航塘港泵閘水利樞紐總體布置研究

潘 源，沈小立

（1.上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市200082；2.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

上海市浦東新區(qū)航塘港泵閘設(shè)在航塘港與杭州灣交匯處的河口附近。這樣，既可有效地縮短與杭州灣海塘的連接段長度，節(jié)省工程投資，同時又可兼顧施工期杭州灣一線海塘的安全，控制防汛風(fēng)險和施工難度。最終，確定泵橫軸線距現(xiàn)有海塘中心線距離165m。新建節(jié)制閘孔徑為24m（3孔×8m）。同時，新建60m3/s單向排水泵站一座，配置4臺15m3/s斜式軸流泵[1-2]。從而，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）滿足排澇﹑防洪（潮）和水資源調(diào)度的綜合功能要求。

（2）工程總體布置必須與區(qū)域總體規(guī)劃要求一致，建筑物外形與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，盡量將閘站建筑物融入到航塘港沿線開闊的空間中去，同時少占土地，便于調(diào)度管理。

（3）各單體建筑物間銜接順暢，滿足各單體規(guī)范的布置要求，有利于設(shè)備布置、安裝、運行及監(jiān)測的系統(tǒng)功能。

2 工程總體布置

工程平面布置采用“泵+閘”的不對稱布置方案。水閘布置在河道右側(cè)，泵站布置在河道左側(cè)，泵站及水閘底板永久分縫設(shè)置。順水流方向總長度394.40m，垂直水流方向總長度56.52m。站身閘首內(nèi)縮，泵閘橫軸線（外河交通橋中心線）距離現(xiàn)狀海塘大堤堤頂中心線約165.0m。

外海側(cè)考慮與現(xiàn)狀海堤及堤外現(xiàn)狀（規(guī)劃）保灘順壩順接，形成出流通道，設(shè)216.4m引河匯入外海。泵站從內(nèi)河側(cè)至外河側(cè)各部泵站采用正向進水方式，口寬為26.30m，布置（4臺×15m3/s）單向斜式軸流泵，流道底板高程為-3.40m/-1.70m（上游側(cè)/下游側(cè)）；閘首口寬為30.20m，設(shè)置3孔凈寬8.0m的潛孔式平面直升門，閘門堰頂高程-0.50m，門頂標高4.50 m（胸墻底標高4.0 m），中間設(shè)置20mm寬沉降縫；內(nèi)河海漫段、進水池與站身閘首與規(guī)劃河口（55.0m）順接；外河側(cè)消力池及出水池側(cè)墻與規(guī)劃河口（55.0m）順接，外河海漫段口寬109.0m，采用圓弧翼墻及放坡過渡銜接。

圖1為泵閘總體布置圖。

圖1 泵閘總體布置圖

3 總體布置數(shù)模論證

為了分析方案布置的水動力合理性，以及工程建成后泵閘排水的水流流態(tài)情況及對周邊河道、杭州灣灘面的影響，采用有限元計算分析工程區(qū)域水流流態(tài)、流速分布，為工程設(shè)計方案提供驗證。

綜合考慮工程位置、研究目的等因素，模型上邊界取航塘港泵閘上游1 000m與內(nèi)河相接處，下邊界取航塘港下游1 000m杭州灣水域。這樣，能較好地模擬所研究河道流場。該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。

圖2為泵閘網(wǎng)格細部示意圖。

圖2 泵閘網(wǎng)格細部示意圖

3.1 工況1：關(guān)閘開泵排水工況

考慮模擬開泵時的最不利工況，內(nèi)河水位取內(nèi)河預(yù)降水位2.0m，外江水位取開泵排水過程中外河水位最不利工況，即最低潮位2.0 m，過流量取設(shè)計流量Q=60m3/s。

圖3為關(guān)閘開泵排水時河段流速圖。

圖3 關(guān)閘開泵排水時河段流速圖

從圖3中可看出，在工況一關(guān)閘開泵排水工況下，從排水工況流場可以看出，水流進出泵閘流路清晰，擴散均勻，未見回流區(qū)，總體流態(tài)較好，但在內(nèi)河段汊口處局部區(qū)域有緩流區(qū)產(chǎn)生。該緩流區(qū)由河道地形控制無法避免，應(yīng)創(chuàng)造條件允許可順滑該區(qū)域河道邊界。泵閘處峰值流速較高，但經(jīng)過內(nèi)外河海漫段的緩沖消能，以及河道過流斷面漸寬，河道流速逐漸降低。

