王瑞鋒，張芝永，孫 超，何 昆

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

南方平原區(qū)地勢平坦低洼，汛期暴雨頻發(fā)，排澇水體常通過內(nèi)河、運河或其他支流匯入主干江道。在強潮河口受外江水位頂托的作用下，不滿足暢排條件，澇水宣泄困難，易形成洪澇災害，因此新建排澇泵站是河口防洪排澇工程中較為常見且有效的排洪措施[1-3]。通過閘站排澇除具有增加河網(wǎng)排澇速度、降低河道水位、減少城鄉(xiāng)淹沒時間等效益外[4]，也會帶來閘外局部沖刷、承泄干流的流態(tài)改變及防洪壓力等不利因素，并可能對出口附近涉水設施的運行產(chǎn)生影響[5-7]。

錢塘江是世界聞名的強潮河口，杭州段不具備自流排水入錢塘江的能力[4]，須借助泵站排水。八堡泵站是擴大杭嘉湖南排的重要工程，是實現(xiàn)太湖清水“進得來、流得動、排得出”的重要工程之一，是完善太湖流域南排杭州灣，緩解太湖防洪壓力，提高防洪減災能力的基礎性工程。泵站出口位于洪、潮動力極其復雜的錢塘江彎道，近鄰船閘、丁壩、導航堤處設施眾多。以杭州市八堡泵站為例，就泵站排澇對河段堤防及重要設施的防洪御潮能力進行研究，分析泵站出口河段洪潮動力試驗特性。

2 概 述

2.1 工程概況

八堡泵站工程等級為Ⅰ等，排水出口位于錢塘江七格彎道凹岸段1 級海堤（見圖1），泵站外的排澇出口段主要包括下游排水箱涵、擋潮排水閘等，其洪（潮）水設計標準為100 a 一遇。設5 臺斜式軸流泵，單臺排水流量為50 m3/s，最大排水流量為250 m3/s。

圖1 泵站工程位置及周邊工程分布圖

泵站出口上游100 m 為八堡船閘，在內(nèi)河側(cè)與泵站共用通航、排澇水流通道，船閘下游引航道出口為長度150 m（八字形布置）的上、下導航堤。工程河段陸續(xù)實施護岸丁壩群工程和八堡河段整治工程，泵站出口上游約500 m處為長90 m，頂高程3.80～4.50 m 的七號壩，下游約90 m處為長95 m，頂高程4.70～5.20 m 的八號壩[8]。

2.2 河段水文特征

（1）徑流條件。錢塘江河口徑流具有明顯的年內(nèi)和年際變化情況。年內(nèi)存在洪、枯季之分，3—6 月或4—7 月為梅汛期，徑流量占全年的70%左右，大洪水主要出現(xiàn)在5—7月；徑流量年際間變幅也較大，最大與最小年徑流量之比達4.15，且多年連續(xù)豐、枯水文年交替出現(xiàn)。錢塘江上游蘆茨埠站多年日均流量952 m3/s，年均徑流量300 億m3左右。新安江建庫后富春江電站設計洪峰流量為23 100 m3/s。

（2）潮汐特征。錢塘江河口潮汐為非正規(guī)淺海半日潮，1 d 內(nèi)2 漲2 落，在排澇泵站口門上游約3 km 設有七堡長期潮位觀測站，該站實測多年平均高潮位4.43 m，低潮位3.65 m，最大潮差4.22 m，平均潮差0.80 m。

3 物理模型

建立泵站出口河段大比尺半江物理模型，模擬排澇過程，通過監(jiān)測特征水位、流速和流態(tài)等指標的變化，分析泵站口門區(qū)洪潮動力基本特性。

3.1 模型比尺和范圍

模型的上下游邊界分別設在距離排水出口約2.5，2.0 km，江道寬度約1.0 km，江中邊界近似平行于流線布置，綜合考慮模型場地、供水、涉水建筑物尺寸等多方面因素，確定模型比尺為λL=80，λh=50，η=1.6 的小變率模型，λV=7.1，λt=11.3，占地面積約1 000 m2，模型平面布置見圖2。船閘引航道、丁壩、排水通道等工程按實際尺寸縮放制作模擬。地形基于近年最大洪峰后的河床容積相對較大的2017 年7 月實測地形進行制作。

圖2 物理模型平面布置圖

3.2 模型控制與量測

模型采用多臺水泵變頻調(diào)速多口門閉環(huán)水位控制系統(tǒng)生潮?？偩€工控機利用積分分離的PⅠD 算法采用精密水位儀跟蹤邊界潮汐過程控制變頻器，由變頻水泵向模型提供潮汐水流，組成閉環(huán)控制回路控制系統(tǒng)，重復性好，控制精度較高。

