陸 倩,崔 冬,田利勇,張 婧

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061;2.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,上海 200061)

平原河網(wǎng)地區(qū)一般具有河網(wǎng)水系密布、水體流動(dòng)性復(fù)雜等特點(diǎn),往往采取分片控制的治水方針,其中泵閘作為水利片控制工程的重要組成部分,主要發(fā)揮排澇功能,兼顧引水、水資源調(diào)度等綜合功能。關(guān)于水閘、泵站樞紐的布置方式,一般有分建與合建兩大類。其中,傳統(tǒng)的泵閘分建方式,占地面積大,在土地資源寶貴的平原地區(qū),易引起征地拆遷和移民安置等難以解決的社會難題;泵閘合建方式,具有布置緊湊、占地面積小、擋水面小、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn),在平原河網(wǎng)地區(qū)被廣泛應(yīng)用[1]。

目前,泵閘合建樞紐工程的布置形式主要有3類:①平面不對稱布置,即水閘與泵站分居河道兩側(cè),如上海的張家塘泵閘、虹江泵閘、斜路港泵閘、清水港泵閘、朱泖河泵閘工程等[2-3];②平面對稱布置,包括2種具體布置方式,一種是“泵+閘+泵”,即水閘位居河道中間,泵站對稱布置在水閘兩側(cè),如上海的龍華港泵閘、木瀆港泵閘工程等[2];另一種是“閘+泵+閘”,即泵站位居河道中間,水閘對稱布置在泵站兩側(cè),如上海的薛家泓泵閘、常熟的望虞河樞紐、杭州的錢江樞紐、蕭山四工段排澇泵閘工程等;③立面分層布置,即泵站布置在水閘的上層,下層閘室可代替水泵流道,適合規(guī)模較小的小型水利樞紐,如上?；^(qū)排水工程泵涵樞紐等[4]。

泵閘合建布置形式雖解決了征地面積大等問題,但易引起樞紐上下游水流流態(tài)的特殊化和復(fù)雜化[5-11],需要謹(jǐn)慎對待、合理布置。本文以上海地區(qū)擬建的趙家溝東泵閘工程為例,通過平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的模擬論證,從水動(dòng)力條件角度對泵閘合建工程的不同布置形式進(jìn)行比選分析,以期為類似平原河網(wǎng)地區(qū)泵閘合建工程的布置提供參考。

1 工程概況

1.1 工程平面布置

擬建的趙家溝東泵閘工程是上海市浦東新區(qū)防洪排澇和水資源調(diào)度沿長江口的6個(gè)引排水口門和通道之一,位于浦東新區(qū)趙家溝入長江口處。趙家溝東泵閘工程包括泵閘1座(節(jié)制閘凈寬30 m,泵站設(shè)計(jì)流量90 m3/s)以及泵閘前長約800 m的引河。其中泵閘主體結(jié)構(gòu)包括閘首、站身、內(nèi)外河消力池、進(jìn)出水池、內(nèi)外河海漫及防沖槽,主體結(jié)構(gòu)總長365 m,內(nèi)外河海漫段河道底寬分別為130 m和80 m,圖1為趙家溝東泵閘工程示意圖。

圖1 趙家溝東泵閘工程示意圖

1.2 泵閘平面布置方案

泵閘工程平面布置設(shè)計(jì)了3種布置方案,見圖2。

圖2 3種泵閘平面布置方案示意圖

方案1:“泵+閘”不對稱布置形式,水閘分3孔設(shè)在河道右側(cè),單孔凈寬10 m,泵站集中布置在河道左側(cè),泵型采用4臺斜式軸流泵,單機(jī)流量22.5 m3/s。

方案2:“泵+閘+泵”對稱布置形式,水閘分3孔設(shè)在河道中間,單孔凈寬10 m,4臺斜式軸流泵對稱布置在閘的兩側(cè),兩側(cè)各2臺,單機(jī)流量22.5 m3/s。

方案3:“閘+泵+閘”對稱布置形式,4臺斜式軸流泵設(shè)在河道中間,單機(jī)流量22.5 m3/s,水閘對稱布置在泵站的兩側(cè),兩側(cè)為單孔閘門,單孔凈寬15 m。

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 21 Flow Model(FM)模塊,建立平面二維水動(dòng)力模型進(jìn)行模擬計(jì)算,分別建立大、小兩個(gè)模型。大模型為長江口、杭州灣整體模型,上游邊界取至江陰,東至外海123°E,北至呂四港附近,南至象山港附近,東西寬約275 km,南北長約305 km,大模型范圍、網(wǎng)格及地形見圖3。小模型范圍為長江口南港局部水域,以工程區(qū)域?yàn)橹行?向上下游各延伸5 km,現(xiàn)狀條件下(即工程前)小模型范圍、網(wǎng)格及地形見圖4。大模型主要為小模型提供開邊界條件,小模型用于模擬不同泵閘布置方案的水流流態(tài)。小模型采用無結(jié)構(gòu)三角形與四邊形混合網(wǎng)格,為保證計(jì)算精度,對泵閘工程區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密,單元格最小邊長約為0.5 m,工程區(qū)地形采用2016年實(shí)測資料(吳淞基面,下同)。3種泵閘平面布置方案的模型網(wǎng)格及地形見圖2。

