感潮河段支流口门枢纽布置方法研究

李寿千，朱明成，朱 昊，杭 丹，陆永军

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.江苏省太湖治理工程建设管理局，江苏 常州 213001)

水资源分布不均匀及水质恶化导致水问题突出，使得实施跨流域调水工程十分紧迫。水利枢纽作为调水工程的控制工程，通常节制闸、泵站、船闸合建，兼备引水、防洪、通航等多功能，其科学合理的平面布置决定了调水工程效益的充分发挥[1]。平原地区的多功能枢纽，闸站通常合建布置，与分建布置相比，枢纽建筑物布置更为紧凑，减小占地面积；泵站水闸的基础相连，大幅降低工程造价，且方便管理，达到一站多用的目的[2]。闸站合建布置通常根据河势、功能、水流条件分为平面不对称布置，平面对称布置，及立面分层布置，其中平面不对称布置适用于泵站规模较大的枢纽布置中，平面对称布置适合于水闸引排为主兼具开闸通航功能的枢纽，立面分层布置适用于规模较小的水利枢纽或者双向引排的枢纽[3]。闸站合建布置尽管节省了投资，但闸站单独运行时，受布置与结构的限制将出现主流偏折，闸前产生横向流速和回流等不良流态，降低过闸能力及泵站抽水效率[4]。因此，闸站布置的研究主要集中于枢纽的进流特征及其改善措施，不少学者进行了有益的探索[5-8]，基本的共识为重视闸站结合部导流墙的设计，导流墙虽不能彻底消除闸前回流，但可调整回流区位置及大小，减小对水闸泄流的影响；加强泵站前池的设计，前池进流条件应尽可能顺应上游水流态势，并配合相应的整流措施，保证前池水流均匀正向进入泵室。若枢纽具有通航要求时，其平面布置更加复杂[9-10]，为保证通航运行安全，枢纽尽可能远离主河道，船闸通常与闸站进行分离式的布置，如望虞河常熟水利枢纽闸站对称结合布置及船闸分离布置[11]和泰州引江河高港枢纽[12]闸站非对称结合布置及船闸分离布置。

近来跨流域调水需求迫切及征地问题突出，使得感潮河段支流近口门区水利枢纽需考虑节制闸、泵站、船闸合建布置，其相关技术问题亟待解决。感潮河段水位流速实时变化，涨落潮历时不对称，特别是土地使用受限条件下其支流口门枢纽离主河道较近时，枢纽外江侧水流受到主河道涨落潮牵制作用，水流问题复杂，引水、排涝及通航协调困难。本研究以新孟河延伸拓浚工程的界牌水利枢纽为例，根据感潮河段支流口门多功能枢纽水动力特征，总结其存在问题，并提出该类枢纽的布置原则，为该类枢纽的建设运行提供依据。

1 基本情况

新孟河为长江扬中河段太平洲右汊支流，于蒲河和小夹江之间入江。界牌水利枢纽位于新孟河入江口门处（如图1），为新孟河延伸拓浚工程的引排水关键控制性枢纽。扬中河段为长江下游感潮河段，位于潮流界的末端，同时受到径流和潮汐的影响。太平洲左汊是主汊，江宽水深，多年来分流比维持在90%左右，右汊是支汊，窄浅而弯曲。扬中河段潮型属非正规半日浅海潮，一天中有两涨两落。每日涨潮历时超过3 h，落潮历时超过8 h，枯期因长江径流流量较小，河段内会出现涨潮流，即发生双向流，汛期径流流量较大，河段内基本上不出现涨潮流，只有落潮流，即呈单向流[13]。

图1 扬中河段河势及界牌枢纽布置Fig.1 The river regime of Yangzhong Reach and the layout of Jiepai Junction

界牌水利枢纽工程节制闸、泵站、船闸合建，为防洪、排涝、引水和通航多功能枢纽。新孟河整体斜向入江，与大夹江呈57.8°的夹角，界牌枢纽位于离入江口700 m 处，外江侧口门宽度320 m。节制闸正对于主河道，泵站布置于大夹江侧，船闸布置于蒲河侧，闸站之间两侧设有导流墙，引航道两侧口门区均设有导航墙。节制闸双向引排，总净宽80 m，设计流量为745 m3/s；泵站亦双向引排，泵房宽度100 m，设计流量为300 m3/s；船闸等级为Ⅵ级，闸室尺度为16 m×180 m。

