杭州八堡泵站泵前航道安全调度研究

2020-08-21包中进韩晓维

中国农村水利水电 2020年8期

包中进，刘云，韩晓维

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引言

内河航道作为地区水系的重要组成部分之一，经常承担着区域行洪、排涝等水利功能。因此，在航道的支流河口经常会设有泵闸，泵闸在引排水过程中必定产生水流交汇现象，从而引起航道中的水流流速及流态的变化，对航道安全产生一定的影响[1,2]。针对泵闸口门航道段通航水流条件改善工程措施已有不少研究，但同样合理的泵闸运行调度方案也直接关系到排涝效果是否显著、河(航)道运行是否安全[3-4]。

八堡排水泵站工程利用运河二通道作为排水干河，泵站运行过程中，受泵站侧向进流影响，极易形成泡漩、乱流等影响通航安全的不良流态[5-7]，且进水口附近航道横向流速容易超标；另一方面，当泵站大流量排涝时，运河二通道航道水流条件发生变化，容易出现过高流速导致河道冲刷，影响河道建筑物安全。因此采用平面二维水力数值模拟对泵站不同运行流量下，上游不同水位组合情况下泵前航道局部流场进行模拟，提出满足泵前航道安全的水位流速相应关系，进而提出保证泵前航道安全运行的边界条件。

1 工程概况

扩大杭嘉湖南排—八堡排水泵站工程位于航运部门规划京杭运河二通道一线船闸东侧，为京杭运河沟通钱塘江第二通道的关键性节点工程，排水河道利用规划京杭运河二通道，排水口设在钱塘江北岸海塘上。工程任务是增加太湖流域水环境容量，促进杭嘉湖东部平原河网水体流动，提高向杭州湾排水能力，改善流域和杭嘉湖东部平原水环境；提高流域和区域防洪排涝和水资源配置能力，排涝设计流量200 m3/s，为大(1)型排涝泵站。

泵站上游引河中心线长1 256.1 m，包含进水口、进水明渠、进水箱涵等建筑物。进水口位于九沙大道的南侧，拟建运河二通道航道渐变段东侧。进水口轴线与上游航道轴线成32°32′9″交角。过转弯段后，轴线基本上平行于船闸航道。泵站进水池位最高运行水位3.19 m；设计运行水位1.88 m；最低运行水位，即停泵水位：0.52 m。

八堡两线船闸平行并列布置，上游引航道长505.3 m，其中导航调顺段长138 m，停泊段长367.3 m；船舶制动段长275 m。运河二通道设计最低通航水位为0.6 m，设计最高通航水位为2.4 m。泵站与船闸平面布置见图1。

图1 八堡泵站平面布置示意图Fig.1 General layout of Babao pump station

2 研究方法

2.1 模型介绍

平面二维数学模型采用基于三角形网格的有限体积模式，该模型具有网格布置灵活、局部加密方便、适用性强、能够模拟水闸、泵站等泄水建筑物等特点，已成功应用于钱塘江、瓯江口以及舟山等沿海地区的围垦和防洪排涝工程研究中，取得了一定的成果。

(1)

(2)

(3)

2.2 模型范围

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。上游范围模拟至汇合口上游1.5 km，下游模拟至泵站出口处，计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异，并对水流、地形复杂河段以及进水口附近的网格进行了局部加密，以便更好地反映该地区的水流、地形的变化特征，保证模拟精度，整个计算域内共布设21 991 个三角形单元，11 968 个节点，最小网格尺寸1 m，模型范围见图2。

图2 平面二维数学模型布置Fig.2 Layout of two-dimensional numerical model

2.3 模型边界

模型边界上游运河二通道入口为水位边界；下游泵站出口为流量边界，按照泵站不同开启台数设定。

2.4 模型验证

模型验证主要是模型计算参数的合理性，因本工程为新开河道，模型糙率参考类似泵站工程选取，并与物理模型试验相互补充验证。验证工况选取泵站进水池水位1.64 m，4台泵开启，排涝流量为200 m3/s，数模流场分布图见图3，物模流场分布见图4，流速验证结果见表1。

图3 数模计算流场分布Fig.3 Flow distribution with numerical simulation

图4 物模流场分布Fig.4 Flow distribution with physical model

从表1可以看出，数值模拟流场分布与物理模型较为接近，回流范围及大小相近。从流速值来看，流速最大相差0.06 m/s，试验成果较为接近，模型满足模拟精度要求。

表1 流速分布验证计算 m/s

3 研究成果

3.1 对航道冲刷安全的影响

八堡泵站利用运河二通道排水，泵站运行时使上游运河二通道及引河内流速增大，床面泥沙将由静止向个别动、少量动甚至大量起动、扬动转化，河床发生冲刷。随着冲刷的发生和发展，航道内水深增加，流速减缓，直至降低到与冲刷后水深条件下的泥沙起动流速相同时，冲刷达到平衡。