其水流流速及流場的影響主要表現(xiàn)為，上游流速大于0.8m/s（不沖流速）的范圍在泵閘以上470m范圍內(nèi)；下游大于0.8m/s的范圍在泵閘以下30m范圍內(nèi)，外海杭州灣流速均小于0.5m/s，流速較小。

3.2 工況2：水閘閘門全開排水工況

考慮模擬水閘閘門全開的最不利工況，內(nèi)河水位取內(nèi)河最高水位3.7m，考慮閘門全開時允許取的內(nèi)外河最大高差0.3m，即外河潮位3.4m，過流量取水閘最大過流量134.2m3/s。

圖4為水閘閘門全開排水時河段流速圖。

圖4 水閘閘門全開排水時河段流速圖

從圖4中可看出，在水閘閘門全開排水工況下，內(nèi)河流速大于0.8m/s（不沖流速）的范圍在泵閘以上520m范圍內(nèi)；下游大于0.8m/s的范圍在泵閘以下220m范圍內(nèi)。

該工程在泵閘上游500m至杭州灣范圍內(nèi)均設(shè)置了灌砌塊石護底，可滿足抗沖刷要求。

4 總體布置物模論證

為保證航塘港泵閘工程的安全運行，擬通過水工模型試驗驗證泵閘平面布置和消能防沖設(shè)施結(jié)構(gòu)，測試水閘過流能力、泵閘進出水流態(tài)及流速分布，分析泵閘運行對杭州灣海域、兩側(cè)現(xiàn)狀灘面及內(nèi)河側(cè)河道的影響。提出合適的消能、導(dǎo)流、保護范圍和相應(yīng)的工程措施，優(yōu)化泵閘結(jié)構(gòu)布置。

圖5為航塘港泵閘整體水工模型。

4.1 泵站排水工況

內(nèi)河水位2.50m，外河水位5.50m，泵排流量60m3/s。試驗中觀測到內(nèi)河來流平順、均勻。至樞紐前，左側(cè)水流沿岸墻平順流入泵站前池，右側(cè)水流逐步收縮繞泵閘隔墻頭部流入泵站前池。

圖5 航塘港泵閘整體水工模型

圖6為泵站運行工況內(nèi)河流態(tài)效果圖，圖7為泵站運行工況內(nèi)河垂線平均流速分布圖。

圖6 泵站運行工況內(nèi)河流態(tài)效果圖

圖7 泵站運行工況內(nèi)河垂線平均流速分布圖

受泵閘分側(cè)布置影響，內(nèi)河右側(cè)水流繞泵閘隔墻頭部流向泵站前池。由于泵站采用攔污柵橋前置布置，且加密了攔污柵墩，發(fā)揮了較好的整流作用。右側(cè)繞流被攔污柵墩分割并強迫轉(zhuǎn)向，流入泵站前池，僅在近閘側(cè)攔污柵橋孔內(nèi)（右側(cè)）存在較小的回流區(qū)，回流區(qū)最大寬度約為攔污柵橋孔的一半，長度與攔污柵墩相近。由于回流區(qū)較小，對進水池水流影響不顯著，僅近閘側(cè)局部流速稍低。

圖8為泵站運行工況前池流態(tài)效果圖，圖9為泵站運行工況前池垂線平均流速分布圖。

圖8 泵站運行工況前池流態(tài)效果圖

圖9 泵站運行工況前池垂線平均流速分布圖

在試驗中，觀測到出水池出口水流大致均勻。出池后水流右側(cè)突擴，在水閘側(cè)形成較大的回流區(qū)，主流偏于外河左側(cè)。外河出口斷面水流擴散至右側(cè)，流速呈左大右小分布。水流出外河后兩側(cè)海灘上形成較大回流區(qū)，主流有所壓縮，局部流速略有加大。外河雖存在明顯偏流，但總體流速較低，對局部沖刷影響不大。

圖10為泵站運行工況外河流態(tài)效果圖，圖11為泵站運行工況外河垂線平均流速分布圖。

圖10 泵站運行工況外河流態(tài)效果圖

圖11 泵站運行工況外河垂線平均流速分布圖

試驗表明，泵站運行工況內(nèi)河來流平順均勻，前池進流流態(tài)較好，出水池出口水流大致均勻，外河主流偏于左側(cè)，右側(cè)形成較大回流區(qū)，但總體流速較小，對無防護區(qū)沖刷影響不明顯。

