張 婧，陸 倩，田利勇

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

1 工程概況

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，城區(qū)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原有的水利設(shè)施已經(jīng)不能滿足城市化地區(qū)的防洪除澇要求。同時(shí)，人們對(duì)生態(tài)景觀環(huán)境要求逐漸提高，河道水體不暢、置換能力不強(qiáng)的矛盾日益突出。在綜合解決城市河道防洪除澇、引水調(diào)度以及改善水生態(tài)環(huán)境等問題中，泵閘樞紐承擔(dān)著重要的作用。

閘站合建樞紐具備布置緊湊、占地面積小等優(yōu)勢(shì)，在城市水利建設(shè)中得到了迅速推廣，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但閘站合建容易造成樞紐口門區(qū)域水流流態(tài)的復(fù)雜化，尤其是對(duì)有通航要求的河道，水閘或泵站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，閘下主流寬度和天然河道出流相比大大縮小，流速分布不均勻，水流難以通過(guò)自身的調(diào)整充分?jǐn)U散，往往在口門附近航道內(nèi)產(chǎn)生較大的橫向流速，影響通航安全[1-2]。

本文結(jié)合工程實(shí)例，利用二維水流數(shù)值模型，對(duì)泵閘樞紐的口門區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，研究口門流態(tài)的改善措施，避免泵閘運(yùn)行對(duì)周邊口門區(qū)域船舶的通航影響，為類似工程提供參考。

本文以上海某泵閘為例，泵站排澇流量90 m3/s，節(jié)制閘凈寬30 m，采用“閘+泵+閘”的閘站布置型式，閘底高程為-1.0 m，引排雙向功能，規(guī)劃最大排澇流量為285 m3/s，規(guī)劃最大引水流量為183.9 m3/s。考慮工程施工、投資及對(duì)長(zhǎng)江側(cè)碼頭的影響，該泵閘選址于河道出長(zhǎng)江口預(yù)留口門處。泵閘布置見圖1。

圖1 工程布置圖（單位：m）

距離節(jié)制閘口門約300 m處，垂直河道方向布置有糧油倉(cāng)庫(kù)內(nèi)河碼頭港池，船舶出港時(shí)需要橫穿內(nèi)河，泵閘的運(yùn)行勢(shì)必會(huì)在交叉口處產(chǎn)生一定橫流，給船舶進(jìn)出港帶來(lái)影響。根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 305—2001）表 5.3.2，該段航道為Ⅳ級(jí)航道，對(duì)應(yīng)橫流限值為0.3 m/s。

2 模型建立、驗(yàn)證及計(jì)算

建立工程海域二維平面水流數(shù)學(xué)模型，模型范圍基本以工程區(qū)域?yàn)橹行?，向上下游各延? km，通過(guò)控制閘門開啟度，控制過(guò)閘流量，計(jì)算分析不同工況下泵閘運(yùn)行對(duì)內(nèi)河港池的影響，見表1。

表1 數(shù)模計(jì)算工況組合

計(jì)算結(jié)果顯示：（1）節(jié)制閘排澇工況條件下，T形區(qū)最大橫流流速達(dá)到0.61～0.78 m，超過(guò)橫向流速控制要求；（2）節(jié)制閘引水工況條件下，T形區(qū)最大橫流流速達(dá)到0.41～0.45 m，超過(guò)0.3m橫向流速控制要求；（3）泵站排澇工況條件下，T形區(qū)最大橫流流速為0.26～0.32 m，基本在最大橫向流速允許范圍內(nèi)。

該泵閘為雙向引排水樞紐，日常運(yùn)行以引水調(diào)度為主，考慮通航水位下泵閘的排澇工況較少發(fā)生，且排澇期間，內(nèi)河航運(yùn)應(yīng)服從區(qū)域防洪除澇統(tǒng)一調(diào)度，因此，以下主要針對(duì)引水工況下的內(nèi)河航運(yùn)條件改善進(jìn)行措施分析。

