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        航塘港泵閘水利樞紐總體布置研究

        2019-12-19 02:38:34沈小立
        城市道橋與防洪 2019年12期
        關(guān)鍵詞:消力池效果圖內(nèi)河

        潘 源,沈小立

        (1.上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處,上海市200082;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        0 引言

        上海市浦東新區(qū)航塘港泵閘設(shè)在航塘港與杭州灣交匯處的河口附近。這樣,既可有效地縮短與杭州灣海塘的連接段長度,節(jié)省工程投資,同時(shí)又可兼顧施工期杭州灣一線海塘的安全,控制防汛風(fēng)險(xiǎn)和施工難度。最終,確定泵橫軸線距現(xiàn)有海塘中心線距離165m。新建節(jié)制閘孔徑為24m(3孔×8m)。同時(shí),新建60m3/s單向排水泵站一座,配置4臺(tái)15m3/s斜式軸流泵[1-2]。從而,兼有防洪、排澇及水資源調(diào)度等綜合功能。

        1 工程總體布置原則

        (1)滿足排澇﹑防洪(潮)和水資源調(diào)度的綜合功能要求。

        (2)工程總體布置必須與區(qū)域總體規(guī)劃要求一致,建筑物外形與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào),盡量將閘站建筑物融入到航塘港沿線開闊的空間中去,同時(shí)少占土地,便于調(diào)度管理。

        (3)各單體建筑物間銜接順暢,滿足各單體規(guī)范的布置要求,有利于設(shè)備布置、安裝、運(yùn)行及監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)功能。

        2 工程總體布置

        工程平面布置采用“泵+閘”的不對(duì)稱布置方案。水閘布置在河道右側(cè),泵站布置在河道左側(cè),泵站及水閘底板永久分縫設(shè)置。順?biāo)鞣较蚩傞L度394.40m,垂直水流方向總長度56.52m。站身閘首內(nèi)縮,泵閘橫軸線(外河交通橋中心線)距離現(xiàn)狀海塘大堤堤頂中心線約165.0m。

        外海側(cè)考慮與現(xiàn)狀海堤及堤外現(xiàn)狀(規(guī)劃)保灘順壩順接,形成出流通道,設(shè)216.4m引河匯入外海。泵站從內(nèi)河側(cè)至外河側(cè)各部泵站采用正向進(jìn)水方式,口寬為26.30m,布置(4臺(tái)×15m3/s)單向斜式軸流泵,流道底板高程為-3.40m/-1.70m(上游側(cè)/下游側(cè));閘首口寬為30.20m,設(shè)置3孔凈寬8.0m的潛孔式平面直升門,閘門堰頂高程-0.50m,門頂標(biāo)高4.50 m(胸墻底標(biāo)高4.0 m),中間設(shè)置20mm寬沉降縫;內(nèi)河海漫段、進(jìn)水池與站身閘首與規(guī)劃河口(55.0m)順接;外河側(cè)消力池及出水池側(cè)墻與規(guī)劃河口(55.0m)順接,外河海漫段口寬109.0m,采用圓弧翼墻及放坡過渡銜接。

        圖1為泵閘總體布置圖。

        圖1 泵閘總體布置圖

        3 總體布置數(shù)模論證

        為了分析方案布置的水動(dòng)力合理性,以及工程建成后泵閘排水的水流流態(tài)情況及對(duì)周邊河道、杭州灣灘面的影響,采用有限元計(jì)算分析工程區(qū)域水流流態(tài)、流速分布,為工程設(shè)計(jì)方案提供驗(yàn)證。

        綜合考慮工程位置、研究目的等因素,模型上邊界取航塘港泵閘上游1 000m與內(nèi)河相接處,下邊界取航塘港下游1 000m杭州灣水域。這樣,能較好地模擬所研究河道流場(chǎng)。該模型計(jì)算采用三角有限元網(wǎng)格,并采用大小網(wǎng)格嵌套方式進(jìn)行模擬計(jì)算,泵閘工程范圍內(nèi)網(wǎng)格加密處理,其優(yōu)點(diǎn)能模擬復(fù)雜的河道岸線,計(jì)算范圍主次分明,計(jì)算速度較快。

        圖2為泵閘網(wǎng)格細(xì)部示意圖。

        圖2 泵閘網(wǎng)格細(xì)部示意圖

        3.1 工況1:關(guān)閘開泵排水工況

        考慮模擬開泵時(shí)的最不利工況,內(nèi)河水位取內(nèi)河預(yù)降水位2.0m,外江水位取開泵排水過程中外河水位最不利工況,即最低潮位2.0 m,過流量取設(shè)計(jì)流量Q=60m3/s。

        圖3為關(guān)閘開泵排水時(shí)河段流速圖。

        圖3 關(guān)閘開泵排水時(shí)河段流速圖

        從圖3中可看出,在工況一關(guān)閘開泵排水工況下,從排水工況流場(chǎng)可以看出,水流進(jìn)出泵閘流路清晰,擴(kuò)散均勻,未見回流區(qū),總體流態(tài)較好,但在內(nèi)河段汊口處局部區(qū)域有緩流區(qū)產(chǎn)生。該緩流區(qū)由河道地形控制無法避免,應(yīng)創(chuàng)造條件允許可順滑該區(qū)域河道邊界。泵閘處峰值流速較高,但經(jīng)過內(nèi)外河海漫段的緩沖消能,以及河道過流斷面漸寬,河道流速逐漸降低。

