排水口工程對(duì)京杭運(yùn)河通航條件的影響研究

徐建昌

摘 要：排水口工程因其持續(xù)向航道中注入水流而產(chǎn)生橫流，是一種特殊的臨河工程，工程建設(shè)的科學(xué)合理對(duì)保障航道及通航安全至關(guān)重要。結(jié)合京杭運(yùn)河蘇北段揚(yáng)州市湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口改造三期工程，對(duì)排水口工程涉航道選址、平面布置，利用MIKIE21數(shù)值模擬軟件建立數(shù)模對(duì)航道通航條件等進(jìn)行分析研究，提出排水口類(lèi)工程建設(shè)相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：京杭運(yùn)河;排水口;航道條件

中圖分類(lèi)號(hào)：U697.2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）07-0071-04

京杭運(yùn)河蘇北段溝通江、淮、沂、泗水系，全長(zhǎng)404公里，已全部建成國(guó)家Ⅱ級(jí)航道，是北煤南運(yùn)大動(dòng)脈，南水北調(diào)主通道，集航運(yùn)、防洪、灌溉、南水北調(diào)、生產(chǎn)生活用水等多功能于一體，被譽(yù)為黃金水道。京杭運(yùn)河蘇北段全程水位落差31米，共設(shè)有11個(gè)航運(yùn)梯級(jí)，用于改善航道水流條件?？v跨徐州、宿遷、淮安、揚(yáng)州4市，沿線建設(shè)有眾多碼頭、取排水口、橋梁及管道等臨跨河設(shè)施，這些工程的建設(shè)無(wú)疑對(duì)促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、構(gòu)建綜合運(yùn)輸體系及保障生產(chǎn)生活用水發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)亦會(huì)對(duì)京杭運(yùn)河航道通航條件帶來(lái)諸多影響?！逗降婪ā穼?shí)施后，航道通航條件影響評(píng)價(jià)制度的設(shè)立使得航道管理部門(mén)可以在工程建設(shè)前期盡早介入，對(duì)臨跨河設(shè)施的通航技術(shù)參數(shù)審核有了較好的依據(jù)和保障。

在所有的臨河設(shè)施中，排水口工程因持續(xù)向航道中注入水流產(chǎn)生較大橫流，是一種特殊的臨河工程，對(duì)航道水流條件影響最大，若排水口布置在水面以上，對(duì)航道影響更為明顯。《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）對(duì)排水口工程選址及布置共提出三點(diǎn)要求：①取排水口設(shè)施宜布置在上下游既有臨河建筑物外緣線以內(nèi)。②在航道和可能通航的水域內(nèi)設(shè)置淹沒(méi)在水下的取排水設(shè)施、船臺(tái)滑道等水下臨河建筑物，其頂部設(shè)置設(shè)置深度應(yīng)按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。③取排水設(shè)施的設(shè)置和作業(yè)不得造成不利的河床變化和礙航的水流?！秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中未禁止在航道水面以上設(shè)置排水口，亦未對(duì)水面以上設(shè)置排水口提出具體布置要求。從實(shí)踐來(lái)看，在航道兩岸設(shè)置高出水面的排水泄水設(shè)施并不鮮見(jiàn)，如城市中航道駁岸上的市政排水口、長(zhǎng)江護(hù)坡上排澇泄水管道。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)排水口工程對(duì)航道通航條件影響的研究較少，少數(shù)的相關(guān)研究主要集中在沿江地區(qū)取排水口的水流條件等方面。京杭運(yùn)河屬于限制性航道，航道斷面系數(shù)相對(duì)小，兩岸以人工護(hù)岸為主，邊坡較陡，這些與長(zhǎng)江等天然河流屬性有較大不同。

本文以京杭運(yùn)河蘇北段與長(zhǎng)江口交匯處的揚(yáng)州市湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口改造三期工程為例，通過(guò)評(píng)價(jià)其對(duì)航道通航條件的影響，各類(lèi)影響因素的分析，提出排水口類(lèi)工程建設(shè)涉航道的相關(guān)建議，以期能為類(lèi)似工程的建設(shè)提供一定的借鑒作用。

