八堡排水泵站进水口方案优化研究

孟金波，杨晓霞，韩晓维

（1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概况

排涝泵站利用运河进行排涝时，对进水口附近的水流流态要求较高[1]。其流态的优劣直接影响泵站进流效率和运河内的通航安全。

八堡排水泵站是扩大杭嘉湖南排工程中的一项重要组成项目，工程包括上游引河、进水池、泵房、出水池、下游排水箱涵、挡潮排水闸等建筑物，是一座由以排涝为主要任务、兼顾水环境水资源配置综合治理的大（1）型枢纽工程。本工程设计排涝流量为200 m3/s（4台），备用排涝流量50 m3/s（1台），按照100 a一遇洪水设计，300 a一遇洪水校核。

本工程在京杭运河二通道上设置进水口，利用运河作为排涝干河，进水口中心线与航道呈32°32′9″交角，包括导航架、拦污栅及交通桥等设施。由于泵站进水口附近航道为八堡船闸上游航道制动段，对水流流速、流向要求较高。当泵站排涝流量时，受侧向进流的限制，易形成回流等不利流态[2-3]，影响泵站进流流态，同时受进水口横向流速的影响，通航安全也需进一步论证。

需通过平面二维数学模型结合正态物理模型试验，对进水口水流条件问题进行研究。

2 模型设计

2.1 物理模型[4]

（1）模型比尺。根据研究对象特点及研究目的，采用正态模型。模型比尺为1:40，模型满足重力阻力和水流连续相似条件。

（2）模型范围。本模型属泵站整体模型，选取模型范围包括进水口、明渠、箱涵、进水池、泵站、挡潮闸以及船闸引航道和部分航道。上游模拟至泵站进口上游1 900 m，下游模拟至泵站出口下游500 m钱塘江内，中心线全长2 500 m左右。模型布置见图1。

图1 物理模型布置图

（3）模型制作。泵站、上下游排水箱涵及挡潮闸以有机玻璃制作，护坦、堤岸及其他部位以水泥沙浆抹制。模型通过模型水泵控制泵站排涝流量，并通过自循环系统进行恒定流观测。

（4）量测设备。试验中流量采用宽30 cm矩形薄壁量水堰进行观测；水位采用常规测针进行观测，主要布置在运河二通道、上游引河、进水池、出水池及钱塘江侧，分辨率为0.1 mm，测针零点用尼康AS - 2精密水准仪测定；流速测量采用超声波多普勒流速仪（ADV）。ADV是一种单点、高分辨率的三维声学多普勒流速仪，可对水流进行精确的三维速度测量，非常适宜对复杂及低速流场流速精确测量。

2.2 平面二维数学模型

2.2.1 基本方程

建立沿水深平均的引航道平面二维水流数学模型，计算分析二通道水流条件。沿水深平均的平面二维水流数学模型基本方程由连续方程和动量方程组成，其公式为：

连续方程：

式中： H、z分别为水深和水位（m）； u，v分别为x、y方向的水流流速（m/s）；γt为紊动粘性系数（m2/s）；C为谢才系数，C，n为河床糙率，R为水力半径（m）；t为时间（s）；g为重力加速度（m2/s）。

2.2.2 模型范围与定解条件

泵站进水口整体二维数模分析模型范围涵盖船闸引航道、上游运河二通道、泵站进水口、进水明渠、进水箱涵等。上游范围拟模拟至汇合口上游1.5 km，下游模拟至泵站出口处。模型范围见图2。

采用非结构网格进行建模，网格尺寸为1 ～ 8 m，对建筑物附近网格进行加密（见图3）。模型上边界采用水位边界条件，下边界采用流量边界条件。初始水位条件采用上游边界水位，初始流速设置为零。

图2 平面二维数学模型范围示意图

图3 进水口附近网格布置图

2.2.3 主要参数的确定

在平面二维水流计算中，糙率系数n是最为重要的一个参数，其值主要反映河道沿程水头损失，同时包括河道上某些连续存在的不显著的局部变化对水流阻力的影响。结合类似工程的研究成果，本模型糙率值选取0.020 ～ 0.025。

通过物理模型对二维数学模型进行验证，验证结果表明，数值模拟流场分布与物理模型基本一致，沿程流速最大相差0.050 m/s，数学模型精度可以满足要求。

3 进水口优化布置比选

从物理模型试验成果可知，在设计排涝工况时，进水口附近存在较为明显的回流流态（见图4），因此通过二维数学模型对进水口平面布置进行优化研究，参考相关研究成果[5-7]，主要从进水口口门宽度、进水口轴线与上游航道轴线夹角（导航墩夹角）及桥孔净宽3个方面进行分析，寻找合适的进水口平面布置方案。方案比选工况均为泵站4台机组运行，排涝流量为200 m3/s，进水池水位1.88 m。

图4 原设计方案进水口附近水流流态图

3.1 不同口门宽度布置方案分析

3.1.1 方案布置

在对不同口门宽度布置方案分析时，维持导航墩夹角及单孔净宽不变，对比4种不同的导航架宽度（见表1、图5）。

表1 不同口门宽度方案布置表

图5 不同口门宽度方案布置图

3.1.2 判别指标

判断进水口流态优劣采用定性及定量2种指标进行判断。定性指标是指观测进水口附近是否存在大范围回流，流场是否均匀，有无不利水流流态等。定量指标采用流速均匀度进行判别。断面流速均匀度Ω计算公式如下[8]，断面选取在进水口导航架各桥孔内：

