孟金波，楊曉霞，韓曉維

（1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概況

排澇泵站利用運(yùn)河進(jìn)行排澇時(shí)，對進(jìn)水口附近的水流流態(tài)要求較高[1]。其流態(tài)的優(yōu)劣直接影響泵站進(jìn)流效率和運(yùn)河內(nèi)的通航安全。

八堡排水泵站是擴(kuò)大杭嘉湖南排工程中的一項(xiàng)重要組成項(xiàng)目，工程包括上游引河、進(jìn)水池、泵房、出水池、下游排水箱涵、擋潮排水閘等建筑物，是一座由以排澇為主要任務(wù)、兼顧水環(huán)境水資源配置綜合治理的大（1）型樞紐工程。本工程設(shè)計(jì)排澇流量為200 m3/s（4臺），備用排澇流量50 m3/s（1臺），按照100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，300 a一遇洪水校核。

本工程在京杭運(yùn)河二通道上設(shè)置進(jìn)水口，利用運(yùn)河作為排澇干河，進(jìn)水口中心線與航道呈32°32′9″交角，包括導(dǎo)航架、攔污柵及交通橋等設(shè)施。由于泵站進(jìn)水口附近航道為八堡船閘上游航道制動段，對水流流速、流向要求較高。當(dāng)泵站排澇流量時(shí)，受側(cè)向進(jìn)流的限制，易形成回流等不利流態(tài)[2-3]，影響泵站進(jìn)流流態(tài)，同時(shí)受進(jìn)水口橫向流速的影響，通航安全也需進(jìn)一步論證。

需通過平面二維數(shù)學(xué)模型結(jié)合正態(tài)物理模型試驗(yàn)，對進(jìn)水口水流條件問題進(jìn)行研究。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 物理模型[4]

（1）模型比尺。根據(jù)研究對象特點(diǎn)及研究目的，采用正態(tài)模型。模型比尺為1:40，模型滿足重力阻力和水流連續(xù)相似條件。

（2）模型范圍。本模型屬泵站整體模型，選取模型范圍包括進(jìn)水口、明渠、箱涵、進(jìn)水池、泵站、擋潮閘以及船閘引航道和部分航道。上游模擬至泵站進(jìn)口上游1 900 m，下游模擬至泵站出口下游500 m錢塘江內(nèi)，中心線全長2 500 m左右。模型布置見圖1。

圖1 物理模型布置圖

（3）模型制作。泵站、上下游排水箱涵及擋潮閘以有機(jī)玻璃制作，護(hù)坦、堤岸及其他部位以水泥沙漿抹制。模型通過模型水泵控制泵站排澇流量，并通過自循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行恒定流觀測。

（4）量測設(shè)備。試驗(yàn)中流量采用寬30 cm矩形薄壁量水堰進(jìn)行觀測；水位采用常規(guī)測針進(jìn)行觀測，主要布置在運(yùn)河二通道、上游引河、進(jìn)水池、出水池及錢塘江側(cè)，分辨率為0.1 mm，測針零點(diǎn)用尼康A(chǔ)S - 2精密水準(zhǔn)儀測定；流速測量采用超聲波多普勒流速儀（ADV）。ADV是一種單點(diǎn)、高分辨率的三維聲學(xué)多普勒流速儀，可對水流進(jìn)行精確的三維速度測量，非常適宜對復(fù)雜及低速流場流速精確測量。

2.2 平面二維數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本方程

建立沿水深平均的引航道平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析二通道水流條件。沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型基本方程由連續(xù)方程和動量方程組成，其公式為：

連續(xù)方程：

式中： H、z分別為水深和水位（m）； u，v分別為x、y方向的水流流速（m/s）；γt為紊動粘性系數(shù)（m2/s）；C為謝才系數(shù)，C，n為河床糙率，R為水力半徑（m）；t為時(shí)間（s）；g為重力加速度（m2/s）。

2.2.2 模型范圍與定解條件

泵站進(jìn)水口整體二維數(shù)模分析模型范圍涵蓋船閘引航道、上游運(yùn)河二通道、泵站進(jìn)水口、進(jìn)水明渠、進(jìn)水箱涵等。上游范圍擬模擬至匯合口上游1.5 km，下游模擬至泵站出口處。模型范圍見圖2。

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸為1 ～ 8 m，對建筑物附近網(wǎng)格進(jìn)行加密（見圖3）。模型上邊界采用水位邊界條件，下邊界采用流量邊界條件。初始水位條件采用上游邊界水位，初始流速設(shè)置為零。

圖2 平面二維數(shù)學(xué)模型范圍示意圖

圖3 進(jìn)水口附近網(wǎng)格布置圖

2.2.3 主要參數(shù)的確定

在平面二維水流計(jì)算中，糙率系數(shù)n是最為重要的一個(gè)參數(shù)，其值主要反映河道沿程水頭損失，同時(shí)包括河道上某些連續(xù)存在的不顯著的局部變化對水流阻力的影響。結(jié)合類似工程的研究成果，本模型糙率值選取0.020 ～ 0.025。