1工程概況

擬建湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口三期工程位于京杭運(yùn)河蘇北段最后一個(gè)梯級(jí)施橋船閘下游。施橋船閘共布置有3線船閘（見(jiàn)圖1），其中一號(hào)船閘位于航道中心位置，建成于1961年;二號(hào)船閘位于航道最左側(cè)，建成于1988年;三號(hào)船閘緊鄰一號(hào)船閘，位于航道最右側(cè)，建成于2011年。3座船閘平行布置，一號(hào)船閘和二號(hào)船閘中心距為150m，三號(hào)船閘和一號(hào)船閘中心距為100m。湯汪污水處理廠排水口工程建成于2004年，工程建設(shè)時(shí)，施橋船閘僅有一號(hào)船閘和二號(hào)船閘，尾水排放口距離鄰近的一號(hào)船閘中心線約110m。三號(hào)船閘在排水口上游建設(shè)后，排水口上下游500m范圍內(nèi)工廠碼頭全部實(shí)施搬遷，以便設(shè)置三號(hào)船閘引航道，且保留下來(lái)的排水口其前沿原航道邊線被拉直，排水口緊鄰三號(hào)船閘布置，在其下游引航道區(qū)域范圍內(nèi)。

現(xiàn)狀排水口緊鄰施橋船閘下游布置，位于航道右岸側(cè)，上游緊鄰某內(nèi)港池碼頭，距施橋三號(hào)船閘閘室約200m（見(jiàn)圖2）。

工程位置設(shè)計(jì)最高通航水位（DHNWL）為6.83m（1985國(guó)家高程標(biāo)準(zhǔn)，下同），設(shè)計(jì)最低通航水位（DLNWL）為0.23m。

現(xiàn)狀湯汪污水處理廠已連續(xù)多年處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，三期工程建設(shè)迫在眉睫，且現(xiàn)有排水口排放能力已無(wú)法滿足三期工程尾水排放需要。本工程擬利用現(xiàn)狀排水口增大排水流量至26萬(wàn)m?/d，相比現(xiàn)狀排水流量18萬(wàn)m?/d增加了8萬(wàn)m?/d。

現(xiàn)狀排水口為空箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)接DN1600排水管道，排水口橫斷面尺度為10.8m×5m，排水坎頂標(biāo)高為2.50m，排水管道中心標(biāo)高為4.50m。從過(guò)去一年施橋船閘下游水位變化曲線圖（見(jiàn)圖3）可知，航道水位超過(guò)排水坎頂標(biāo)高2.50m的天數(shù)有150天，水位超過(guò)排水管道中心標(biāo)高4.50m的天數(shù)僅有1天。一年中有超過(guò)7個(gè)月的時(shí)間航道水位均在排水口排水坎頂標(biāo)高以下，排水口排水長(zhǎng)期呈瀑布式入流形態(tài)（見(jiàn)圖4）。

2工程對(duì)航道的影響分析

為分析排水口工程流量增加后對(duì)航道的影響，主要從工程選址、平面布置、對(duì)水流條件的影響、對(duì)船舶通航的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1工程選址

揚(yáng)州市發(fā)改委批復(fù)湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口項(xiàng)目為改造工程，擬利用現(xiàn)狀尾水排水口改造實(shí)施。上游緊鄰施橋船閘三號(hào)船閘閘室，下游緊鄰三號(hào)船閘調(diào)度進(jìn)閘區(qū)域。從2004年建成時(shí)的河勢(shì)條件、航道條件及效果評(píng)價(jià)來(lái)看，其選址位置河床穩(wěn)定，水域?qū)掗?，水深和水流條件良好，排水口工程的選址基本符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

2.2 平面布置

現(xiàn)狀排水口采用箱式排水結(jié)構(gòu)，排水坎頂標(biāo)高為2.50m，位于DHNWL和DLNWL之間，排水口前沿線與航道邊線齊平，當(dāng)航道水位低于2.50m時(shí)，呈瀑布式入流形態(tài)。當(dāng)航道水位較高時(shí)，呈淹沒(méi)漫溢出流狀態(tài)。《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)排水口提出“在航道和可能通航的水域內(nèi)設(shè)置淹沒(méi)在水下的取排水設(shè)施、船臺(tái)滑道等水下臨河建筑物，其頂部設(shè)置深度……”，規(guī)范未禁止在航道水面以上設(shè)置排水口，亦未對(duì)水面以上設(shè)置排水口提出具體布置要求，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)狀工程平面布置未違背規(guī)范中相關(guān)要求。但客觀上，當(dāng)航道水位較低時(shí)，排水口呈瀑布式入流形態(tài)會(huì)對(duì)準(zhǔn)備進(jìn)入施橋三號(hào)船閘的待閘船舶帶來(lái)較大影響，在夜晚等視線不良時(shí)，安全隱患尤大。據(jù)調(diào)研，三號(hào)船閘自2011年建成后，由于排水口瀑布式入流形態(tài)對(duì)待閘船舶特別是船隊(duì)帶來(lái)了許多威脅，船隊(duì)在經(jīng)過(guò)排水口位置時(shí)受橫流影響偏離待閘區(qū)，造成進(jìn)閘困難，甚至?xí)?duì)一號(hào)船閘進(jìn)出閘船舶造成干擾。