        其水流流速及流場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)為,上游流速大于0.8m/s(不沖流速)的范圍在泵閘以上470m范圍內(nèi);下游大于0.8m/s的范圍在泵閘以下30m范圍內(nèi),外海杭州灣流速均小于0.5m/s,流速較小。

        3.2 工況2:水閘閘門全開排水工況

        考慮模擬水閘閘門全開的最不利工況,內(nèi)河水位取內(nèi)河最高水位3.7m,考慮閘門全開時(shí)允許取的內(nèi)外河最大高差0.3m,即外河潮位3.4m,過流量取水閘最大過流量134.2m3/s。

        圖4為水閘閘門全開排水時(shí)河段流速圖。

        圖4 水閘閘門全開排水時(shí)河段流速圖

        從圖4中可看出,在水閘閘門全開排水工況下,內(nèi)河流速大于0.8m/s(不沖流速)的范圍在泵閘以上520m范圍內(nèi);下游大于0.8m/s的范圍在泵閘以下220m范圍內(nèi)。

        該工程在泵閘上游500m至杭州灣范圍內(nèi)均設(shè)置了灌砌塊石護(hù)底,可滿足抗沖刷要求。

        4 總體布置物模論證

        為保證航塘港泵閘工程的安全運(yùn)行,擬通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證泵閘平面布置和消能防沖設(shè)施結(jié)構(gòu),測(cè)試水閘過流能力、泵閘進(jìn)出水流態(tài)及流速分布,分析泵閘運(yùn)行對(duì)杭州灣海域、兩側(cè)現(xiàn)狀灘面及內(nèi)河側(cè)河道的影響。提出合適的消能、導(dǎo)流、保護(hù)范圍和相應(yīng)的工程措施,優(yōu)化泵閘結(jié)構(gòu)布置。

        圖5為航塘港泵閘整體水工模型。

        4.1 泵站排水工況

        內(nèi)河水位2.50m,外河水位5.50m,泵排流量60m3/s。試驗(yàn)中觀測(cè)到內(nèi)河來流平順、均勻。至樞紐前,左側(cè)水流沿岸墻平順流入泵站前池,右側(cè)水流逐步收縮繞泵閘隔墻頭部流入泵站前池。

        圖5 航塘港泵閘整體水工模型

        圖6為泵站運(yùn)行工況內(nèi)河流態(tài)效果圖,圖7為泵站運(yùn)行工況內(nèi)河垂線平均流速分布圖。

        圖6 泵站運(yùn)行工況內(nèi)河流態(tài)效果圖

        圖7 泵站運(yùn)行工況內(nèi)河垂線平均流速分布圖

        受泵閘分側(cè)布置影響,內(nèi)河右側(cè)水流繞泵閘隔墻頭部流向泵站前池。由于泵站采用攔污柵橋前置布置,且加密了攔污柵墩,發(fā)揮了較好的整流作用。右側(cè)繞流被攔污柵墩分割并強(qiáng)迫轉(zhuǎn)向,流入泵站前池,僅在近閘側(cè)攔污柵橋孔內(nèi)(右側(cè))存在較小的回流區(qū),回流區(qū)最大寬度約為攔污柵橋孔的一半,長度與攔污柵墩相近。由于回流區(qū)較小,對(duì)進(jìn)水池水流影響不顯著,僅近閘側(cè)局部流速稍低。

        圖8為泵站運(yùn)行工況前池流態(tài)效果圖,圖9為泵站運(yùn)行工況前池垂線平均流速分布圖。

        圖8 泵站運(yùn)行工況前池流態(tài)效果圖

        圖9 泵站運(yùn)行工況前池垂線平均流速分布圖

        在試驗(yàn)中,觀測(cè)到出水池出口水流大致均勻。出池后水流右側(cè)突擴(kuò),在水閘側(cè)形成較大的回流區(qū),主流偏于外河左側(cè)。外河出口斷面水流擴(kuò)散至右側(cè),流速呈左大右小分布。水流出外河后兩側(cè)海灘上形成較大回流區(qū),主流有所壓縮,局部流速略有加大。外河雖存在明顯偏流,但總體流速較低,對(duì)局部沖刷影響不大。

        圖10為泵站運(yùn)行工況外河流態(tài)效果圖,圖11為泵站運(yùn)行工況外河垂線平均流速分布圖。

        圖10 泵站運(yùn)行工況外河流態(tài)效果圖

        圖11 泵站運(yùn)行工況外河垂線平均流速分布圖

        試驗(yàn)表明,泵站運(yùn)行工況內(nèi)河來流平順均勻,前池進(jìn)流流態(tài)較好,出水池出口水流大致均勻,外河主流偏于左側(cè),右側(cè)形成較大回流區(qū),但總體流速較小,對(duì)無防護(hù)區(qū)沖刷影響不明顯。

