虹口港泵閘水利樞紐總體布置研究

郭高貴

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

虹口港水系骨干河道總長約 34 km，匯水面積為 46.4 km2，沿程需接納 26 座市政排水泵站，267 m3/s 排水流量?，F(xiàn)有虹口港節(jié)制閘建于 1966年，位于東長治路橋內(nèi)側(cè)，距河口約 500 m，該節(jié)制閘由于建設(shè)年代久遠，主體結(jié)構(gòu)存在不同程度破損，部分墻體發(fā)生傾斜、開裂，雖然經(jīng)過多次加高、加固，但安全隱患無法完全消除，繼續(xù)使用將存在較大風(fēng)險。

規(guī)劃新建虹口港泵閘工程是虹口港水系整治工程的重要組成部分，泵閘位于虹口港水系南端，河道入黃浦江的河口處，是上海市中心城區(qū)最后一座規(guī)劃待建的水利樞紐。它與水系北端的西泗塘泵閘、郝橋港泵閘共同擔(dān)負著水系的防汛排澇及南引北排等重要功能。虹口港泵閘水利樞紐選址于東大名路橋南側(cè)（溧陽路與九龍路之間），新建節(jié)制閘孔徑為 8 m，新建泵站正向排水流量為30 m3/s，反向引水流量為 10 m3/s，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）滿足防洪、排澇、引水的功能要求；

（2）泵站、水閘管理用房等布置緊湊合理，管理調(diào)度方便；

（3）盡量減小主體結(jié)構(gòu)寬度，避免對周邊建筑造成影響；

（4）有利于設(shè)備布置、安裝運行及監(jiān)測要求；

（5）對外交通便利；

（6）泵閘主體結(jié)構(gòu)盡量外移，以縮短外河防汛墻的長度；

（7）建筑風(fēng)格簡潔明快，盡量減小地面建筑物體量、高度，以融入到黃浦江沿線開闊的空間中去，符合北外灘的整體空間規(guī)劃要求。

2 工程總體布置

根據(jù)選定的樞紐場址，規(guī)劃新建泵閘閘址位于東大名路橋南側(cè)，水閘閘門中心線距支河口的距離約 115 m，距離東大名路道路中心線約 45 m，平面布置采用“泵+閘”的單側(cè)布置形式，水閘中心線位于原河道中心線偏東側(cè) 4.0 m。

節(jié)制閘布置在河道東側(cè)，閘首口門凈寬為 8 m，底板順?biāo)鞣较蜷L度為 27.8 m，底板面高程-1.0 m，底檻面高程 0.0 m。外河消力池長 16 m，內(nèi)河消力池長 15 m。門型采用運行可靠、維修方便的上臥式平面鋼閘門，啟閉設(shè)備采用 QHSY-2×630-6.5 液壓啟閉機。

泵房布置在河道西側(cè)，泵站各設(shè) 3 臺單機流量為 10 m3/s 的 1800QGS10-3.25 型潛水貫流泵，其中兩臺為單向，一臺為雙向。由于外河西側(cè)河道無法按規(guī)劃拓寬，三臺水泵中靠東側(cè)（近節(jié)制閘）位置的一臺泵引排水水流條件最好，為了發(fā)揮水泵引水的效率，將雙向泵設(shè)置在東側(cè)（靠近節(jié)制閘）位置，另兩臺單向泵布置在西側(cè)。站身底板順?biāo)鞣较蜷L度為 27.8 m，水泵機組間距為 5.2 m，站身以上不設(shè)廠房，泵房頂板面高程為 5.0 m，為便于機組的安裝和檢修，頂板上部設(shè)可移動式的電動橋式起重機。泵站內(nèi)河進出水池長 15 m。底板面高程-3.1 m，外河進出水池長 16 m，底板面高程-3.1 m。

內(nèi)河海漫段布置在東大名路橋梁下部，海漫段長 35 m，海漫頂高程為-1.0 m，末端設(shè) 6 m 寬的拋石防沖槽和防沖板樁；外河海漫段長 25 m，海漫頂高程為-2.0 m，由于外河兩側(cè)為部隊建筑，河道寬僅約 14.6 m，河底標(biāo)高由-2.0 m 逐步降低到-3.0 m；在外河海漫段以外至黃浦江河口范圍均進行模袋混凝土護底防沖。內(nèi)、外河側(cè)海漫段均采用300 mm 厚灌砌塊石護底，采用 400 mm×600 mm素混凝土格梗分隔。

