城镇排涝泵闸计算分析与设计

2023-08-28周嬴涛王为群王一凡周雨晨

水利水电快报 2023年7期

周嬴涛王为群王一凡周雨晨

摘要：小型排涝泵闸作为城镇引水调度和防洪排涝的关键工程，承担沟通内外河水系的重要功能。为研究小型排涝泵闸的选址和选型，并基于此开展城镇排涝泵闸的设计工作，以江苏省江阴市青阳泵闸迁改建工程为例，首先进行了水动力数学模型计算，分析了拟建闸站在不同工况组合下引水和排涝时的水位及流速分布情况，根据分析结果进行选址；进而通过结构计算确定泵闸各段的结构尺寸，梳理了整体设计思路。结果表明：水闸的选址合理，引水期过流时对上下游河床稳定无影响；排涝期间泵站流量满足片区规划要求，且不会对下游河床造成冲刷；厂房整体布置合理，与周边建筑物形式协调，交通可与现有道路顺畅连接。研究成果为城镇地区小型泵闸建设提供了参考。

关键词：泵闸；防洪排涝；数值模拟；青阳泵闸

中图法分类号：TV66

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.009

文章编号：1006-0081（2023）07-0056-07

0 引言

泵閘是治理水患与内涝的重要水利设施，在汛期增强防洪排涝能力，对于缓解区域防汛压力有重要的作用［1］。小型排涝泵闸作为城镇排涝工程的关键部分，承担着沟通内外河道水系的重要任务。但泵闸的设计与建设又是一项系统化、专业化的工作。因此，在开展城镇排涝泵闸的设计工作时，要综合考虑该节点工程在整个防洪排涝片区中起到的作用，对泵闸的规模进行论证，并在此基础上进行选址和水力结构计算，必要时还应进行物理模型实验和数值模拟分析［2-4］。

本文以江苏省江阴市青阳泵闸的迁改建工程为例，总结了在城镇区域泵闸的选址和选型要点，梳理了设计的计算分析步骤，在此基础上提出了切实可行的设计方案，为城镇地区的小型泵闸建设提供了有益参考。

1 工程区域及特点

青阳泵闸迁改建工程位于锡澄运河江阴段荷花浜支流，原址闸站建于2009年，距锡澄运河仅150 m，作为镇区联圩的一部分，承担主城区的防洪排涝和引换水功能。在非汛期，通过该闸门引锡澄运河水对圩区内水体进行交换；在汛期，通过水泵向下游锡澄运河排水，降低内涝风险。由于当地粮库项目的规划筹建，需将原闸站向上游平移一段距离后新建（图1）。

工程区域汛期为每年的5～9月，主汛期为6～7月；非汛期为10月至翌年4月。由于长江口潮汐影响，当潮波从长江口向上游传播时，受地形阻力和径流下泄的影响，潮差向上游递减，涨潮历时缩短，落潮历时延长。该地平均高潮位分别为4.04 m和4.75 m，多年平均低潮位为2.41 m，平均潮差为1.63 m。拟建场地地貌可进一步细化为太湖水网平原中的圩区平原地貌类型，经地质勘探，拟建场地50 m范围内主要由饱和的黏性土、粉性土组成，属第四纪松散沉积物。场地浅部除素填土及淤泥力学性质较差外，其余土层均相对较好，对天然地基沉降控制有利，深部土层分布较稳定（图2）。

2 工程选址

锡澄运河作为长江支流，北起长江，南交于大运河（高桥），属于区域性一级河道，长度38.93 km，平均河宽60 m，是主要的通江航道。原闸站是镇区联圩水利片区防洪排涝体系的关键节点，承担着镇区范围约1 066.67 hm2（16 000亩）的排涝任务，且距离涝水排江的主通道——锡澄运河距离仅150 m，易受到长江口涨落潮影响。