通過物理模型對二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，數(shù)值模擬流場分布與物理模型基本一致，沿程流速最大相差0.050 m/s，數(shù)學(xué)模型精度可以滿足要求。

3 進(jìn)水口優(yōu)化布置比選

從物理模型試驗(yàn)成果可知，在設(shè)計(jì)排澇工況時(shí)，進(jìn)水口附近存在較為明顯的回流流態(tài)（見圖4），因此通過二維數(shù)學(xué)模型對進(jìn)水口平面布置進(jìn)行優(yōu)化研究，參考相關(guān)研究成果[5-7]，主要從進(jìn)水口口門寬度、進(jìn)水口軸線與上游航道軸線夾角（導(dǎo)航墩夾角）及橋孔凈寬3個(gè)方面進(jìn)行分析，尋找合適的進(jìn)水口平面布置方案。方案比選工況均為泵站4臺機(jī)組運(yùn)行，排澇流量為200 m3/s，進(jìn)水池水位1.88 m。

圖4 原設(shè)計(jì)方案進(jìn)水口附近水流流態(tài)圖

3.1 不同口門寬度布置方案分析

3.1.1 方案布置

在對不同口門寬度布置方案分析時(shí)，維持導(dǎo)航墩夾角及單孔凈寬不變，對比4種不同的導(dǎo)航架寬度（見表1、圖5）。

表1 不同口門寬度方案布置表

圖5 不同口門寬度方案布置圖

3.1.2 判別指標(biāo)

判斷進(jìn)水口流態(tài)優(yōu)劣采用定性及定量2種指標(biāo)進(jìn)行判斷。定性指標(biāo)是指觀測進(jìn)水口附近是否存在大范圍回流，流場是否均勻，有無不利水流流態(tài)等。定量指標(biāo)采用流速均勻度進(jìn)行判別。斷面流速均勻度Ω計(jì)算公式如下[8]，斷面選取在進(jìn)水口導(dǎo)航架各橋孔內(nèi)：

3.1.3 成果分析

圖6為各口門寬度布置方案下的進(jìn)水口流場分布。當(dāng)導(dǎo)航架右側(cè)縮窄5孔后，進(jìn)水口附近的回流流態(tài)基本消除，Ω由原方案的50%增大至74%，若縮窄導(dǎo)航架右側(cè)孔數(shù)至7孔后，口門斷面流速均勻度Ω繼續(xù)增大至81%，但是口門流速較大，斷面存在一定的束窄效應(yīng)，故不宜繼續(xù)減小口門寬度。同時(shí)為進(jìn)一步對比左右側(cè)口門分別縮窄時(shí)的水流流態(tài)，選取a4方案與a2方案進(jìn)行比較，2組方案口門的寬度一樣，均為219.2 m，不同的是a4方案左側(cè)縮窄5孔。該方案導(dǎo)航架左側(cè)邊孔內(nèi)存在回流，進(jìn)水口左側(cè)仍然存在較大范圍回流，進(jìn)流流態(tài)不佳，Ω值減小至70%，主要原因是由于主流水動力偏于右岸，調(diào)整右側(cè)導(dǎo)航架更有利于主流流速流向的改變。

綜合考慮水流流態(tài)及流速，推薦導(dǎo)航架右側(cè)縮窄5孔，即a2方案，此時(shí)導(dǎo)航架寬度由原設(shè)計(jì)的285.7 m減小至219.2 m。

圖6 不同平面布置方案流場圖

3.2 不同導(dǎo)航墩角度布置方案分析

3.2.1 方案布置

在推薦口門寬度方案的基礎(chǔ)上，改變導(dǎo)航墩與航道中心線的夾角（同時(shí)改變進(jìn)水渠兩側(cè)岸墻連接），共考慮4組夾角方案，具體方案布置見表2。

表2 不同夾角方案布置表

3.2.2 判別指標(biāo)

方案比較主要從進(jìn)流流場分布、航道制動段橫向流速分布及水頭損失3方面進(jìn)行分析。

3.2.3 成果分析

圖7為各導(dǎo)航墩角度布置方案進(jìn)水口附近的流場分布圖。當(dāng)導(dǎo)航墩夾角由設(shè)計(jì)方案的32°32′9″增加到35°后，導(dǎo)航架左側(cè)邊孔附近出現(xiàn)回流，回流長度約130.0 m，回流寬度11.0 m；若導(dǎo)航墩夾角分別減小至28°和25°，2種方案口門后均未出現(xiàn)回流等不良流態(tài)；但隨著進(jìn)水口軸線與航道中心線角度減小，垂直于水流流向的導(dǎo)航架凈寬有所減小，在相同流量下口門流速有所增大，水頭損失也相應(yīng)增加。