2.3 對(duì)水流條件的影響

為研究排水口工程流量增加后對(duì)航道水流條件的影響，以工程航段地形圖為基礎(chǔ)，采用垂向平均的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)工程附近水域進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)MIKE21中SOURCES工具模擬排水口管徑為DN1600時(shí)的排水狀態(tài)，對(duì)流量增大后DHNWL、DLNWL分別進(jìn)行計(jì)算。模型上邊界為固定邊界，下邊界為水位邊界。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)擴(kuò)大排水口改造工程流量增大后工程河段流速及流向進(jìn)行了比較分析，如圖5、圖6所示。

圖5? 流量增大后流場(chǎng)圖- DHNWL

圖6? 流量增大后流場(chǎng)圖- DLNWL

由圖5和圖6可知，排水口流量增大后，在DHNWL及DLNWL工況下均形成了略指向航道下游的橫流及回流。在DHNWL時(shí)，最大橫流值在0.19-0.21m/s左右，在DLNWL時(shí)，最大橫流值在0.32-0.36m/s左右;DHNWL時(shí)回流流速值小于0.10m/s，DLNWL時(shí)回流流速值小于0.16m/s。其中DLNWL時(shí)排水引起的最大橫流值超過(guò)了《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》及《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中引航道內(nèi)橫向流速不超過(guò)0.3m/s的要求。

2.4 橫流對(duì)船舶通航的影響

排水口工程緊鄰施橋三號(hào)船閘布置，位于施橋三號(hào)船閘下游引航道右側(cè)岸邊，排水口前沿線與航道護(hù)岸前沿線齊平。從數(shù)模分析結(jié)果可知，排水口流量增大后，在DLNWL時(shí)，排水所引起的橫流值超出規(guī)范要求，在DHNWL時(shí)，排水所引起的橫流值及回流值能滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）及《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ305-2001）中引航道內(nèi)橫向流速不超過(guò)0.3m/s及回流流速不超過(guò)0.4m/s的要求。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，改造工程下游緊鄰三號(hào)船閘進(jìn)閘待閘區(qū)，直線進(jìn)閘的船舶從靜止待閘狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，初始航速較小，現(xiàn)狀排水口消力池底板頂高程位于DLNWL以上，當(dāng)航道水位較低時(shí)，為瀑布式排放入流，易受該排水口較大橫流影響而偏離航向，會(huì)給進(jìn)閘船舶帶來(lái)不利影響。

3 問(wèn)題及對(duì)策

3.1存在問(wèn)題

如前所述，擴(kuò)大排水口改造工程選址受限，緊鄰施橋三號(hào)船閘下游待閘區(qū)布置;且其排水口高程位于DLNWL以上，排水口前沿線與航道邊線齊平，航道水位較低時(shí)，呈瀑布式入流形態(tài);排水口流量增大后，DLNWL時(shí)排水引起的橫流值亦超出了規(guī)范中的數(shù)值要求，會(huì)對(duì)航道條件及通航安全帶來(lái)不利影響。

3.2解決措施

為解決存在的問(wèn)題，本工程擬利用京杭運(yùn)河施橋船閘至長(zhǎng)江口門(mén)段航道整治工程實(shí)施的契機(jī)，對(duì)排水口工程在原址進(jìn)行技術(shù)改造。

圖7? 排水口改造工程平立面圖

技術(shù)改造主要包括消力池改造及排水管更換兩個(gè)方面。

消力池改造方面：根據(jù)改造方案（見(jiàn)圖7），排水口采用下挖式底流消能，消力池斜坡段長(zhǎng)17m，凈寬由3m逐漸擴(kuò)散至8m，擴(kuò)散角8.37°，消力池長(zhǎng)10m，消力池凈寬8m，池深0.5m，底板厚0.6m，消力池底板高程-1.90m，尾坎頂高程-1.40m。改造工程實(shí)施后，排水口底板及消力坎均位于DLNWL以下，消力池長(zhǎng)度由現(xiàn)狀的8.5m增加至27m，排水方式更為科學(xué)合理。