新建東大名路橋橋?qū)?28 m。東大名路橋梁位于內(nèi)河海漫段上方，橋臺兼作翼墻與內(nèi)河消力池銜接。為便于橋梁兩側(cè)與現(xiàn)狀縱、橫向道路的標(biāo)高順接，河中順泵閘導(dǎo)流墻方向設(shè)柱式橋墩，將橋梁布置為兩跨（跨徑 16 m+9.8 m），以減小橋梁跨徑，降低梁高及路面標(biāo)高。圖1為泵閘總平面布置圖。

3 總體布置數(shù)模論證

3.1 計算目的

該工程位于黃浦江中游左岸虹口港出口處，水閘和泵站并行布置于東大名路橋外側(cè)。由于泵閘平面布置方案為“泵+閘”（即泵站集中單側(cè)布置在閘的一邊）型式，同時上游側(cè)設(shè)置橋墩，為了分析方案布置的水動力合理性，工程建成后水閘引、排水的水流流態(tài)情況，以及樞紐布置對泵站及水閘排水的過流影響，該設(shè)計建立了泵閘工程范圍內(nèi)的二維水流模型。

3.2 模型計算范圍及網(wǎng)格布置

模型上邊界分別取虹口港泵閘上游 500 m處，黃浦江作為接納水體，下邊界分別取虹口港上下右側(cè)各 1 000 m。為能較好模擬所研究河道流場，本次模型計算采用三角有限元網(wǎng)格，并采用大小網(wǎng)格嵌套方式進行模擬計算，泵閘工程范圍內(nèi)網(wǎng)格加密處理，其優(yōu)點能模擬復(fù)雜的河道岸線，計算范圍主次分明，計算速度較快。本次模型網(wǎng)格剖分共布設(shè) 15 461 個節(jié)點，9 113 個單元，單元邊長在 0.2～50.0 m。圖2為工程河段網(wǎng)格布置圖，圖3為水閘及泵房網(wǎng)格布置圖。

3.3 控制方程及計算方法

該設(shè)計采用的有限元法求解平面二維淺水運動方程和連續(xù)方程為:

式中：h 為水深；u，v 為直角坐標(biāo)下的速度；x,y,t 為直角坐標(biāo)及時間；ρ為水體的密度；E 為渦動粘滯系數(shù)；g 為重力加速度；a 為底部高程；n 為曼寧糙率系數(shù)為地球角速度；φ為局部緯度。

上述方程組采用伽遼金加權(quán)余量有限元法進行數(shù)值求解。單元的形式可為一維線性單元、兩維四邊形或三角形單元，適用于岸線曲折的邊界。速度形函數(shù)為二次，深度形函數(shù)為線性。空間積分以高斯積分，時間離散利用非線性有限差分。在每一時間步上，變量表達式為：

圖1 泵閘總平面布置圖

圖2 工程河段網(wǎng)格布置圖

圖3 水閘及泵房網(wǎng)格布置圖（帶橋墩）

式中：a，b，c 是常數(shù)，c 為 1.5。

方程采用全隱式求解，解法為 Newton-Raphson非線性迭代。方程中各基本參數(shù)選取說明如下。

（1）曼寧系數(shù)

模型中曼寧系數(shù) n 考慮有、無植被影響，根據(jù)各單元的平均水深按式（5）自動賦值并實時調(diào)整：

（2）渦動粘性系數(shù)

模型中渦動粘性系數(shù) E 根據(jù)各單元的平均速度和水流方向上單元長度自動賦值并實時調(diào)整，計算公式為:

式中：P 為 Peclet 常數(shù)；ρ為液體密度；u 為單元平均速度；dx 為主流方向的單元長度。

3.4 計算水文條件

模型按照泵閘引排水方案劃分 4 種主要計算工況，分別為：

（1）工況一

水閘閘門全開排水工況，內(nèi)河 3.0 m，外河2.5 m。

（2）工況二

水閘閘門全開引水工況，內(nèi)河 2.5 m，外河3.0 m。

（3）工況三

關(guān)閘、泵站排水工況，Q=30 m3/s，內(nèi)河 2.5 m，外河 5.06 m。

（4）工況四

關(guān)閘、泵站引水工況，Q=10 m3/s，內(nèi)河 3.0 m，外河 2.21 m。

3.5 數(shù)學(xué)模型成果與分析

3.5.1 工況一：閘門全開排水

從圖4水閘閘門全開排水工況（內(nèi)河水位 3.0 m，外河水位 2.5 m）時的流場中可以看出，水流出閘后，主流分布于河道東岸，分流較少，水流擴散后西岸泵站進出水池局部形成緩流區(qū)，由于西岸岸線在下游消力池之外收窄，限制了回流的形成，出閘水流流態(tài)總體較好，在離下游消力池約 60 m外，水流已均勻擴散至下游河道斷面。