3 整治前通航水流條件分析

表2給出了泵閘各引水工況下的計(jì)算結(jié)果，工況1流速相對(duì)較大，圖2給出了工況1的T型區(qū)流速等值線分布情況，可以看出：

表2 整治前內(nèi)河T形區(qū)最大橫流速及控制過(guò)閘流量統(tǒng)計(jì)表

圖2 工況1下T形區(qū)流速等值線分布圖

（1）節(jié)制閘引水工況下，兩側(cè)對(duì)應(yīng)閘門的區(qū)域流速最大，T形區(qū)最大橫流流速達(dá)到0.41～0.45 m/s，不滿足規(guī)范要求。在通航期間，需對(duì)引水流量進(jìn)行適當(dāng)控制。

（2）通過(guò)調(diào)整閘門開度控制過(guò)閘流量，使T形區(qū)最大橫流流速不超過(guò)0.3 m/s，泵閘引水調(diào)度功能損失在35%～42%之間。

4 內(nèi)河整流措施設(shè)計(jì)

為使泵閘引水調(diào)度功能得到充分發(fā)揮，減小泵閘日常引水調(diào)度對(duì)進(jìn)出港船舶通航的影響，初步擬定了設(shè)導(dǎo)流墩和增大過(guò)水?dāng)嗝鎯煞N方案[3]，分別從增加水流的均勻性和減小斷面平均流速角度，改善泵閘口門區(qū)域水流流態(tài)?？紤]工況1的水流條件較為惡劣，以下選擇工況1作為引水典型工況進(jìn)行研究分析。

4.1 增設(shè)導(dǎo)流墩方案

流速不均勻系數(shù)反映流速沿?cái)嗝娣植嫉木鶆蛐訹1]。在相同流量和過(guò)水?dāng)嗝鏃l件下，外河入口斷面流速分布越均勻，流速也將越小。流速的不均勻系數(shù)η定義為斷面垂線平均最大和最小流速差與該斷面平均流速的比值，即：

式中：vmax為斷面垂線平均最大流速；vmin為斷面垂線平均最小流速；vˉ為斷面平均流速。

在內(nèi)河海漫段布置導(dǎo)流墩墻，減小T形區(qū)的流速不均勻系數(shù)。分別設(shè)計(jì)了直線型布置、眉型布置和花瓣型布置導(dǎo)流墩墻（布置見圖3）。

圖3 導(dǎo)流墩墻平面布置圖

（1）直線型布置導(dǎo)流墩：在內(nèi)河海漫中段設(shè)兩排導(dǎo)流圓墩，與兩側(cè)閘門相對(duì)，呈直線型布置，距離閘門約120 m，墩直徑0.6 m，中心距2 m，兩側(cè)各布置15個(gè)，共計(jì)30個(gè)導(dǎo)流墩。

（2）眉型布置導(dǎo)流墩：在內(nèi)河海漫中段設(shè)兩排導(dǎo)流圓墩，與兩側(cè)閘門相對(duì)，呈眉型布置，距離閘門約 135 m，墩直徑 0.8 m，中心距2～5 m，兩側(cè)各布置16個(gè)，共計(jì)32個(gè)導(dǎo)流墩。

（3）花瓣型布置導(dǎo)流墩墻：在內(nèi)河兩側(cè)消力池前設(shè)兩組導(dǎo)流墩墻，呈花瓣型布置，距離閘門約85m，導(dǎo)流墩寬 0.5 m，長(zhǎng) 12.3～16.9 m，間距 3～4 m，兩側(cè)各布置5個(gè)，共10個(gè)導(dǎo)流墩。

引水典型工況下，模擬計(jì)算三種導(dǎo)流墩布置方案的流場(chǎng)。在T形區(qū)取觀測(cè)斷面（見圖4），斷面設(shè)13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)間距10 m，統(tǒng)計(jì)斷面上的流速分布情況，三種導(dǎo)流墩布置方案，觀測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布見圖5。