由于镇区粮库扩建，将在原站址处修建粮库码头，需将原排涝闸站向上游平移一段距离后重建，且规模不小于原闸站。该河道向上游处存在线性拐弯和分汊，因此选择合适的站址尤为重要，既要保证进出水流平稳，又要满足规范要求，减小对上下游的河道冲刷影响。在充分考虑河势稳定的基础上，将闸站设置在距锡澄运河河口310 m处。该位置河道线行平顺，且距离上游分汊河道大于80 m，满足GB 50265-2010《泵站设计规范》中直线段大于5倍水闸进口处水面宽度的要求。依据镇区水系规划，该防洪片区内水面率5%左右，排涝流量达到49.0 m3/s，排涝模数为3.22 m3/（s·km2）。泵闸的外河设计水位依据小青阳排涝站水位进行频率分析选取，内河设计水位则参照当地实际数据选取；外河考虑三级堤防堤顶安全超高，泵闸外河侧闸顶高程为6.00～6.50 m，满足水系规划要求；内河考虑安全超高并与现状挡墙顺接，堤顶高程取5.50～5.00 m（均为吴淞高程）。基于改建后不小于原有泵站规模且能适应片区防洪排涝需求，确定本新建工程的水泵设计流量为10 m3/s，水闸设计流量约45 m3/s；该河道不考虑通航，设计闸门宽度6 m，闸门型式为升卧门，可通过调节开度控制过流流量。在确定泵闸各部结构尺寸之前，应当对整体区域进行流态建模分析，并对泵房和闸室各部分进行模拟计算。

3 计算方法与模型设置

3.1 水力结构计算方法

对泵站进行设计时，主要参数为设计流量与设计扬程；该工程排涝流量根据20 a一遇最大 24 h 降雨确保每个时段（以 1 h 为一时段）骨干河道水位不超过控制水位进行设计；设计扬程取外河与内河设计水位之差，各种排涝扬程则由不同设计水位组合确定；对泵站结构进行设计，主要内容为前池、进水池、出水池尺寸的确定以及泵房尺寸和站身稳定计算。具体计算内容及公式详见GB 50265-2010《泵站设计规范》、SL 265-2016《水闸设计规范》及《水闸设计》［5］。

对水闸闸室进行设计时，根据 SL 265-2016《水闸设计规范》，首先要进行水力计算。其内容主要有闸孔总净宽计算、闸门控制方式拟定、消能防冲、防渗布置等计算；水力计算完成后，需对水闸结构强度及稳定性进行分析。通过对不同工况下闸墩、底板等结构的应力计算结果分析，以及对水闸的整体稳定验算，最终确定结构尺寸。

对于关键位置的枢纽泵闸，还要根据其不同水位下的排涝和引水设定工况，进行物理模型实验和数值模拟研究，分析其结构区域内的流态变化，为结构尺寸的确定提供参考。

3.2 数学模型介绍

本工程在拟定泵闸基本型式后，对泵闸的引水和排涝工况进行了数值模拟计算，以此判断不同引水排涝组合过流条件对上下游河床的影响，作为结构计算的重要参考。

本文利用Delft3D-FLOW进行数值模拟研究［6-7］。

3.3 数学模型设置

模型网格根据尺寸分为大、小两套，大模型范围包含荷花浜和锡澄运河，用于计算锡澄运河及张塘浜河道二维水动力场，网格精度为1 m×1 m，计算各设计工况下泵闸前后二维水动力场；小模型范围包括设计泵闸及上游河道直线段30 m及下游直线段80 m，网格精度0.1 m×0.1 m。模型均采用笛卡尔坐标系，设计东向为x向，北向为y向。

模型采用高分辨率矩形网格，地形及网格如图3所示。在计算域中，地形采用吴淞高程系下的实测数据。模型的时间步长决定计算收敛性，本模型试验取值0.05，渠底摩擦系数取0.035，设置流量和水位边界条件，模型采用冷启动。沿锡澄运河河道底坡约2.85×10-5。模型水深见图3。