流速、流態(tài)基本特征測量主要采用ADⅤ多普勒流速流向儀、旋槳流速儀和大范圍表面流場粒子圖像測速系統(tǒng)（LSPⅠⅤ）等[9]。

3.3 試驗條件

泵站排澇水體來自太湖流域，而外江為錢塘江強潮河口，為安全起見，泵站出口河段洪潮動力及口門區(qū)流態(tài)特征分析的外江動力考慮偏不利的1%洪水和1%大潮2 組水流條件，泵站排澇流量考慮不排澇和最大排澇（250 m3/s），試驗方案及邊界條件見表1。根據(jù)泵站調(diào)度規(guī)則，通航高水位下開啟1 臺泵預泄，因此船閘通航選取單泵排澇（50 m3/s）的典型大潮進行試驗，共6 個試驗組次。各工況條件均由經(jīng)充分驗證的數(shù)學模型為其提供邊界水位和相關流速、水位分布，并以此進行水流調(diào)試、率定[10]，其中水位平均偏差0.09 m，平均流速偏差0.10～0.15 m/s，滿足相關規(guī)程的基本規(guī)定。

表1 試驗工況表

4 洪潮動力特性分析

4.1 水流流態(tài)

應用大范圍流場測量系統(tǒng)對排澇前后、不同工況排澇閘口門近區(qū)流場情況進行拍攝測量與分析[11]。

1%洪水條件下，工程河段無漲潮流，洪水主流流向下游，受八堡船閘口門導堤影響，船閘兩導堤之間存在逆時針回流，回流區(qū)流速明顯小于主流區(qū)流速。

未排澇時，在泵站出口同樣存在逆時針回流，回流基本覆蓋下導堤和八號壩之間面積約1.50 萬m2的全部范圍；在泵站最大排澇情況下，排澇流隨主流向下游偏移，導致八號壩頭部水流向南偏移（見圖3），此時回流被分割為2部分，其中下導堤下游側(cè)和八號壩壩根的回流區(qū)面積分別約0.40 萬，0.10 萬m2，總體回流強度較弱，回流方向紊亂。

圖3 最大流速時刻流場圖（1%洪水工況）

1%大潮條件下，江道主流為向上的漲潮時，由于水位比洪水位低，八號壩—下導堤、下導堤—上導堤及上導堤上游區(qū)形成3 個十分明顯的順時針回流（見圖4）。

未排澇時，泵站出口存在面積約2.00 萬m2的順時針圓形回流區(qū)；泵站排澇后，受漲潮流影響，澇水隨潮向上游偏移，繞過下導堤頭部匯入主流，導堤頭部前沿流向逆時針偏轉(zhuǎn)，主流流向基本沒有變化。此時回流的整體性被分割，其中下導堤為沿堤走向的順時針回流，面積0.15 萬m2，受泵站的強排作用，排澇主流與八號壩之間的回流區(qū)方向改變?yōu)槟鏁r針方向，面積約0.30 萬m2。

圖4 漲潮時刻流場圖(1%潮水工況)

落潮時，排澇前后流場結(jié)構(gòu)與1%洪水工況比較類似，但由于落潮水流流速小、水位低，八號壩—下導堤水域的排澇水體流速比洪水期更大。

4.2 水 位

1%洪水工況、泵站最大排澇量條件下，排澇水流對上游洪水主流形成阻流效應，使泵站上游河段水位有所壅高。泵站處水位壅高約0.04 m，船閘處水位壅高約0.03 m，上游600 m 水位和泵站下游水位無變化（見圖5）。

圖5 工程附近岸段特征水位變化圖

1%大潮條件下，排澇對高水位影響主要表現(xiàn)為：排澇流量對下游漲潮流形成一定的阻流效應，使泵站下游水位壅高，上游水位有所降低，其中泵站上游600 m 水位降幅在0.02 m 以內(nèi)，船閘處降低0.04 m，泵站出口壅高0.03 m，泵站下游200 m 以外區(qū)域壅高在0.02 m 以內(nèi)。排澇對低水位影響呈現(xiàn)泵站上游水位壅高（0.01 m 內(nèi)），下游水位降低（0.02 m 內(nèi)）的特點，因此排澇對低水位影響較小。

4.3 流 速

泵站按最大排澇量進行排澇后，與排澇前相比，對于工程附近各監(jiān)測點的流速變化情況，測點分布見圖2，對1%洪水方案的最大流速（以下簡稱洪水流速）、1%大潮方案在泵站外側(cè)主流區(qū)漲急和落急時刻的流速（以下簡稱漲急流速，落急流速），共3 個特征時刻的流速變化情況進行統(tǒng)計與分析，從泵站出口斷面、工程近區(qū)沿線（上下游各約800 m）、八堡船閘出口及航道等不同區(qū)塊進行重點分析，排澇前后各方案特征時段流速變化統(tǒng)計見表2。

表2 排澇前后流速變化統(tǒng)計表 m/s

4.3.1 泵站出口斷面流速變化

排澇時泵站出口斷面的流速變化分布見圖6。由圖6 可知，該斷面排澇水體對流速的影響隨離岸距的增大而逐步減小，其中在離岸約300 m 處，各特征時刻流速均減小0.06 m/s，流速變化幅度較大的水域主要為泵站出口壩田區(qū)和丁壩近區(qū)主流段。

圖6 泵站出口斷面流速變化圖

泵站出口壩田區(qū)各特征時刻流速均大幅增加，其中洪水流速增大約0.60 m/s，漲落急流速由于相對洪水期而言水深偏小，流速增幅更大，為1.00～1.30 m/s。