设冲刷发生前河床某处的垂线平均流速为V1，水深为h，床面泥沙的起动流速为Ue，极限冲刷深度为Δh，冲刷平衡情况下的垂线平均流速为V2，根据水流的连续性原理以及运河河床断面沿程相对均匀的特征，假定断面上冲刷前后单宽流量沿横断面分布的趋势不变，则有[8]：

V1h=V2(h+Δh)

(4)

根据指数流速分布公式，冲刷前床面临底y处的流速分布为：

(5)

当河床达到极限冲刷平衡时，床面临底y处的流速分布亦可写成：

(6)

由式(4)、式(5)及式(6)可得极限冲刷深度为：

(7)

河床质的起动流速可参照张瑞瑾公式(8)进行计算。

(8)

式中：Ue为起动流速，m/s；ρs为泥沙密度，本工程为2 700 kg/m3；ρ为水的容重，取1 000 kg/m3；d为泥沙粒径，取0.03 mm；h为水深，m。

泵站运行大流量且对应汇合口低水位时，上游河道冲刷较为明显，实际调度过程中，此类运行工况较难出现，或出现时间较短。文章主要以河道不冲流速为控制指标，研究泵前河道不同排涝流量时的水位流速响应关系，并提出不同排涝流量时满足航道不冲流速的安全水位，为泵站运行安全调度提供技术支撑。泵站运行流量考虑50、100、150、200 m3/s 4组情况，水位变幅从0.60～3.1 m。计算成果见表2。

表2 泵前航道水位流速响应关系表Tab.2 The response of water level and velocity near pump station

由表2可见，在泵站运行水位区间，当泵站运行50 m3/s时，航道不会产生冲刷；泵站运行100 m3/s，当汇合口水位低于0.7 m时航道开始发生冲刷；泵站运行150 m3/s，当汇合口水位低于1.6m时航道开始发生冲刷。

泵站设计排涝流量200 m3/s下运行，河道普遍冲刷。此流量下冲深和汇合口水位关系为；

Tk= -2.45ln(x) + 2.76R2=0.998

式中：Tk为冲刷深度，m；H为汇合口水位，m。

3.2 对通航安全的影响

泵前航道为京杭运河二通道，为Ⅲ级航道，按照内河通航标准(GB50139-2014)和《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)[9,10]，口门区水面平行航线的纵向流速≤2.0 m/s，垂直航线的横向流速≤0.30 m/s；制动段L4和停泊段L3水面平行航线的纵向流速≤0.5 m/s，垂直航线的横向流速≤0.15 m/s。

数学模型分别计算了泵站运行(50、100、150 m3/s)3组流量情况对应不同运河水位时的通航水流条件，计算成果表见表3。

泵站不同运行工况下的水流流态基本相似。以泵站运行50 m3/s、汇合口水位为1.6 m为例，水流流态和横向流速及纵向流速等值线分布情况见图5及图6。

由图可见，泵站运行时，船闸制动段区域内主流逐渐偏向左侧，产生横向流，泵站运行流量越大，横向流速越大。制动段右侧部分区域存在一定的回流，停泊段位于进水口下游，水流条件相对稳定。

可以看出，泵站一台机组运行50 m3/s流量，在运河二通道内最低通航水位0.6 m时，船闸口门最大纵向流速为0.34 m/s，最大横向流速为0.06 m/s；制动段最大纵向流速为0.30 m/s，最大横向流速为0.10 m/s，均满足规范要求的通航水流条件，若航道内水位抬高，则流速进一步减小，对船舶通航更为有利。因此，在通航水位区间内，1台泵站机组运行时，进水口附近航道水流条件均满足通航要求。

表3 通航调度成果表Tab.3 List of navigation scheduling results

图5 进水口附近横向流速分布Fig.5 Lateral velocity distribution near pump intakes

图6 进水口附近纵向流速分布Fig.6 Longitudinal velocity distribution near pump intakes

泵站两台机组运行100 m3/s流量，汇合口水位在0.7～1.5 m之间时，口门区最大纵向流速在0.63～0.52 m/s之间，横向流速约为0.14～0.11 m/s，仍可以满足口门段的通航水流要求；而制动段最大纵向流速在0.51～0.40 m/s之间，横向流速约为0.18～0.15 m/s，不能满足制动段通航水流要求。因此，当2台机组运行时，只有当汇合口水位大于1.5 m时，才能同时满足口门区及制动段的通航水流条件要求。

泵站三台机组运行150 m3/s流量，当汇合口水位在1.6～3.4 m之间时，口门区最大纵向流速在0.67～0.50 m/s之间，横向流速约为0.15～0.13 m/s，口门区水流条件仍能满足规范要求；但制动段最大纵向流速在0.56～0.41 m/s之间，横向流速可达0.20～0.15 m/s，不能满足制动段通航水流条件要求。3台机组运行时，满足通航要求所需要的水位为3.4 m，远高于运河二通道内最高通航水位2.4 m，故3台机组运行时，汇合口航道水流条件不能满足规范要求。