圖3 長江口、杭州灣整體模型網(wǎng)格及地形

圖4 工程前小模型范圍、網(wǎng)格及地形

上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司建立的長江口、杭州灣整體模型,已經(jīng)歷過多次水文測驗(yàn)成果的率定驗(yàn)證,并得到了成功應(yīng)用[12-13]。本次計(jì)算中,計(jì)算潮型采用2006年8月10—12日汛期大潮,大模型外海開邊界給定潮位過程,上游江陰處給定流量過程;小模型外海北邊界給定流量過程,南邊界給定水位過程,小模型外海南北邊界由大模型計(jì)算提供,工程后小模型內(nèi)河給定水位邊界。

2.2 計(jì)算工況

擬建趙家溝東泵閘工程的主要功能為排澇和引水,因此,二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況包括排澇工況和引水工況,其中排澇工況分為節(jié)制閘排澇(簡稱閘排澇)和泵站排澇(簡稱泵排澇)2種情況,引水工況為節(jié)制閘引水(簡稱閘引水)。考慮內(nèi)外河不同的水位組合情況,計(jì)算工況設(shè)定了7組,詳見表1。

初步計(jì)算結(jié)果表明,上述7組工況中,在閘排澇工況1與閘引水工況1條件下,3種泵閘平面布置方案的水動(dòng)力條件差異最為明顯。限于篇幅,下文以閘排澇工況1(以下簡稱排澇工況)與閘引水工況1(以下簡稱引水工況)作為典型計(jì)算工況,對3種平面布置方案展開詳細(xì)分析比較。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果及其分析

根據(jù)SL 75—1994《水閘技術(shù)管理規(guī)程》及《上海市水閘技術(shù)管理規(guī)定》,過閘水流應(yīng)平衡、平穩(wěn),避免發(fā)生集中水流、折沖水流、回流、漩渦等不良流態(tài)。此外,為保證泵站的正常運(yùn)行,還要盡量減少泵站上游及下游側(cè)泥沙淤積。因此,以下重點(diǎn)比較2種典型工況下,3種泵閘平面布置方案下樞紐上下游平面二維水流流態(tài)和流速分布情況。

3.1 對稱布置與不對稱布置方案的比較

在排澇和引水工況下,3種平面布置方案樞紐上下游局部流場見圖5～7。從圖中可以看出,當(dāng)采用方案1(“泵+閘”不對稱布置形式)時(shí),水流主要集中在閘門所在直線的河道一側(cè),上游來流發(fā)生偏折,泵站前形成大片滯水區(qū),節(jié)制閘前水流收縮明顯,橫向流速較大。樞紐下游由于單側(cè)泄流,泵站前出現(xiàn)較大的回流,回流區(qū)寬度約占河寬的40%,在排澇工況下,回流區(qū)尾部延伸至外高橋糧食儲備庫碼頭外檔泊位,距樞紐出水口約為650 m,在引水工況下,回流區(qū)尾部延伸至內(nèi)河側(cè)與糧油倉庫內(nèi)河碼頭港池的“T”形交叉口(簡稱“T”形區(qū)),距樞紐出水口約為320 m。主流區(qū)與回流區(qū)之間形成的壓差產(chǎn)生橫向水面坡降,使主流沿河道一側(cè)前進(jìn),形成偏流。

當(dāng)采用方案2(“泵+閘+泵”對稱布置形式)時(shí),水流基本沿著河道中心線流動(dòng),上游來流在兩側(cè)泵站前偏折流向閘前。樞紐下游兩側(cè)泵站前出現(xiàn)小范圍回流,兩側(cè)回流區(qū)總寬度約占河寬的35%,在排澇工況下,回流區(qū)尾部延伸至與外高橋糧食儲備庫碼頭內(nèi)檔泊位齊平的位置,距樞紐出水口約為460 m,在引水工況下,回流區(qū)尾部延伸至“T”形區(qū),距離樞紐出水口約為320 m。當(dāng)采用方案3(“閘+泵+閘”對稱布置形式)時(shí),兩側(cè)閘下水流沿著水閘中心線逐漸擴(kuò)大至整個(gè)河道流動(dòng),上游來流的偏折現(xiàn)象得到很大的緩解。樞紐下游泵站前回流區(qū)范圍較小,寬度約占河寬的20%,在排澇和引水工況下,回流區(qū)尾部距樞紐出水口分別約為130 m和150 m。