新建泵闸在换水期打开闸门，引入锡澄运河河水对圩区内河道进行活水交换；汛期关闭闸门，利用水泵向锡澄运河侧排水，涝水经定波枢纽向北排入长江。模型采用不同水位和流量条件进行组合驱动。基于水文年鉴，江阴站7月水位最高，因此模型采用2014年7月历时潮位实测数据作为大网格地形下锡澄运河边界条件（图4），模型工况组次及相应边界条件设定见表1。

模型分别就大小两套网格范围的新建泵闸附近水动力环境进行数值模拟研究，分析泵闸前后在不同工况下的水位、流速变化情况，对新建泵闸后河道的二维水动力要素和水流冲刷条件进行研究。大模型在新建闸室中部闸门处设置监测点A，提取模型稳定后的水位、流速进行分析；小模型则对稳定后的二维流场进行分析。

4 计算结果及分析

4.1 水力及结构计算

由水力及结构计算结果，水闸最大过闸流量为87.92 m3/s。但考虑到水闸内河过流能力有限制，因此需控制开启度。如遇到必须全开的特殊情况，则待上下游水位差进一步缩小后进行。根据消能防冲计算成果并结合类似工程经验，本次设计外河消力池长度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防冲槽4 m，海漫长度15 m。内河进水池（消力池）长度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防冲槽4 m，与内河衔接段进水池7.6 m，海漫长度15 m。

4.2 整体水位、流场分析

在引水工况下，外河侧水位高，将上游锡澄运河来流以明渠的水位流量关系概化成流量边界条件，内河分别对应设置引水工况1、引水工况2的相应内河水位条件。模型选取7月1～10日的模拟結果进行展示，可见在各工况下，闸门处水位也呈现不规则半日潮型。水位差在模型初始较大，高低水位间差值近1 m，可以看做是闸门全开的瞬间所能达到的水位差值。模型稳定后，各组工况的水位差在0.3 m左右。引水条件下的两种工况水位区别明显，引水工况1由于内河水位高于引水工况2，其在闸室内的平均水位较高，较工况2的平均水位高0.3 m，但两种引水工况下水位变化的绝对值有限，均小于0.5 m。就大模型闸室监测点的流速分布情况来看，引水工况下，模型稳定后闸室内流速峰值在0.8 m/s左右，从垂向平均的二维流场分布情况来看，大流速主要集中在上游闸室首端，流速超过1.0 m/s，但由于闸室及前后消力池经钢筋混凝土底板硬化处理，在泵闸钢筋混凝土结构外的河道整体流速小于0.5 m/s，小于河道的不冲流速，因此泵闸新建对上下游河道底床冲刷有限，并可进一步通过控制闸门开度来减小闸室前后的区域流速（图5）。

4.3 泵闸附近流场分析

小模型在排涝工况时，设置泵闸出水口为入流流量边界条件，下游东侧边界为固定水位边界条件；引水工况时，设置闸室下游西侧边界为入流流量边界条件，上游东侧边界为固定水位边界条件，因模型设定常边界条件，故模拟结果稳定后，水位流速是恒定的。从二维流场分布特征来看，排涝工况下，河道流速自东边界泵站以2.5 m3/s的下泄流量向西排除涝水，泵站出水池流速最大，达0.5 m/s，但在进入下游河道前流速已低于0.3 m/s，可见排涝工况下泵机排水对下游影响不大，流速不会引起河床冲刷；引水工况下，河道流速自西向东，闸室内流速达到2.0 m/s，闸室下游（西侧）进口处流速虽有集中，但均小于1.0 m/s，闸室上游末端（闸室东侧）的流速变化范围较进水侧（闸室西侧）大，但流速大于1.0 m/s的分布范围均在泵闸结构范围内，在东侧消力池流速逐渐减小至0.3 m/s以下，因而对泵闸结构外的河道底床影响不大。闸室东侧末端出流口由于断面增大，导致出水池范围内存在环流，但整体流速较小，对环境影响不大。由于引水工况2闸门上下游水位差达2.20 m，闸门全开将导致河床上游的中心河底局部存在冲刷风险，因此需要调整闸门开度，通过控制闸门过流流量使得河道流速小于河道不冲流速，避免产生河道冲刷（图6）。