排水管更換：將現(xiàn)有排水管道由DN1600更換為DN1800。

3.3效果分析

根據(jù)改造后的方案，采用垂向平均的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)工程附近水域進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)MIKE21中SOURCES工具模擬排水口管徑為DN1800時(shí)的排水狀態(tài)，對(duì)排水口技術(shù)改造后在DHNWL、DLNWL兩種極端狀態(tài)下分別進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 改造后流場(chǎng)圖- DHNWL

圖9 改造后流場(chǎng)圖- DLNWL

由圖8和圖9可知，改造后DHNWL及DLNWL時(shí)，流場(chǎng)呈噴射狀，流向與航道邊線幾乎垂直，橫流范圍較改造前（圖6和圖7）明顯減小，最大影響范圍在一號(hào)船閘和三號(hào)船閘之間，水流未頂沖至一號(hào)船閘與二號(hào)船閘之間的隔堤。DHNWL時(shí)排水口最大流速小于0.10m/s，DLNWL時(shí)排水口最大流速小于0.20m/s。

從數(shù)模分析結(jié)果可知，在對(duì)排水口頭部進(jìn)行技術(shù)改造后，得益于采取了針對(duì)性的措施，盡管排水流量增加，但排水口工程引起的橫流值及范圍均有所減小;在DHNWL時(shí)，排水口排水引起的橫流值及范圍均小于DLNWL;在DHNWL時(shí)最大橫流值約為0.1m/s，在DLNWL時(shí)最大橫流值約為0.20m/s，各工況下橫流值均小于0.3m/s，滿足規(guī)范相關(guān)要求。擴(kuò)大排水口改造工程引起工程區(qū)域附近的水位壅高幅度很小，僅發(fā)生在消力池范圍內(nèi)，對(duì)航道通航水深基本沒(méi)有影響。

4相關(guān)建議

以湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口改造工程為例，排水口工程的建設(shè)對(duì)今后在京杭運(yùn)河上的類(lèi)似工程改造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

4.1選址方面

在滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中要求外，排水口的選址應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離船閘、引航道、錨地等船舶流量密度大、對(duì)橫流特別敏感的區(qū)域，以減小橫流對(duì)船舶航行的影響。

4.2平面布置方面

排水口布置應(yīng)遠(yuǎn)離可通航水域，可采用挖入式平面布置或者布置在航道支汊中，避免水流以瀑布入流形態(tài)直接排入航道可通航水域中。

在實(shí)踐中當(dāng)發(fā)生排水流量較大造成水流條件不滿足規(guī)范流速要求時(shí)，可通過(guò)加大排水管直徑的方法減小流速，管道直徑型號(hào)可通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算確定。

4.3排水口設(shè)施高程確定方面

從湯汪污水處理廠擴(kuò)大排水口工程來(lái)看，除有特殊功能需要，排水口設(shè)施頂標(biāo)高宜明確設(shè)置在DLNWL以下，以減少自由出流水流及產(chǎn)生的橫流對(duì)航道水流流態(tài)及船舶通航帶來(lái)的不利影響。建議規(guī)范中對(duì)排水設(shè)施頂部設(shè)置深度做進(jìn)一步明確，若允許在水面以上設(shè)置排水口設(shè)施，則宜對(duì)布置方式提出相關(guān)要求。

5? 結(jié)語(yǔ)

排水口工程是一種特殊的臨河工程，不同于取水口工程為保證取水效果必須將取水頭部布置在DLNWL以下，建設(shè)單位為減小排水動(dòng)力費(fèi)用傾向于盡可能讓排水口處于自由出流而非淹沒(méi)出流狀態(tài)。因排水量大小而異，排水工程會(huì)使航道中產(chǎn)生一定橫流和回流，較大的橫流和回流又會(huì)對(duì)船舶通航帶來(lái)安全影響。

水運(yùn)復(fù)興，航道先行。航道與排水口等臨河設(shè)施是相互依存的，未來(lái)在航道中建設(shè)排水口類(lèi)工程時(shí)，應(yīng)具體分析工程需要，結(jié)合文中選址、平面布置、排水口設(shè)施高程確定等諸多方面因素綜合考慮工程建設(shè)對(duì)航道的影響，提出科學(xué)、合理的技術(shù)方案，從而形成共贏局面，促進(jìn)京杭運(yùn)河航道事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]? GB50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]? 許樂(lè)華，徐亞玲.臨河（湖、海）工程航道通航條件影響評(píng)價(jià)關(guān)鍵要素研究[J].水道港口，2017，38（4）：380-383.

[3]? 楊睿.揚(yáng)州市湯汪污水處理廠三期工程初步設(shè)計(jì)[R].天津：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，2017.