2 枢纽水动力特征及存在问题

采用物理模型研究枢纽现状闸址条件下的整体水流条件，同时采用数学模型研究不同闸址条件下的整体水流条件，模型的建立、验证及枢纽整体水流条件详见文献[14]，总结主要水动力特征及存在问题如下：落潮引水为枢纽运行常态工况，堤头水流平稳分流进入引河，受闸站间隔流墩遮蔽作用，节制闸进口水流分布不均匀，设计引水工况下，最左侧闸孔平均流速为0.5 m/s，最右侧闸孔平均流速1.5 m/s；落潮排水工况下，受到堤头挑流作用，水流以较大的夹角与大夹江汇合，对大夹江顶冲明显，设计排水工况下，可顶冲深入大夹江240 m 范围；涨潮引水工况下，受堤头的挑流作用，船闸引航道口门区表面横流超标，设计引水工况下达0.5 m/s，同时受到闸站间隔流墩遮蔽作用，泵站进口处流速分布不均匀，设计引水工况下，最左侧闸孔平均流速为0.34 m/s，其临近闸孔平均流速0.53 m/s；涨潮排水工况，水流以较小的夹角与大夹江汇合，整体水流平顺。

总体而言，枢纽外江侧口门开敞，引排水受涨落潮牵制明显，致使入江口堤头凸出挑流，泵站、节制闸进口及引航道口门区存在斜流；而枢纽内河侧边界固定，且节制闸正对引河，引航道处于遮蔽区，引排水流平顺；枢纽引水、排涝、通航等多功能协调困难。

3 枢纽布置原则

根据上述枢纽整体水流条件，提出感潮河段多功能枢纽整体布置原则，包括引河口门与主河道的夹角，枢纽离主河道的距离，泵站、节制闸及船闸相互位置，入江口堤头形式。

3.1 引河口门与主河道的夹角

引河纵轴线与主河道纵轴线的夹角定义为引河与主河道的夹角，取决于大夹江水流河势条件及枢纽主要功能发挥，为二者综合协调的结果，同时夹角的确定可参考附近自然条件形成支流河口的河势。

大夹江为感潮河段，涨落潮历时不对称，新孟河主体功能为节制闸自引水，涨落潮情形下引水发生的概率分别为TF/(TF+TE)及 TE/(TF+TE)，其中TF为涨潮历时，TE为落潮历时。为尽量保持引河水流平顺及河势稳定，涨潮引水引河与主河道的夹角宜大于90°，落潮引水引河与主河道的夹角宜小于90°，综合角度取决于二者的相对比例TE/TF，可表示为：

显然，涨潮历时大于落潮历时情形下，夹角为钝角；涨潮历时等于落潮历时时，枢纽呈正交布置；涨潮历时小于落潮历时情形下，夹角为锐角。感潮河段属于第三种情形，因此夹角为锐角。

引河入江口下游侧即为小夹江入江口，而小夹江入江口门平面形态及整体河势是由大夹江长期涨落潮动力及泥沙条件下自然塑造的，为当地水动力与泥沙相互作用和适应的结果，代表大夹江水动力及泥沙条件下，支流口门最为适宜和稳定的形态和河势，对新开引河入江口门与主河道夹角的确定具有重要的参考意义。新孟河入江口门夹角应最大程度地尊重自然态势，尽可能保持与邻近小夹江口门平行布置，有利于入江口区引水条件协调及河势的长期稳定。现设计方案新孟河入江口门与大夹江的夹角为57.8°（图1），呈锐角，且平面形态基本与小夹江平行，符合上述两条原则，说明入江口门夹角布置合适。

3.2 枢纽离江边距离

枢纽轴线离主河道岸边的距离定义为枢纽离江边的距离，在引河口门与主河道夹角确定的前提下，进一步确定枢纽离江边距离。枢纽受到用地条件的限制，目前离江边距离为700 m，为河宽（B=320 m）的2.2 倍，口门开敞，外江侧水流受到夹江牵制作用明显，落潮节制闸引水时，隔流墩头部斜流严重，导致节制闸靠泵站侧边孔位于回流区，影响过流能力；同时涨潮泵站及节制闸引水时，外江侧导航墙头部存在折冲水流，引航道口门区横流超标，枢纽各个功能协调存在着困难。采用数学模型来研究枢纽离江边不同距离时水流条件。

数学模型计算方案为枢纽在离江现状距离的基础上前进100 m、后退100 m、后退1 000 m 布置，即枢纽离江边600 m（1.9B），800 m（2.5B）及1 700 m（5.3B）布置。节制闸前断面流速分布如图2（a）所示，其中x1为离隔流墩距离，b1为节制闸的宽度，可见由于落潮引水时水流沿泵站侧岸壁而下，隔流墩头部依然存在横流，流态无本质改善，尽管随着枢纽离江边距离的增加，水流朝着口门中心有所扩散，隔流墩头部横流有减弱的趋势，由于泵站所阻塞的主流流带宽度较大，横流减弱不明显。外江侧导航墙头部表面横流分布如图2（b）所示，其中x2为离导航墙头部距离，b2为船闸宽度，可见由于涨潮引水时主流仍贴节制闸侧岸壁而下，导航墙处依然存在折冲水流，而横流超标，流态无本质改善。随着枢纽离江边距离的增加，水流逐渐朝口门中心扩散，流速分布趋于均匀，由于引航道遮蔽流带宽度较窄，导航墙头部的横流有所减小，当枢纽离江1 700 m（5.3B）时，与原方案比，口门区表面横流由0.70 m/s 减小至0.37 m/s。

