杭州八堡泵站泵前航道安全調(diào)度研究

包中進(jìn)，劉 云，韓曉維

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

內(nèi)河航道作為地區(qū)水系的重要組成部分之一，經(jīng)常承擔(dān)著區(qū)域行洪、排澇等水利功能。因此，在航道的支流河口經(jīng)常會(huì)設(shè)有泵閘，泵閘在引排水過程中必定產(chǎn)生水流交匯現(xiàn)象，從而引起航道中的水流流速及流態(tài)的變化，對(duì)航道安全產(chǎn)生一定的影響[1,2]。針對(duì)泵閘口門航道段通航水流條件改善工程措施已有不少研究，但同樣合理的泵閘運(yùn)行調(diào)度方案也直接關(guān)系到排澇效果是否顯著、河(航)道運(yùn)行是否安全[3-4]。

八堡排水泵站工程利用運(yùn)河二通道作為排水干河，泵站運(yùn)行過程中，受泵站側(cè)向進(jìn)流影響，極易形成泡漩、亂流等影響通航安全的不良流態(tài)[5-7]，且進(jìn)水口附近航道橫向流速容易超標(biāo)；另一方面，當(dāng)泵站大流量排澇時(shí)，運(yùn)河二通道航道水流條件發(fā)生變化，容易出現(xiàn)過高流速導(dǎo)致河道沖刷，影響河道建筑物安全。因此采用平面二維水力數(shù)值模擬對(duì)泵站不同運(yùn)行流量下，上游不同水位組合情況下泵前航道局部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，提出滿足泵前航道安全的水位流速相應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而提出保證泵前航道安全運(yùn)行的邊界條件。

1 工程概況

擴(kuò)大杭嘉湖南排—八堡排水泵站工程位于航運(yùn)部門規(guī)劃京杭運(yùn)河二通道一線船閘東側(cè)，為京杭運(yùn)河溝通錢塘江第二通道的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)工程，排水河道利用規(guī)劃京杭運(yùn)河二通道，排水口設(shè)在錢塘江北岸海塘上。工程任務(wù)是增加太湖流域水環(huán)境容量，促進(jìn)杭嘉湖東部平原河網(wǎng)水體流動(dòng)，提高向杭州灣排水能力，改善流域和杭嘉湖東部平原水環(huán)境；提高流域和區(qū)域防洪排澇和水資源配置能力，排澇設(shè)計(jì)流量200 m3/s，為大(1)型排澇泵站。

泵站上游引河中心線長(zhǎng)1 256.1 m，包含進(jìn)水口、進(jìn)水明渠、進(jìn)水箱涵等建筑物。進(jìn)水口位于九沙大道的南側(cè)，擬建運(yùn)河二通道航道漸變段東側(cè)。進(jìn)水口軸線與上游航道軸線成32°32′9″交角。過轉(zhuǎn)彎段后，軸線基本上平行于船閘航道。泵站進(jìn)水池位最高運(yùn)行水位3.19 m；設(shè)計(jì)運(yùn)行水位1.88 m；最低運(yùn)行水位，即停泵水位：0.52 m。

八堡兩線船閘平行并列布置，上游引航道長(zhǎng)505.3 m，其中導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)138 m，停泊段長(zhǎng)367.3 m；船舶制動(dòng)段長(zhǎng)275 m。運(yùn)河二通道設(shè)計(jì)最低通航水位為0.6 m，設(shè)計(jì)最高通航水位為2.4 m。泵站與船閘平面布置見圖1。

圖1 八堡泵站平面布置示意圖Fig.1 General layout of Babao pump station

2 研究方法

2.1 模型介紹

平面二維數(shù)學(xué)模型采用基于三角形網(wǎng)格的有限體積模式，該模型具有網(wǎng)格布置靈活、局部加密方便、適用性強(qiáng)、能夠模擬水閘、泵站等泄水建筑物等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于錢塘江、甌江口以及舟山等沿海地區(qū)的圍墾和防洪排澇工程研究中，取得了一定的成果。

(1)

(2)

(3)

2.2 模型范圍

泵站進(jìn)水口整體二維數(shù)模分析模型范圍涵蓋船閘引航道、上游運(yùn)河二通道、泵站進(jìn)水口、進(jìn)水明渠、進(jìn)水箱涵等。上游范圍模擬至匯合口上游1.5 km，下游模擬至泵站出口處，計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形梯度的差異，并對(duì)水流、地形復(fù)雜河段以及進(jìn)水口附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，以便更好地反映該地區(qū)的水流、地形的變化特征，保證模擬精度，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)共布設(shè)21 991 個(gè)三角形單元，11 968 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小網(wǎng)格尺寸1 m，模型范圍見圖2。

