傅建彬，孫 龍

（杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

水閘既能擋水又能泄水，在平原地區(qū)防洪、灌溉、排水、航運等水利工程中應用十分廣泛。由于其多為低水頭水工建筑物，水閘一般采用底流式（水躍）消能[1]，過閘水流在消力池內產生水躍，使閘下急流轉變?yōu)榫徚?，但是低水頭水工建筑物存在弗汝德數低、水躍消能效果較差的問題[2]，下泄水流攜帶大量能量，水流紊動劇烈，危及下游河床及通航安全[3]。外環(huán)西河泵閘工程位于外環(huán)西河河口入蘇州河處（約110 m），由8 m寬節(jié)制閘（設計流量40 m3/s）和20 m3/s的排澇泵站組成，工程平面布置見圖1。而蘇州河是1條通航河道，通航等級為Ⅵ級，為確保通航船只安全，蘇州河最大橫向流速不得大于0.3 m/s。如何解決外環(huán)西河泵閘在排澇時，下泄水流對蘇州河通航的影響是本次研究的重點。本文通過合理確定外河消力池的消能、導流結構，優(yōu)化工程的總體布置，并對水閘安全運行提出合理的調度要求。

圖1 工程平面布置圖 單位：m

2 模型設計

模型設計按重力相似準則設計，同時兼顧阻力相似，幾何正態(tài)，具體各設計參數比尺：

模型長度比尺：λL=20；流速比尺：λV= 200.5=4.47；流量比尺：λQ=202.5=1 788.85；糙率比尺：λn=201/6=1.648。

泵閘模型全長約25 m，采用灰塑板制作，模擬了節(jié)制閘、泵站、內外引渠、蘇州河的部分河段（見圖2）。

圖2 模型布置示意圖

3 工程設計方案及試驗成果

3.1 原設計方案

工程排澇利用水閘自排，在汛期內河水位高于2.50 m或暴雨前，需騰空內河庫容時開閘排水，因此主要考慮水閘單向排澇對蘇州河通航安全影響。原設計方案中，內外河進出水池長均為15 m，連接外環(huán)西河泵閘與蘇州河段的外河海漫段長45 m，河底寬20 m，底高程-0.50 m，邊坡1:2.5，口寬40 m，河坡高程3.30 m以上采用鋼筋混凝土懸臂式擋墻。

（1）按節(jié)制閘排澇流量40 m3/s控制，結合蘇州河側不同水位測試蘇州河橫向流速、閘門開啟度，結果見表1。

表1 按流量控制排澇試驗結果表

試驗結果表明：在蘇州河高水位狀況下排澇，其橫向流速較?。划斖夂铀?.50 m時，蘇州河最大橫向流速為0.94 m/s；當外河水位降至規(guī)劃控制最低水位1.50 m時，蘇州河最大橫向流速為1.45 m/s。由此可見，在蘇州河平潮，外河水位降至規(guī)劃控制最低水位1.50 m狀態(tài)下排澇的工況為最不利通航的工況。

（2）按蘇州河橫向流速0.30 m/s控制，結合蘇州河平潮狀態(tài)測試節(jié)制閘允許排澇量，結果見表2。

正如我們在第一節(jié)的最后所總結的一樣，推薦系統中的各種算法也具備算法的基本條件，但它們的特別之處在于它們是在通過一個特定的矩陣來分析各個用戶的行為數據而得到的一些相關的統計結果(如下圖所示)，這其實就是為什么推薦系統一般能夠準確的得出一個人的喜好的背后原理所在。

表2 按橫向流速控制排澇試驗結果表

試驗結果表明：在滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標準下，節(jié)制閘的允許排澇流量為15.5 ~25.6 m3/s。

3.2 優(yōu)化設計方案

以上試驗結果表明，原設計方案在滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標準下，不能有效發(fā)揮水閘原規(guī)劃排澇能力（40 m3/s）；受征地拆遷限制，本工程泵閘位置及外河海漫段河口寬度均無調整空間。因此本階段在現有泵閘閘址的基礎上，對外河海漫段進行優(yōu)化，具體方案如下。

3.2.1 調整外河海漫段斷面

將原外河海漫梯形斷面調整為矩形斷面，河底與河口寬均為40 m，河底高程由-0.50 m降至-1.00 m，節(jié)制閘按40 m3/s排澇時，蘇州河橫向流速結果見表3。

表3 按流量控制排澇試驗結果表

試驗結果表明，外河海漫段斷面調整后，增加河道過水面積，但由于閘孔凈寬與外河海漫過水面積相差甚大，過閘水流缺乏海漫兩側擋墻的約束，不能充分擴散，其主流的集中度比原方案更加明顯。