图2 枢纽离江不同距离条件下水流条件Fig.2 Branch mouth flow characteristics with different distances between the junction and the main river

因此，节制闸、泵站及引航道均开敞布置条件下，尽管枢纽远离江边具有一定的减弱节制闸堤头斜流及引航道口门区横流趋势，但并没有从本质上改善不良流态。枢纽离江边具有足够空间距离的条件，考虑泵站侧及船闸侧岸壁均向河推进，缩窄口门区，引河正对主河道，泵站及引航道均处于遮蔽区，从本质上改善不良流态（图3）。

对于界牌枢纽，由于受到用地的限制，枢纽外江侧不具备遮蔽型布置的条件，外江侧不良流态需要局部工程措施来解决，比如外江侧堤头透空以消弱横流，节制闸进口处增设整流墩来消弱横流等，具体措施需要根据模型试验来确定。

图3 枢纽外江侧泵站及引航道遮蔽型布置Fig.3 A shaded layout of the pumping station and approach channel at branch mouth

3.3 泵站、节制闸及船闸相对位置

在引河口门与主河道夹角及枢纽离入江口距离确定的前提下，需要根据枢纽的整体水动力条件及枢纽的主体功能确定泵站、节制闸及船闸的相互平面位置。

界牌水利枢纽的主体功能为落潮情形下节制闸引水，且节制闸引水主要以自引水为主，因此节制闸应正对引河布置，使得水流进入引河后直往前行，减小阻力，最大程度满足引水功能。在界牌枢纽常态运行工况即落潮节制闸引水情形下，引水分流后沿泵站侧岸壁前行，至泵站前折冲进入节制闸，引水主流趋于泵站侧岸壁，外江侧引航道口门区远离引水主流而为缓流区，水流出节制闸后，正对主河道直往前行，内河侧引航道口门区位于主流遮蔽区，通航水流条件较好，因此船闸宜布置在引河左侧堤岸，协调通航功能。在此基础上，为避免泵站进出流对船闸引航道通航水流条件的影响，同时考虑到泵站进出流与引河衔接时尽量避免较大的转角，泵站宜布置在节制闸的另外一侧。目前界牌枢纽节制闸、泵站、船闸的布置符合上述原则，相对位置布置合理。

3.4 入江口堤头形状

在枢纽整体平面布置确定的前提下，入江口堤头形状需要重点关注。由于引河口门与主河道呈锐角状态，使得常态落潮引水水流平顺，然而在落潮排水情形下挑流严重，水流直接顶冲大夹江，随后较大的角度折冲转向，向下游行进，落潮排水功能协调困难。

小夹江下游侧堤头形态是在大夹江涨落潮动力及泥沙条件下自然塑造形成的，是适应各种水沙条件最为稳定的形态。小夹江入江口上、下游堤头形态如图4 所示，上游堤头为钝角，坡度较陡峭；而下游堤头为锐角且呈现梯级形式，下梯级角度约30°，而上梯级角度大于90°，下梯级锐角可以保证长时间落潮引水水流在下游侧堤头处平稳分流，而上梯级钝角主要保证短时间洪水落潮时平顺排江，同时兼顾短时间涨潮引水水流平顺入引江，对新孟河入江口下游侧堤头的形态布置具有重要的借鉴意义。

新孟河入江口与主河道间堤头形态目前为锐角布置，堤头斜坡坡度为1:3，按照上述原则，堤头设置为梯级布置，中水位2 m 以上部分保持坡度不变后退50 m 形成上梯级，中水位2 m 以下部分堤头坡脚线保持不变，坡度减缓与上梯级坡脚线衔接形成下梯级（图4）。

图4 入江口下游侧堤头形态Fig.4 The shape of the lower embankment head at branch mouth

4 结 语

感潮河段支流口门枢纽外江侧口门开敞，引排水受涨落潮牵制明显，致使入江口堤头凸出挑流，泵站、节制闸进口及引航道口门区存在斜流；而枢纽内河侧边界固定，且节制闸正对引河，引航道处于遮蔽区，引排水流平顺。枢纽整体布置遵循以下方法：新开引河口门区与主河道呈锐角布置，具体角度取决于涨落潮历时对比，协调引水功能；引河与主河道之间堤头形态呈梯级布置，下梯级为锐角，上梯级为钝角，协调排水功能；节制闸正对引河布置，船闸布置在节制闸常态缓流区侧，泵站布置在节制闸另一侧，重点协调通航功能；在场地空间不受限情形下，枢纽尽可能远离口门区，使泵站和引航道位于岸线遮蔽区，减弱泵站进口、节制闸进口及引航道口门区不良流态，协调枢纽各功能充分发挥。