3.1.3 成果分析

图6为各口门宽度布置方案下的进水口流场分布。当导航架右侧缩窄5孔后，进水口附近的回流流态基本消除，Ω由原方案的50%增大至74%，若缩窄导航架右侧孔数至7孔后，口门断面流速均匀度Ω继续增大至81%，但是口门流速较大，断面存在一定的束窄效应，故不宜继续减小口门宽度。同时为进一步对比左右侧口门分别缩窄时的水流流态，选取a4方案与a2方案进行比较，2组方案口门的宽度一样，均为219.2 m，不同的是a4方案左侧缩窄5孔。该方案导航架左侧边孔内存在回流，进水口左侧仍然存在较大范围回流，进流流态不佳，Ω值减小至70%，主要原因是由于主流水动力偏于右岸，调整右侧导航架更有利于主流流速流向的改变。

综合考虑水流流态及流速，推荐导航架右侧缩窄5孔，即a2方案，此时导航架宽度由原设计的285.7 m减小至219.2 m。

图6 不同平面布置方案流场图

3.2 不同导航墩角度布置方案分析

3.2.1 方案布置

在推荐口门宽度方案的基础上，改变导航墩与航道中心线的夹角（同时改变进水渠两侧岸墙连接），共考虑4组夹角方案，具体方案布置见表2。

表2 不同夹角方案布置表

3.2.2 判别指标

方案比较主要从进流流场分布、航道制动段横向流速分布及水头损失3方面进行分析。

3.2.3 成果分析

图7为各导航墩角度布置方案进水口附近的流场分布图。当导航墩夹角由设计方案的32°32′9″增加到35°后，导航架左侧边孔附近出现回流，回流长度约130.0 m，回流宽度11.0 m；若导航墩夹角分别减小至28°和25°，2种方案口门后均未出现回流等不良流态；但随着进水口轴线与航道中心线角度减小，垂直于水流流向的导航架净宽有所减小，在相同流量下口门流速有所增大，水头损失也相应增加。

图7 不同导航墩角度布置方案流场分布图

从航道制动段横向流速分布角度分析，导航墩角度变化对横向流速分布存在一定的影响。选取10个特征点，对不同角度导航墩方案时航道内横向流速进行统计，取点位置示意见图8。设计方案（导航墩夹角32°32′9″）制动段横向流速呈现沿程先逐渐增大而后逐渐减小的趋势，横向流速最大值为0.252 m/s。当导航墩角度变大后，航道内最大横向流速峰值往下游偏移，绝对值有所增大，最大横向流速为0.260 m/s。若导航墩夹角减小，运河二通道内水流较早地开始偏转进入进水口中，制动段上游位置横向流速略有增大，下游位置略有减小，b2方案（导航墩夹角28°）和b3方案（导航墩夹角25°）横向流速最大分别为0.257，0.264 m/s。各方案制动段沿程横向流速的分布见图9。

图8 横向流速取点位置图

图9 不同夹角方案制动段沿程横向流速分布图

综合分析，进水口轴线与上游航道夹角为35°时，进水口左岸出现回流等不利流态；当夹角为28°和25°时，水流出导航架之后进水渠宽度减小，制动段最大横向流速略有增大，水头损失增大。因此，推荐在口门宽度为219.2 m，导航架为17孔时，导航墩角度维持在原设计的32°32′9″较为合理。

3.3 不同单孔净宽布置方案分析

3.3.1 方案布置

在保证总净宽一致的前提下，对比不同单孔净宽布置方案对进水口水流流态的影响（见表3）。

表3 不同单孔净宽方案布置表

3.3.2 判别指标

比选方案的总净宽一致且进水口轴线与航道夹角不变，因此主要从进水口附近局部流场分析方案优劣。

3.3.3 成果分析

图10为不同导航架单孔净宽方案的进水口附近流场分布。研究表明，在推荐的口门总宽及总净宽不变的条件下，导航架孔数较多时，进流流态相对较好，但工程量大，且不够美观，如果导航架孔数过少则左侧会产生回流，因此推荐进水口导航架设置12孔方案。

4 推荐方案通航安全影响分析

通过比选，推荐进水口口门宽度为219.2 m，导航墩与航道中心线夹角为32°32′9″，并设置12孔方案。对推荐方案在泵站运行1台机组，塘栖水位1.80 m时的通航水流流态进行论证，此时进水口附近水位约为1.60 m。该方案进水口附近航道仍存在一定的横流范围，但航道制动段内最大横向流速仅为0.080 m/s，最大纵向流速为0.220 m/s，均满足GB 50139 — 2014《内河通航标准》和JTJ 305 —2001《船闸总体设计规范》中规定的制动段和停泊段纵向流速≤0.500 m/s，横向流速≤0.150 m/s的要求[9-10]，进水口附近航道内横向流速见图11。

图10 不同单孔净宽布置方案流场分布图

图11 进水口附近横向流速分布（Q =50 m3/s，Z =1.60 m）

5 结 语

八堡排水泵站利用运河二通道进行排涝，进水口方案将直接影响泵站进流流态及航道内通航水流流态。研究表明，进水口口门宽度过宽将使进水口流速存在较大的不均匀，局部形成回流流态，口门宽度过窄则使水流过栅流速增大，增加局部水头损失，通过不同口门宽度对比，提出219.2 m口门宽度方案。并在该口门方案的基础上对比导航墩角度及单孔净宽对进水口附近水流流态及流速分布的影响，提出合理的进水口导航墩布置方案。该方案可同时满足泵站进流流态平顺及通航水流安全的要求，节省工程投资。研究成果对类似工程具有一定的参考价值。