圖7 不同導(dǎo)航墩角度布置方案流場分布圖

從航道制動段橫向流速分布角度分析，導(dǎo)航墩角度變化對橫向流速分布存在一定的影響。選取10個(gè)特征點(diǎn)，對不同角度導(dǎo)航墩方案時(shí)航道內(nèi)橫向流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取點(diǎn)位置示意見圖8。設(shè)計(jì)方案（導(dǎo)航墩夾角32°32′9″）制動段橫向流速呈現(xiàn)沿程先逐漸增大而后逐漸減小的趨勢，橫向流速最大值為0.252 m/s。當(dāng)導(dǎo)航墩角度變大后，航道內(nèi)最大橫向流速峰值往下游偏移，絕對值有所增大，最大橫向流速為0.260 m/s。若導(dǎo)航墩夾角減小，運(yùn)河二通道內(nèi)水流較早地開始偏轉(zhuǎn)進(jìn)入進(jìn)水口中，制動段上游位置橫向流速略有增大，下游位置略有減小，b2方案（導(dǎo)航墩夾角28°）和b3方案（導(dǎo)航墩夾角25°）橫向流速最大分別為0.257，0.264 m/s。各方案制動段沿程橫向流速的分布見圖9。

圖8 橫向流速取點(diǎn)位置圖

圖9 不同夾角方案制動段沿程橫向流速分布圖

綜合分析，進(jìn)水口軸線與上游航道夾角為35°時(shí)，進(jìn)水口左岸出現(xiàn)回流等不利流態(tài)；當(dāng)夾角為28°和25°時(shí)，水流出導(dǎo)航架之后進(jìn)水渠寬度減小，制動段最大橫向流速略有增大，水頭損失增大。因此，推薦在口門寬度為219.2 m，導(dǎo)航架為17孔時(shí)，導(dǎo)航墩角度維持在原設(shè)計(jì)的32°32′9″較為合理。

3.3 不同單孔凈寬布置方案分析

3.3.1 方案布置

在保證總凈寬一致的前提下，對比不同單孔凈寬布置方案對進(jìn)水口水流流態(tài)的影響（見表3）。

表3 不同單孔凈寬方案布置表

3.3.2 判別指標(biāo)

比選方案的總凈寬一致且進(jìn)水口軸線與航道夾角不變，因此主要從進(jìn)水口附近局部流場分析方案優(yōu)劣。

3.3.3 成果分析

圖10為不同導(dǎo)航架單孔凈寬方案的進(jìn)水口附近流場分布。研究表明，在推薦的口門總寬及總凈寬不變的條件下，導(dǎo)航架孔數(shù)較多時(shí)，進(jìn)流流態(tài)相對較好，但工程量大，且不夠美觀，如果導(dǎo)航架孔數(shù)過少則左側(cè)會產(chǎn)生回流，因此推薦進(jìn)水口導(dǎo)航架設(shè)置12孔方案。

4 推薦方案通航安全影響分析

通過比選，推薦進(jìn)水口口門寬度為219.2 m，導(dǎo)航墩與航道中心線夾角為32°32′9″，并設(shè)置12孔方案。對推薦方案在泵站運(yùn)行1臺機(jī)組，塘棲水位1.80 m時(shí)的通航水流流態(tài)進(jìn)行論證，此時(shí)進(jìn)水口附近水位約為1.60 m。該方案進(jìn)水口附近航道仍存在一定的橫流范圍，但航道制動段內(nèi)最大橫向流速僅為0.080 m/s，最大縱向流速為0.220 m/s，均滿足GB 50139 — 2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和JTJ 305 —2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的制動段和停泊段縱向流速≤0.500 m/s，橫向流速≤0.150 m/s的要求[9-10]，進(jìn)水口附近航道內(nèi)橫向流速見圖11。

圖10 不同單孔凈寬布置方案流場分布圖

圖11 進(jìn)水口附近橫向流速分布（Q =50 m3/s，Z =1.60 m）

5 結(jié) 語

八堡排水泵站利用運(yùn)河二通道進(jìn)行排澇，進(jìn)水口方案將直接影響泵站進(jìn)流流態(tài)及航道內(nèi)通航水流流態(tài)。研究表明，進(jìn)水口口門寬度過寬將使進(jìn)水口流速存在較大的不均勻，局部形成回流流態(tài)，口門寬度過窄則使水流過柵流速增大，增加局部水頭損失，通過不同口門寬度對比，提出219.2 m口門寬度方案。并在該口門方案的基礎(chǔ)上對比導(dǎo)航墩角度及單孔凈寬對進(jìn)水口附近水流流態(tài)及流速分布的影響，提出合理的進(jìn)水口導(dǎo)航墩布置方案。該方案可同時(shí)滿足泵站進(jìn)流流態(tài)平順及通航水流安全的要求，節(jié)省工程投資。研究成果對類似工程具有一定的參考價(jià)值。