圖2 平面二維數(shù)學(xué)模型布置Fig.2 Layout of two-dimensional numerical model

2.3 模型邊界

模型邊界上游運(yùn)河二通道入口為水位邊界；下游泵站出口為流量邊界，按照泵站不同開啟臺(tái)數(shù)設(shè)定。

2.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證主要是模型計(jì)算參數(shù)的合理性，因本工程為新開河道，模型糙率參考類似泵站工程選取，并與物理模型試驗(yàn)相互補(bǔ)充驗(yàn)證。驗(yàn)證工況選取泵站進(jìn)水池水位1.64 m，4臺(tái)泵開啟，排澇流量為200 m3/s，數(shù)模流場(chǎng)分布圖見圖3，物模流場(chǎng)分布見圖4，流速驗(yàn)證結(jié)果見表1。

圖3 數(shù)模計(jì)算流場(chǎng)分布Fig.3 Flow distribution with numerical simulation

圖4 物模流場(chǎng)分布Fig.4 Flow distribution with physical model

從表1可以看出，數(shù)值模擬流場(chǎng)分布與物理模型較為接近，回流范圍及大小相近。從流速值來看，流速最大相差0.06 m/s，試驗(yàn)成果較為接近，模型滿足模擬精度要求。

表1 流速分布驗(yàn)證計(jì)算 m/s

3 研究成果

3.1 對(duì)航道沖刷安全的影響

八堡泵站利用運(yùn)河二通道排水，泵站運(yùn)行時(shí)使上游運(yùn)河二通道及引河內(nèi)流速增大，床面泥沙將由靜止向個(gè)別動(dòng)、少量動(dòng)甚至大量起動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)轉(zhuǎn)化，河床發(fā)生沖刷。隨著沖刷的發(fā)生和發(fā)展，航道內(nèi)水深增加，流速減緩，直至降低到與沖刷后水深條件下的泥沙起動(dòng)流速相同時(shí)，沖刷達(dá)到平衡。

設(shè)沖刷發(fā)生前河床某處的垂線平均流速為V1，水深為h，床面泥沙的起動(dòng)流速為Ue，極限沖刷深度為Δh，沖刷平衡情況下的垂線平均流速為V2，根據(jù)水流的連續(xù)性原理以及運(yùn)河河床斷面沿程相對(duì)均勻的特征，假定斷面上沖刷前后單寬流量沿橫斷面分布的趨勢(shì)不變，則有[8]：

V1h=V2(h+Δh)

(4)

根據(jù)指數(shù)流速分布公式，沖刷前床面臨底y處的流速分布為：

(5)

當(dāng)河床達(dá)到極限沖刷平衡時(shí)，床面臨底y處的流速分布亦可寫成：

(6)

由式(4)、式(5)及式(6)可得極限沖刷深度為：

(7)

河床質(zhì)的起動(dòng)流速可參照張瑞瑾公式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

式中：Ue為起動(dòng)流速，m/s；ρs為泥沙密度，本工程為2 700 kg/m3；ρ為水的容重，取1 000 kg/m3；d為泥沙粒徑，取0.03 mm；h為水深，m。

泵站運(yùn)行大流量且對(duì)應(yīng)匯合口低水位時(shí)，上游河道沖刷較為明顯，實(shí)際調(diào)度過程中，此類運(yùn)行工況較難出現(xiàn)，或出現(xiàn)時(shí)間較短。文章主要以河道不沖流速為控制指標(biāo)，研究泵前河道不同排澇流量時(shí)的水位流速響應(yīng)關(guān)系，并提出不同排澇流量時(shí)滿足航道不沖流速的安全水位，為泵站運(yùn)行安全調(diào)度提供技術(shù)支撐。泵站運(yùn)行流量考慮50、100、150、200 m3/s 4組情況，水位變幅從0.60～3.1 m。計(jì)算成果見表2。

表2 泵前航道水位流速響應(yīng)關(guān)系表Tab.2 The response of water level and velocity near pump station

由表2可見，在泵站運(yùn)行水位區(qū)間，當(dāng)泵站運(yùn)行50 m3/s時(shí)，航道不會(huì)產(chǎn)生沖刷；泵站運(yùn)行100 m3/s，當(dāng)匯合口水位低于0.7 m時(shí)航道開始發(fā)生沖刷；泵站運(yùn)行150 m3/s，當(dāng)匯合口水位低于1.6m時(shí)航道開始發(fā)生沖刷。

泵站設(shè)計(jì)排澇流量200 m3/s下運(yùn)行，河道普遍沖刷。此流量下沖深和匯合口水位關(guān)系為；

Tk= -2.45ln(x) + 2.76R2=0.998

式中：Tk為沖刷深度，m；H為匯合口水位，m。

3.2 對(duì)通航安全的影響

泵前航道為京杭運(yùn)河二通道，為Ⅲ級(jí)航道，按照內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)(GB50139-2014)和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ305-2001)[9,10]，口門區(qū)水面平行航線的縱向流速≤2.0 m/s，垂直航線的橫向流速≤0.30 m/s；制動(dòng)段L4和停泊段L3水面平行航線的縱向流速≤0.5 m/s，垂直航線的橫向流速≤0.15 m/s。