3.2.2 增加整流措施

針對梯形斷面對過閘水流缺乏約束，過閘水流較集中，根據類似工程經驗，提出增設整流措施，以便將過閘水流快速向兩側引導擴散，具體采用4種整流措施試驗進行比較：

（1）在消力池后1.00 m處增設八字坎，坎高為1.75 m，寬8.00 m（見圖3）。

（2）在外河海漫段設置2排整流墩，第1排整流墩設置在閘后5 m處，5個墩，整流墩長1.50 m，高0.50 m，厚0.80 m；第2排整流墩與第1排的凈間距4.20 m，錯開布置，6個墩，整流墩尺寸與前排相同（見圖3）。

圖3 八字坎與整流墩布置圖 單位：m

（4）在海漫段布置W型坎，寬14.00 m，坎高1.75 m，厚0.80 m（見圖4）。

圖4 W型坎布置圖 單位：m

按照規(guī)劃排澇流量，對以上4種整流措施進行排澇試驗，結果見表4。

表4 增設整流措施后排澇試驗結果表

試驗結果表明：

（1）在消力池側直接增設八字坎，過閘水流過八字坎后迅速向兩側擴散，消除了由于主流集中而形成的回流，外河流態(tài)得到改善。蘇州河水位2.50~4.00 m時，河側橫向流速基本能滿足通航安全要求，允許排澇流量基本達到40 m3/s的要求。

（2）在海漫段設置整流墩群或折線式連續(xù)坎（高度由1.00 m漸變到1.75 m），若高度小于1.20 m，整流效果不明顯；墩高為1.50~1.75 m時，八字坎措施整流效果最好。其中設置整流墩后，海漫段水流形態(tài)較均勻；W坎措施存在水流偏流影響；八字坎措施對過閘水流的約束效果最好，外河擴散段末端斷面流速分布為中間大兩側小，能滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標準，該方案較好。

3.2.3 擴散式消力池翼墻+八字型尾坎

（1）由于保潔船只需要過閘，因此海漫段整流措施的高度不宜過高（頂高程不超過0.00 m）。但是根據試驗，整流措施高于1.50 m（頂高程0.50 m）時才能較好地發(fā)揮整流效果?？紤]到原水閘口寬相對外河海漫段口寬較小，為此提出將消力池翼墻改為擴散式，其擴散角為13°，并將消力池翼墻頂高程降為1.00 m。考慮到八字坎效能效果較好，將消力池尾坎改為八字坎（見圖5），實測各種通航工況下口門區(qū)的平均橫向流速均不大于0.30 m/s（最大橫向流速也不大于0.30 m/s），能滿足通航要求。

圖5 擴散式消力池翼墻+八字型尾坎布置圖 單位：m

試驗結果表明：采用擴散式消力池翼墻+八字型尾坎，過閘水流均為淹沒閘孔出流，消力池內形成淹沒水躍；消力池尾坎處水流的垂線流速分布呈下大上小，通過海漫段的調整，至防沖槽末，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，說明海漫段長度合適，消力池的規(guī)模能滿足要求。

（2）考慮到水閘具有引水功能，因此試驗中以內河側防沖槽末端斷面平均流速0.80 m/s為控制條件，試驗內河海漫布置的合理性及蘇州河橫向流速的安全性，結果見表5。

表5 節(jié)制閘引水試驗結果表

試驗結果表明：內河側消力池水流的垂線流速分布呈下大上小，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，說明內河消力池和內河海漫段長度合適。

4 結 語

（1）消力池采用擴散式翼墻和八字型尾坎，能夠較好地促使過閘水流向兩側擴散。外河側流速分布較為均勻，減小了蘇州河航道口門區(qū)的橫向流速，實測各種通航工況下口門區(qū)的平均橫向流速均不大于0.30 m/s（最大橫向流速也不大于0.30 m/s），能滿足通航要求。

（2）外河海漫河口寬需要和閘孔寬度相配套，以便發(fā)揮兩側翼墻對水流調整的效果。調整方案將河道由梯形改為矩形，河底高程降為-1.00 m，增大河道斷面尺寸后，外河水流集中程度將會比原方案更明顯，消能效果更明顯。

（3）在消力池末段增設整流墩或八字坎，能有效調整過閘水流流態(tài)，在相同的排澇流量下，蘇州河內橫向流速較原方案減小約40%，但是整流墩與八字坎高度不能過低。

（4）節(jié)制閘排澇流量為40 m3/s時，閘門局部開啟，過閘水流為淹沒閘孔出流。外河防沖槽末，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，消力池的規(guī)模及海漫段長度合適。

（5）節(jié)制閘引水時，引水流量受內河河道抗沖條件限制，若以內河防沖槽末端斷面平均流速0.80 m/s為控制條件，蘇州河航道口門區(qū)平均橫向流速小于0.30 m/s（最大橫向流速也小于0.30 m/s），對通航沒有影響。