5 金属结构选型与结构设计

根据工程规模和水位组合，初步选用4台立式轴流泵，设计总流量10 m3/s，根据工程场址和泵型，考虑采用“泵+闸”的布置方式。考虑征地拆迁范围及进场交通条件，计划将管理区布置在河道北侧，为方便管理，泵站布置在北侧，水闸布置在南侧，见图7（a）。

泵房布置在河道北侧，泵站设4台单机流量为2.5 m3/s的立式轴流泵，主要功能为排涝。

泵站从内河往外河依次为内河防冲槽、内河海漫段、进水池连接段、进水池、泵房、出水池、出水池连接段、外河海漫段、外河防冲槽。泵站顺水流方向布置的总长度为67.0 m，垂直水流方向总长为16.4 m。泵房底板顺水流方向长度为16.5 m，水泵机组间距为3.80 m，流道底板高程为0，站身上部设厂房，厂房吊机轨道梁顶面高程为14.70 m，为便于机组的安装和检修操作运行，厂房内设可移动式的16/3T电动单梁桥式起重机，直接通入泵站南侧的检修间，见图7（b）。

节制闸布置在河道南侧，闸首口门净宽为6 m，底板顺水流方向长度为13.00 m，底板面高程0，底槛面高程0.50 m。内河消力池长为8.0 m，外河消力池为8.0 m。门型采用排架低、抗震效果好的升卧门，启闭设备采用卷扬启闭机，见图7（c）。

外河海漫段布置在外河消力池外侧，长度15 m，海漫顶高程为-0.50～0.50 m，末端设4 m宽的抛石防冲槽；内河海漫段长15 m，海漫顶高程为-0.50～0.50 m。内、外河侧海漫段均采用300 mm厚C25素混凝土护底。泵闸整体设计外观效果如图8所示。

6 结论

城镇排涝泵闸的设计不仅要满足片区规划要求，还要尽量减少对上下游河道的影响，同时，泵站本身的厂区布置与建筑外形也应与周边的建筑风格相统一。本文以江苏省江阴市青阳泵闸的迁改建为例，总结了城镇区域泵闸的选址和选型要点，梳理了计算分析步骤，在此基础上提出了切实可行的设计方案，主要结论如下：

（1）泵闸的选址需进行充分论证，应充分考虑进出口流态稳定和河势稳定，在保证防洪排涝功能的前提下尽量避免对流域水环境产生影响。

（2）泵闸的结构设计需以切实可靠的计算结果为依据，对于小型泵闸，可根据规范公式对泵闸每部分结构尺寸逐个进行计算，对于过流流量应通过数值模拟实验复核其不同工况下对河势稳定的影响；对于大中型或关键枢纽泵闸，应考虑整体建模，并通过物理模型试验和数值模拟对进行流态分析。

（3）泵闸是重要防洪排涝节点，也是系统性专业性较强的工程，在进行方案设计时不仅在水工结构方面需要仔细研究，其上部建筑、厂区绿化、电气、给排水等也需要统筹考虑。

参考文献：

［1］孫长华.平原地区泵闸设计过程中的常见问题与解决策略分析［J］.长江技术经济，2021，5（增1）：38-40.

［2］潘飞.物模与数模相结合的泵闸结构优化研究［J］.中国水运（下半月），2020，20（6）：80-82，87.

［3］陈伟.一体化泵闸水力优化数值模拟研究［D］.扬州：扬州大学，2021.

［4］何斌，张燎军，王春树，等.基于ANSYS的水闸可视化分析系统研究［J］.水电能源科学，2005（2）：96-98，10.