距泵站出口約170 m 的主流區(qū)，漲急流速小增幅大，增幅為0.05 m/s，落急流速和洪水流速則變小，減幅約0.10 m/s。

4.3.2 工程近區(qū)沿線

工程河段由于凹岸防沖和八堡船閘出口整治的需要，已建或待建眾多丁壩和導航堤（見圖1），沿各壩頭前沿約30～50 m 主流區(qū)，在泵站出口上下游各約800 m 處布置大量流速測點，沿線流速變化分布見圖7。

圖7 流速變化分布圖（自上游至下游）

排澇時，澇水經(jīng)擋潮閘排出，使得閘外門區(qū)流速增大，排澇流的動量對主流的沖擊作用使主流向江中有所偏移。近岸區(qū)域流速普遍有所減小。在八號丁壩的阻水作用下澇水向下游流動的排澇流軌跡區(qū)域流速增大明顯。

總體來看，除泵站上下游各約100 m 的測點5～7 有流速增大的情況，其他測點基本以流速小幅減小為主。其中上游測點1～4 無論洪水還是大潮方案，流速減小均約0.05 m/s；下游側(cè)測點8～10 洪水流速減小0.11～0.23 m/s，漲落急時刻，新壩1#～3#位置流速減小0.07～0.10 m/s，新壩5#流速基本無變化。

泵站上下游約100 m 的下導航堤至八號丁壩，流向不同，流速增減有不同的規(guī)律特征：上游側(cè)漲急流速增大，落急流速和洪水流速減小，下游側(cè)則相反。下導航堤和泵站出口（測點5～6），漲急流速變幅在0.10 m/s 內(nèi)，洪水流速和落急流速，下游的測點7 流速分別增大0.23，0.73 m/s，上游測點5～6，流速減小約0.10～0.13 m/s。

4.3.3 船閘前沿

上下導航堤之間的船閘出口，洪水和漲落急流速基本減小0.02～0.03 m/s。外側(cè)航道水域各測點洪水流速變化為-0.06～0.00 m/s，平均減小0.02 m/s，減幅1.0%；漲急流速變化為-0.04～0.04 m/s，平均變幅為0.00 m/s；落急流速變化為-0.05～0.01 m/s，平均減小0.03 m/s，減幅2.7%。

4.4 通航水流

受錢塘江涌潮的影響，八堡船閘的調(diào)度運行較為復雜，當預報七堡潮差大于1.00 m 時，對進出閘進行限制，漲潮后5.0 h 可以進閘，漲潮后1.5 h 可以出閘，1 個潮內(nèi)進閘、出閘的時長分別約為6.9，7.4 h。且由于大潮期漲潮動力較強，進、出閘段航線的縱向流速和橫向流速均出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的時段，根據(jù)《船閘總體設計規(guī)范》[12]，最大縱向流速VH不應大于2.00 m/s，橫向流速VZ不應大于0.30 m/s，對航線代表點橫向流速滿足VH≤0.30 m/s，VH≤0.50 m/s 和縱向流速VZ≤2.00 m/s 的1 個潮周期內(nèi)的時長進行統(tǒng)計，分析通航期最大的單泵排澇對通航水流條件的影響。

采用通航工況條件下，1 臺水泵運行時排澇前后，落潮時因排澇流偏向下游流動，故排澇對于船閘的運行條件無不利影響；在漲潮期，排澇流繞過船閘下游導堤與漲潮流一起流向上游，導致航線上部分位置流速有所增大，從而引起橫流流速增大。根據(jù)航線上代表點（見圖2）流速采集，分析滿足不同流速要求的時長（見表3），泵站排澇50 m3/s 引起船閘口門區(qū)航線上滿足通航要求的時長并未發(fā)生明顯變化，變化幅度基本在0.10 h 以內(nèi)，不會引起八堡船閘口門通航水流條件的惡化。

表3 排澇前后滿足通航的時長變化表 h

5 結(jié) 論

采用泵站出口河工模型試驗的方法，以強潮河口八堡泵站為例，對排澇后承泄區(qū)的錢塘江水位、流速、流態(tài)及通航水流等進行詳細研究，主要結(jié)果如下：

（1）洪水位影響主要集中在泵站出口和船閘前沿，雍高0.03～0.04 m。

（2）塘前沿線流速有所減小，堤防前沿基本不會造成水流集中，漲潮時上游（500 m 內(nèi)）減小約0.05 m/s，洪水時下游（800 m 內(nèi)）減小約 0.16 m/s。

（3）排澇后，泵站出口的回流結(jié)構(gòu)被分割成多個動力變?nèi)醯男〕叨然亓?，澇水匯入主流前，下導堤、八號丁壩前沿流速增幅和流向偏轉(zhuǎn)明顯，壩頭流速最大增加約0.70 m/s，需關注其沖刷問題。

（4）排澇流體的動量沖擊對主流的頂推作用使主流向江中有所偏移，澇水匯入主流區(qū)，與漲潮和落潮流隨主流分別向上游、下游流動，不會引起八堡船閘口門通航水流條件的惡化。