圖4 工況一流場分布圖

從水閘上下游沿程水位及流速分布（見圖5）可知，最大流速出現(xiàn)在閘室駝峰段，最大值約為2.03 m/s；經(jīng)下游消力池消能后流速迅速下降至1 m/s 左右。由于河道斷面放寬，水深變大，流速變小，水位基本上與外河齊平。泵閘外入黃浦江后，由于水面開闊水流迅速擴散，出閘水流流速也迅速減小至 0.3 m/s 以下。

3.5.2 工況二：閘門全開引水

從圖6水閘閘門全開引水工況（內(nèi)河水位2.5 m，外河水位 3.0 m）時的流場中可以看出，水流出閘后流態(tài)與工況一類似，主流分布于河道東岸。由于導(dǎo)流墻及橋墩的導(dǎo)流作用，以及西岸河岸縮窄，泵站進出水池側(cè)回流的形成受到限制，出閘水流流態(tài)總體較好，在離上游消力池約 40 m 外，水流已均勻擴散至下游河道斷面。

從水閘上下游沿程水位及流速分布（見圖7）可知，最大流速出現(xiàn)在閘室駝峰段，最大值約為1.93 m/s；經(jīng)上游消力池消能后流速顯著下降，約1.25 m/s，出閘后流速和水位降低相對緩慢，但在上游海漫段以內(nèi)流速不超過 0.7 m/s。

圖5 工況一水閘上下游水面及流速分布圖

圖6 工況二流場分布圖

3.5.3 工況三：泵站排水

從圖8泵站排水工況（內(nèi)河水位 2.5 m，外河水位 5.06 m）時的流場中可以看出，由于泵站集中布置在河道西岸，而且凹進河岸側(cè)，水流進入泵站存在明顯偏轉(zhuǎn)，出流后閘室一側(cè)局部形成回流，但由于閘、泵之間隔墩以及泵房側(cè)漸變岸線的限制作用，回流區(qū)范圍有限，總體上泵房出水水流較為平順，且在 20 m 左右距離內(nèi)能迅速擴散充滿河道過水?dāng)嗝妫瑢M出泵房的流量不構(gòu)成較大影響。另外,由于水泵流道低于水面，故出泵房水流為淹沒出流，從圖9可以看出，最大出流流速約為0.5 m/s，小于上游最大進流流速，約 0.79 m/s，至下游河口流速減小至 0.2 m/s 以下。

圖7 工況二水閘上下游水面及流速分布圖

3.5.4 工況四：泵站引水

泵站引水工況（內(nèi)河水位 3.0 m，外河水位2.21 m）時流場與排水工況相似，從圖10中可以看出，水流進入泵站有輕微偏轉(zhuǎn)，泵站出水水流則比較平順，由于導(dǎo)流墻及橋墩的導(dǎo)流作用，水閘側(cè)水流擴散較好，沒有形成局部回流。出泵房水流在20 m 左右距離內(nèi)能迅速擴散充滿河道過水?dāng)嗝?，對進出泵房的流量不構(gòu)成較大影響。從圖11 可以看出，下游江側(cè)最大進流流速約為 0.36 m/s，上游側(cè)出流流速約為 0.33 m/s，出流流速減小相對緩慢，但在上游海漫段以內(nèi)流速不超過 0.2 m/s。

圖8 工況三流場分布圖

圖9 工況三泵站上下游流速分布圖

圖10 工況四流速分布圖

圖11 工況四泵站上下游流速分布圖

3.6 結(jié)論

從水動力角度來看，雖然泵閘單側(cè)布置、泵閘橫向?qū)挾却笥谏舷掠魏拥缹挾?，而且閘外段河道寬度擴寬受到限制，但從數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果分析表明，閘、泵過水偏流的不良影響程度有限，該泵閘工程的平面布置方案可以滿足水閘和泵站的正常運行。由于外河河底高程向外河逐漸降低，并采用直立式護岸，閘、泵出流流場沒有發(fā)生不良流態(tài)。經(jīng)過外河消力池、海漫段的消能以及下游河口的水流擴散作用，進入黃浦江的下瀉剪切流速在0.3 m/s 以下，對黃浦江此段流場以及通航未產(chǎn)生不利影響。

[1] 徐祖信，盧士強.平原感潮河網(wǎng)水動力模型研究[J].水動力學(xué)研究與進展,2003（3）：176-181.

[2] Danish Hydraulic Institute(DHI).MIKE11:A Model-ling System for Rivers and Channels Reference Manual[R].DHI.2002.