圖5 方案1樞紐上下游流場

圖6 方案2樞紐上下游流場

圖7 方案3樞紐上下游流場

從總體流態(tài)上看,平面對稱布置形式水流較為平順、流暢,沒有明顯的橫流和偏流現(xiàn)象,優(yōu)于不對稱布置形式。兩種對稱布置方案相比,方案3較方案2上游來流偏折現(xiàn)象減輕,下游泵站前回流區(qū)范圍減小,方案3略優(yōu)于方案2。為進(jìn)一步比較兩種平面對稱布置方案水動(dòng)力條件的差異,下文分別從閘下流速分布和內(nèi)河側(cè)通航水流條件方面,對方案2和方案3進(jìn)行詳細(xì)比較。

3.2 不同對稱布置方案的比較

3.2.1流速分布

從排澇和引水工況下,兩種平面對稱布置方案泵閘下游流速分布圖(圖6和圖7)可以看出,相較于引水工況,排澇工況下流速更大,節(jié)制閘下段防沖壓力更大,因此重點(diǎn)比較排澇工況下,兩種對稱布置方案閘下流速分布情況。

由閘下流速等值線分布(圖8)可以看出,方案2閘下最大流速在5～5.5 m/s之間,大流速區(qū)延伸范圍較遠(yuǎn),3 m/s流速等值線延伸距離約為250 m,出?？谔幜魉偌s為2.3 m/s,閘下流速總體較大。方案3閘下最大流速也在5～5.5 m/s之間,大流速區(qū)延伸范圍相對縮小,3 m/s流速等值線延伸距離約為140 m,出?？谔幜魉偌s為1.1 m/s,閘下總體流速相對減小。從閘下流速分布情況看,方案3優(yōu)于方案2,對減輕節(jié)制閘下段水流沖刷更為有利。

圖8 排澇工況閘下流速等值線分布

圖9 閘排澇工況內(nèi)河側(cè)流速等值線分布

圖10 引水工況內(nèi)河側(cè)流速等值線分布

3.2.2內(nèi)河側(cè)通航水流條件

距工程樞紐約350 m的內(nèi)河側(cè),垂直河道方向布置有糧油倉庫內(nèi)河碼頭港池(如圖1),船舶進(jìn)出港需要橫穿內(nèi)河,樞紐的運(yùn)行勢必會在交叉口處產(chǎn)生較大橫流,給船舶進(jìn)出港帶來一定的影響。

在排澇和引水工況下,兩種平面對稱布置方案內(nèi)河側(cè)流速等值線分布如圖9和圖10所示。從圖中可以看出,排澇工況下,當(dāng)過閘流量為285.00 m3/s時(shí),方案2和方案3的“T”形區(qū)最大橫向流速分別為0.62 m/s和0.61 m/s;引水工況下,當(dāng)過閘流量為183.90 m3/s時(shí),方案2和方案3的“T”形區(qū)最大橫向流速分別為0.72 m/s和0.42 m/s。即當(dāng)過閘流量相同時(shí),排澇工況下,兩種平面對稱布置方案“T”形區(qū)最大橫向流速值相當(dāng),引水工況下,方案3的“T”形區(qū)最大橫向流速比方案2明顯減小。進(jìn)一步計(jì)算表明,引水工況下,在“T”形區(qū)橫向流速不超過允許橫向流速限值條件下(參照J(rèn)TJ305—2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》,橫向流速限值按0.3 m/s取值),方案3的允許過閘流量(約為107 m3/s)大于方案2的允許過閘流量(約為77 m3/s)。因此,從對內(nèi)河側(cè)通航水流條件的影響看,方案3優(yōu)于方案2。

4 結(jié) 論

a. 從樞紐上下游總體流態(tài)看，平面對稱布置形式(方案2和方案3)的水流較為平順、流暢,沒有明顯的橫流和偏流現(xiàn)象,優(yōu)于不對稱布置形式(方案1);方案3較方案2上游節(jié)制閘前來流偏折現(xiàn)象減輕,下游泵站前回流區(qū)范圍減小。

b. 當(dāng)節(jié)制閘排澇時(shí)，從兩種平面對稱布置形式的閘下流速分布來看,方案3閘下總體流速相對較小,對減輕閘下水流沖刷更為有利。

c. 在節(jié)制閘引水工況下,當(dāng)過閘流量相同時(shí),方案3對內(nèi)河側(cè)“T”形區(qū)橫向流速的影響比方案2明顯減小;當(dāng)采用相同的內(nèi)河側(cè)通航橫向流速限制條件時(shí),方案3的允許過閘流量較方案2明顯增大。

d. 經(jīng)過對3種平面布置方案水動(dòng)力條件的分析比較,方案3(“閘+泵+閘”對稱布置形式)的水動(dòng)力條件最優(yōu),加之方案3具有閘上空間利用率高、運(yùn)行管理較方便等優(yōu)點(diǎn),為該工程的推薦方案，可作為類似平原河網(wǎng)地區(qū)泵閘合建樞紐泵閘平面布置形式。