數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算了泵站運(yùn)行(50、100、150 m3/s)3組流量情況對(duì)應(yīng)不同運(yùn)河水位時(shí)的通航水流條件，計(jì)算成果表見表3。

泵站不同運(yùn)行工況下的水流流態(tài)基本相似。以泵站運(yùn)行50 m3/s、匯合口水位為1.6 m為例，水流流態(tài)和橫向流速及縱向流速等值線分布情況見圖5及圖6。

由圖可見，泵站運(yùn)行時(shí)，船閘制動(dòng)段區(qū)域內(nèi)主流逐漸偏向左側(cè)，產(chǎn)生橫向流，泵站運(yùn)行流量越大，橫向流速越大。制動(dòng)段右側(cè)部分區(qū)域存在一定的回流，停泊段位于進(jìn)水口下游，水流條件相對(duì)穩(wěn)定。

可以看出，泵站一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行50 m3/s流量，在運(yùn)河二通道內(nèi)最低通航水位0.6 m時(shí)，船閘口門最大縱向流速為0.34 m/s，最大橫向流速為0.06 m/s；制動(dòng)段最大縱向流速為0.30 m/s，最大橫向流速為0.10 m/s，均滿足規(guī)范要求的通航水流條件，若航道內(nèi)水位抬高，則流速進(jìn)一步減小，對(duì)船舶通航更為有利。因此，在通航水位區(qū)間內(nèi)，1臺(tái)泵站機(jī)組運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口附近航道水流條件均滿足通航要求。

表3 通航調(diào)度成果表Tab.3 List of navigation scheduling results

圖5 進(jìn)水口附近橫向流速分布Fig.5 Lateral velocity distribution near pump intakes

圖6 進(jìn)水口附近縱向流速分布Fig.6 Longitudinal velocity distribution near pump intakes

泵站兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行100 m3/s流量，匯合口水位在0.7～1.5 m之間時(shí)，口門區(qū)最大縱向流速在0.63～0.52 m/s之間，橫向流速約為0.14～0.11 m/s，仍可以滿足口門段的通航水流要求；而制動(dòng)段最大縱向流速在0.51～0.40 m/s之間，橫向流速約為0.18～0.15 m/s，不能滿足制動(dòng)段通航水流要求。因此，當(dāng)2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，只有當(dāng)匯合口水位大于1.5 m時(shí)，才能同時(shí)滿足口門區(qū)及制動(dòng)段的通航水流條件要求。

泵站三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行150 m3/s流量，當(dāng)匯合口水位在1.6～3.4 m之間時(shí)，口門區(qū)最大縱向流速在0.67～0.50 m/s之間，橫向流速約為0.15～0.13 m/s，口門區(qū)水流條件仍能滿足規(guī)范要求；但制動(dòng)段最大縱向流速在0.56～0.41 m/s之間，橫向流速可達(dá)0.20～0.15 m/s，不能滿足制動(dòng)段通航水流條件要求。3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，滿足通航要求所需要的水位為3.4 m，遠(yuǎn)高于運(yùn)河二通道內(nèi)最高通航水位2.4 m，故3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，匯合口航道水流條件不能滿足規(guī)范要求。

3.3 泵站安全調(diào)度運(yùn)行方式

根據(jù)不同運(yùn)行工況計(jì)算成果，提出了滿足航道不沖及通航安全的最低水位，即安全運(yùn)行邊界見表4。

表4 泵站安全運(yùn)行邊界Tab.4 Safe operation condition of pump station

4 結(jié) 論

(1)泵站進(jìn)水口與船閘引航道交匯布置運(yùn)行時(shí)，引航道容易出現(xiàn)主流偏斜、回流等不良水流流態(tài)，易形成較大的橫向流速，影響通航安全。

(2)以通航水流條件及航道不沖流速為指標(biāo)，提出了滿足泵前航道安全的調(diào)度方式。泵站一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行50 m3/s，對(duì)航道安全運(yùn)行沒有影響；泵站兩臺(tái)泵運(yùn)行，流量為100 m3/s時(shí)，當(dāng)匯合口水位大于0.7m時(shí)，附近航道均不會(huì)產(chǎn)生沖刷；水位大于1.5 m時(shí)，航道內(nèi)不沖刷且滿足通航要求。

泵站運(yùn)行150 m3/s，當(dāng)匯合口水位高于1.6 m時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖刷；泵站運(yùn)行200 m3/s，當(dāng)匯合口水位大于3.1 m時(shí)不會(huì)沖刷，此流量情況下均不宜通航。

(3)泵站設(shè)計(jì)排澇流量200 m3/s下運(yùn)行，河道普遍沖刷，此流量下沖深和匯合口水位關(guān)系為；Tk= -2.45ln(x) + 2.76，相關(guān)系數(shù)R2=0.998。

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