        4.2 水閘消能工況

        內(nèi)河水位3.75m(最高水位),外河水位0.04m(平均低潮位),閘門開啟高度1.75m。試驗(yàn)實(shí)測(cè)排澇流量204m3/s,內(nèi)河來流平順均勻。過閘流態(tài)為自由孔流,消力池能形成穩(wěn)定水躍,躍首位于消力池斜坡末端向后2~4m左右(長時(shí)間觀測(cè)能保持穩(wěn)定),躍尾距消力池尾坎3m左右。消力池長度深度滿足設(shè)計(jì)要求。出池水流大致均勻。外河水位不能降至0.04m,控制外海水位為0.04m。池后水面跌落顯著,在海漫段形成大范圍跌落區(qū),跌落區(qū)最大流速在5.48m/s左右,外海水面波動(dòng)顯著,外河出口處亦形成較大的跌落區(qū)。

        圖12為消能工況閘下流態(tài)效果圖,圖13為消能工況外河流態(tài)效果圖,圖14為消能工況外河垂線平均流速分布圖。

        圖12 消能工況閘下流態(tài)效果圖

        圖13 消能工況外河流態(tài)效果圖

        圖14 消能工況外河垂線平均流速分布圖

        在試驗(yàn)中觀測(cè)到,逐步抬高外河水位,可減小跌落區(qū),減輕外河水面波動(dòng)。當(dāng)外河水位升高至1.85m時(shí),池后水面跌落基本消除,池中水躍躍首位于消力池斜坡段中下段,水躍穩(wěn)定。閘下主流偏于外河右側(cè),左側(cè)(泵站側(cè))形成較大的回流區(qū),至外河出口處,主流基本沿外河河槽方向出流,兩側(cè)海灘上形成較大的回流區(qū),主流有所壓縮。

        試驗(yàn)表明,消力池長度、深度滿足設(shè)計(jì)要求,能形成穩(wěn)定水躍。池后水面跌落,在閘下形成較大的跌落區(qū),海漫段水面波動(dòng)顯著,出池水流立面銜接不良。外河水位升高可消除池后水面跌落,改善出池水流立面銜接形態(tài)。主流偏于外河右側(cè),左側(cè)形成較大的回流區(qū)。外河出口后,兩側(cè)海灘上形成較大的回流區(qū),對(duì)主流有一定壓縮。

        針對(duì)閘下出流存在的不良流態(tài),對(duì)方案進(jìn)行修改,以改善閘下水流流態(tài),減輕外河側(cè)沖刷。

        外河泵閘隔墻長度縮短6m,頂高程降至2.0m。消力池尾坎上增設(shè)0.75m的底坎。在消力池尾坎后按6m間距分布,布置高0.75m、0.5m底坎各一道。高低不一的底坎共計(jì)3道。其作用:一是增加擴(kuò)散均化海漫段水流,減小左側(cè)回流區(qū);二是將跌落區(qū)進(jìn)行分割壓縮,使得最后一道坎后水流能在較短的流程內(nèi)平穩(wěn)均勻。

        圖15為整改方案閘下流態(tài)效果圖。

        圖15 整改方案閘下流態(tài)效果圖

        在試驗(yàn)中觀測(cè)到,隨著外河水位升高,出閘水流向左側(cè)擴(kuò)散逐步減弱,左側(cè)流速有明顯減小,右側(cè)流速有所加大,主流逐步偏右,但過流寬度仍明顯大于原方案對(duì)應(yīng)水位的寬度。在高水位運(yùn)行時(shí),外河水流均勻性較原方案有明顯提高。

        5 結(jié)論與建議

        基于試驗(yàn)成果,可得到以下結(jié)論與建議。

        (1)樞紐總體布置合理可行,各工況內(nèi)河來流平順;泵站運(yùn)行各泵進(jìn)流條件良好,未見影響水泵安全運(yùn)行的惡劣流態(tài);水閘過流能力較大;消力池長度、深度滿足設(shè)計(jì)要求,各工況均能形成穩(wěn)定水躍。

        (2)受樞紐布置型式影響,外河較低水位下,消力池后水面跌落較為嚴(yán)重,跌落區(qū)范圍大,局部流速大,海漫段水面波動(dòng)顯著,經(jīng)對(duì)方案修改,可明顯提高外河水流的均勻性。

        (3)上游流速大于0.8 m/s(不沖流速)的范圍均在泵閘以北500m范圍內(nèi),且在河道相交處流速均小于0.5m/s,該工程在該范圍內(nèi)均設(shè)置了河底護(hù)砌,可滿足沖刷要求;泵閘運(yùn)行時(shí)杭州灣側(cè)的的流速不大,經(jīng)過樞紐工程外河側(cè)海漫及引河段外的流速基本控制小于0.3m/s的范圍均較小,對(duì)杭州灣外海灘地基本沒有沖刷影響,泵閘的總體布置方案合理。

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