圖4 T形區(qū)取觀測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)分布圖

圖5 整流前后觀測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布圖

可以看出，三種方案對(duì)均勻內(nèi)河流速、減小T形區(qū)橫流均有一定的作用。直線型、眉型和花瓣型布置，對(duì)應(yīng)T形區(qū)最大橫流流速分別為0.39 m/s、0.35 m/s和0.36 m/s。直線型與眉型布置的流速分布特點(diǎn)與無(wú)整流措施時(shí)相同，兩側(cè)對(duì)應(yīng)閘門區(qū)域流速最大，而花瓣型布置則改變了原來(lái)的流速分布特點(diǎn)，水流向河道中心集中。總的來(lái)說(shuō)，眉型布置方案效果最佳，但最大流速仍超過(guò)橫流限值。究其原因在于過(guò)水?dāng)嗝娌蛔?，?jīng)過(guò)測(cè)算，過(guò)閘設(shè)計(jì)流量均攤至河道過(guò)水?dāng)嗝嫔?，平均流速約0.30 m/s，已達(dá)規(guī)范允許值，由于流速的不均勻分布，局部區(qū)域難免出現(xiàn)橫流超過(guò)0.30 m/s的現(xiàn)象，見表3。

表3 典型工況下各導(dǎo)流墩方案T形區(qū)橫流分析表

4.2 增大過(guò)水?dāng)嗝婷娣e方案

在流量一定的條件下，通過(guò)增大斷面，可以有效減小流速?？紤]在T形區(qū)河底高程浚深1.0 mm，浚深區(qū)域長(zhǎng)方形布置，由內(nèi)河防沖槽末端竣深至內(nèi)河港池西側(cè)約40 m處，長(zhǎng)約240 m，寬約105 m。經(jīng)測(cè)算，過(guò)閘設(shè)計(jì)流量若均攤至浚深后的河道過(guò)水?dāng)嗝嫔?，平均流速降?.25 m/s。

浚深后，引水典型工況下，觀測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布見圖6，T形區(qū)流速較竣深前整體減小，流速分布及不均勻性基本不變，最大橫流流速0.39 m/s，但仍超過(guò)橫流限值。

4.3 增設(shè)導(dǎo)流墩+增大過(guò)水?dāng)嗝婷娣e組合方案

為使推薦方案在引水典型工況下，T形區(qū)最大橫流流速降至橫流限值，采取在內(nèi)河側(cè)增設(shè)導(dǎo)流墩和增大T形區(qū)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的組合方案。結(jié)合整流效果及施工難度、投資等因素，采用眉型布置導(dǎo)流墩。

增設(shè)眉型導(dǎo)流墩+增大T形區(qū)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e組合方案后，引水典型工況下，觀測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布見圖7?？梢钥闯觯琓形區(qū)水流均勻性大大提高，最大橫流流速減小至0.29 m/s，符合規(guī)范要求。

圖6 浚深后觀測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布

圖7 增設(shè)眉型導(dǎo)流墩+增大T形區(qū)過(guò)水?dāng)嗝娣桨负笥^測(cè)點(diǎn)橫斷面流速分布

5 結(jié)論

（1）泵閘運(yùn)行時(shí)，閘下水流集中出流，流速不均勻性較大，短距離內(nèi)難以充分?jǐn)U散，口門區(qū)域水流條件較差，流速偏大。對(duì)于通航河道，影響口門區(qū)船舶的安全通航。

（2）本文提出提高流速均勻性與整體減小流速兩種思路，分別給出解決方案：

a.在海漫段設(shè)置導(dǎo)流墩可有效改善水流流態(tài)，口門區(qū)域水流得到充分?jǐn)U散，大大提高了流速的均勻性。從工程實(shí)例可以得出，眉型導(dǎo)流墩的擴(kuò)散效果高于直線型，花瓣型導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用最為明顯。從擴(kuò)散效果，工程投資，施工難度等多方面綜合考慮，推薦眉型導(dǎo)流墩。

b.當(dāng)過(guò)流斷面受限，水流充分?jǐn)U散仍難以達(dá)到流速要求時(shí)，可采用擴(kuò)大過(guò)水?dāng)嗝娴姆桨?，達(dá)到減小流速的目的。一般對(duì)于城市水利設(shè)施，受占地面積的約束，較難拓寬河道，可通過(guò)竣深河床改善通航條件。

（3）實(shí)際工程中，針對(duì)具體情況，綜合考慮這兩類措施，選擇經(jīng)濟(jì)合理的工程方案。