4.2 水閘消能工況

內(nèi)河水位3.75m（最高水位），外河水位0.04m（平均低潮位），閘門開啟高度1.75m。試驗實測排澇流量204m3/s，內(nèi)河來流平順均勻。過閘流態(tài)為自由孔流，消力池能形成穩(wěn)定水躍，躍首位于消力池斜坡末端向后2~4m左右（長時間觀測能保持穩(wěn)定），躍尾距消力池尾坎3m左右。消力池長度深度滿足設(shè)計要求。出池水流大致均勻。外河水位不能降至0.04m，控制外海水位為0.04m。池后水面跌落顯著，在海漫段形成大范圍跌落區(qū)，跌落區(qū)最大流速在5.48m/s左右，外海水面波動顯著，外河出口處亦形成較大的跌落區(qū)。

圖12為消能工況閘下流態(tài)效果圖，圖13為消能工況外河流態(tài)效果圖，圖14為消能工況外河垂線平均流速分布圖。

圖12 消能工況閘下流態(tài)效果圖

圖13 消能工況外河流態(tài)效果圖

圖14 消能工況外河垂線平均流速分布圖

在試驗中觀測到，逐步抬高外河水位，可減小跌落區(qū)，減輕外河水面波動。當外河水位升高至1.85m時，池后水面跌落基本消除，池中水躍躍首位于消力池斜坡段中下段，水躍穩(wěn)定。閘下主流偏于外河右側(cè)，左側(cè)（泵站側(cè)）形成較大的回流區(qū)，至外河出口處，主流基本沿外河河槽方向出流，兩側(cè)海灘上形成較大的回流區(qū)，主流有所壓縮。

試驗表明，消力池長度、深度滿足設(shè)計要求，能形成穩(wěn)定水躍。池后水面跌落，在閘下形成較大的跌落區(qū)，海漫段水面波動顯著，出池水流立面銜接不良。外河水位升高可消除池后水面跌落，改善出池水流立面銜接形態(tài)。主流偏于外河右側(cè)，左側(cè)形成較大的回流區(qū)。外河出口后，兩側(cè)海灘上形成較大的回流區(qū)，對主流有一定壓縮。

針對閘下出流存在的不良流態(tài)，對方案進行修改，以改善閘下水流流態(tài)，減輕外河側(cè)沖刷。

外河泵閘隔墻長度縮短6m，頂高程降至2.0m。消力池尾坎上增設(shè)0.75m的底坎。在消力池尾坎后按6m間距分布，布置高0.75m、0.5m底坎各一道。高低不一的底坎共計3道。其作用：一是增加擴散均化海漫段水流，減小左側(cè)回流區(qū)；二是將跌落區(qū)進行分割壓縮，使得最后一道坎后水流能在較短的流程內(nèi)平穩(wěn)均勻。

圖15為整改方案閘下流態(tài)效果圖。

圖15 整改方案閘下流態(tài)效果圖

在試驗中觀測到，隨著外河水位升高，出閘水流向左側(cè)擴散逐步減弱，左側(cè)流速有明顯減小，右側(cè)流速有所加大，主流逐步偏右，但過流寬度仍明顯大于原方案對應(yīng)水位的寬度。在高水位運行時，外河水流均勻性較原方案有明顯提高。

5 結(jié)論與建議

基于試驗成果，可得到以下結(jié)論與建議。

（1）樞紐總體布置合理可行，各工況內(nèi)河來流平順；泵站運行各泵進流條件良好，未見影響水泵安全運行的惡劣流態(tài)；水閘過流能力較大；消力池長度、深度滿足設(shè)計要求，各工況均能形成穩(wěn)定水躍。

（2）受樞紐布置型式影響，外河較低水位下，消力池后水面跌落較為嚴重，跌落區(qū)范圍大，局部流速大，海漫段水面波動顯著，經(jīng)對方案修改，可明顯提高外河水流的均勻性。

（3）上游流速大于0.8 m/s（不沖流速）的范圍均在泵閘以北500m范圍內(nèi)，且在河道相交處流速均小于0.5m/s，該工程在該范圍內(nèi)均設(shè)置了河底護砌，可滿足沖刷要求；泵閘運行時杭州灣側(cè)的的流速不大，經(jīng)過樞紐工程外河側(cè)海漫及引河段外的流速基本控制小于0.3m/s的范圍均較小，對杭州灣外海灘地基本沒有沖刷影響，泵閘的總體布置方案合理。