闸流量为77m3/s，“闸+泵+闸”平面布置方案的允许过闸流量为107m3/s，明显“闸+泵+闸”方案更优。

图8 两组方案在节制闸引水典型工况下流场分布图

图9 两组方案在节制闸排涝典型工况下T形区流场及流速等值线分布图

图10 两组方案在节制闸引水典型工况下T形区流场及流速等值线分布图

综上所述，两方案空间上均为对称布置，从总体流态比较，无论是节制闸引水还是排涝工况下，水流均较为平顺、流畅，没有明显的偏流现象；从闸下流速分布比较来看，“闸+泵+闸”平面布置方案较“泵+闸+泵”平面布置方案闸下大流速区延伸范围要小；从内河侧通航水流条件比较，典型引水工况下，“闸+泵+闸”方案T形区最大横流比“泵+闸+泵”明显减小，在不超过T形区允许横流条件时，引水工况下，“闸+泵+闸”方案允许过闸流量比“泵+闸+泵”方案可明显增大。经过水流数学模型论证分析，从减小泵闸运行与内河港池通航影响考虑，本工程推荐采用“闸+泵+闸”的平面布置方案更为合适。

3 整流措施研究

3.1 整流方案

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，通过总结相关工程经验[13- 15]，本工程拟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整流方案。

在内河侧进出水池增设两排导流墩，两排导流墩与两侧闸门相对，墩子成眉型布置，单排墩子距离闸门约135m，单个墩子为圆形，直径0.8m，间距2～5m，两侧各布置16个，共计32个导流墩。

为了减小推荐方案在引水典型工况下T形区的最大横流流速，设计T形区河底高程浚深至-2.5m，浚深区域长方形布置，长约240m，宽约120m。经测算，过闸设计流量若均摊至浚深后的河道过水断面上，则平均流速约为0.25m/s。

整流方案布置如图11所示。

图11 整流方案布置示意图

3.2 计算结果分析

增设眉型导流墩及增大T形区过水断面面积组合方案后，引水典型工况下，内河侧流速分布如图12所示，观测点横断面流速分布如图13所示。可以看出，T形区最大横流流速由整流前的0.45m/s降至0.29m/s，达到规范允许范围以内，可满足船舶进出港池航行要求。

图12 整流后内河侧流速分布图

4 结论

本文以上海地区拟建的某泵闸工程为例，通过平面二维水动力数学模型的模拟论证，从水动力条件角度分析泵闸工程布置对邻近内河港池通航影响，主要结论如下：

(1)泵闸对称布置优于不对称布置，无论“闸+泵+闸”方案还是“泵+闸+泵”方案，上下游水流均较为平顺、流畅，没有明显的横流和偏流现象。

(2)“闸+泵+闸”方案较“泵+闸+泵”方案闸下大流速区延伸范围要小。从内河侧通航水流条件比较，典型引水工况下，“闸+泵+闸”方案T形区最大横流比“泵+闸+泵”方案小37.5%，在不超过T形区允许横流条件时，引水工况下，“闸+泵+闸”方案允许过闸流量比“泵+闸+泵”方案可增加39%。从减小泵闸运行与内河港池通航影响考虑，采用“闸+泵+闸”平面布置方案更合适。

(3)在内河侧通过增设眉型导流墩及增大T形区过水断面面积组合方案后，典型引水工况下，T形区最大横流流速由整流前的0.45m/s降至0.29m/s，达到规范允许范围以内，可满足船舶进出港池航行要求。