感潮河段支流口門樞紐布置方法研究

李壽千，朱明成，朱 昊，杭 丹，陸永軍

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.江蘇省太湖治理工程建設(shè)管理局，江蘇 常州 213001)

水資源分布不均勻及水質(zhì)惡化導(dǎo)致水問題突出，使得實施跨流域調(diào)水工程十分緊迫。水利樞紐作為調(diào)水工程的控制工程，通常節(jié)制閘、泵站、船閘合建，兼?zhèn)湟?、防洪、通航等多功能，其科學(xué)合理的平面布置決定了調(diào)水工程效益的充分發(fā)揮[1]。平原地區(qū)的多功能樞紐，閘站通常合建布置，與分建布置相比，樞紐建筑物布置更為緊湊，減小占地面積；泵站水閘的基礎(chǔ)相連，大幅降低工程造價，且方便管理，達到一站多用的目的[2]。閘站合建布置通常根據(jù)河勢、功能、水流條件分為平面不對稱布置，平面對稱布置，及立面分層布置，其中平面不對稱布置適用于泵站規(guī)模較大的樞紐布置中，平面對稱布置適合于水閘引排為主兼具開閘通航功能的樞紐，立面分層布置適用于規(guī)模較小的水利樞紐或者雙向引排的樞紐[3]。閘站合建布置盡管節(jié)省了投資，但閘站單獨運行時，受布置與結(jié)構(gòu)的限制將出現(xiàn)主流偏折，閘前產(chǎn)生橫向流速和回流等不良流態(tài)，降低過閘能力及泵站抽水效率[4]。因此，閘站布置的研究主要集中于樞紐的進流特征及其改善措施，不少學(xué)者進行了有益的探索[5-8]，基本的共識為重視閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻的設(shè)計，導(dǎo)流墻雖不能徹底消除閘前回流，但可調(diào)整回流區(qū)位置及大小，減小對水閘泄流的影響；加強泵站前池的設(shè)計，前池進流條件應(yīng)盡可能順應(yīng)上游水流態(tài)勢，并配合相應(yīng)的整流措施，保證前池水流均勻正向進入泵室。若樞紐具有通航要求時，其平面布置更加復(fù)雜[9-10]，為保證通航運行安全，樞紐盡可能遠離主河道，船閘通常與閘站進行分離式的布置，如望虞河常熟水利樞紐閘站對稱結(jié)合布置及船閘分離布置[11]和泰州引江河高港樞紐[12]閘站非對稱結(jié)合布置及船閘分離布置。

近來跨流域調(diào)水需求迫切及征地問題突出，使得感潮河段支流近口門區(qū)水利樞紐需考慮節(jié)制閘、泵站、船閘合建布置，其相關(guān)技術(shù)問題亟待解決。感潮河段水位流速實時變化，漲落潮歷時不對稱，特別是土地使用受限條件下其支流口門樞紐離主河道較近時，樞紐外江側(cè)水流受到主河道漲落潮牽制作用，水流問題復(fù)雜，引水、排澇及通航協(xié)調(diào)困難。本研究以新孟河延伸拓浚工程的界牌水利樞紐為例，根據(jù)感潮河段支流口門多功能樞紐水動力特征，總結(jié)其存在問題，并提出該類樞紐的布置原則，為該類樞紐的建設(shè)運行提供依據(jù)。

1 基本情況

新孟河為長江揚中河段太平洲右汊支流，于蒲河和小夾江之間入江。界牌水利樞紐位于新孟河入江口門處（如圖1），為新孟河延伸拓浚工程的引排水關(guān)鍵控制性樞紐。揚中河段為長江下游感潮河段，位于潮流界的末端，同時受到徑流和潮汐的影響。太平洲左汊是主汊，江寬水深，多年來分流比維持在90%左右，右汊是支汊，窄淺而彎曲。揚中河段潮型屬非正規(guī)半日淺海潮，一天中有兩漲兩落。每日漲潮歷時超過3 h，落潮歷時超過8 h，枯期因長江徑流流量較小，河段內(nèi)會出現(xiàn)漲潮流，即發(fā)生雙向流，汛期徑流流量較大，河段內(nèi)基本上不出現(xiàn)漲潮流，只有落潮流，即呈單向流[13]。

圖1 揚中河段河勢及界牌樞紐布置Fig.1 The river regime of Yangzhong Reach and the layout of Jiepai Junction

界牌水利樞紐工程節(jié)制閘、泵站、船閘合建，為防洪、排澇、引水和通航多功能樞紐。新孟河整體斜向入江，與大夾江呈57.8°的夾角，界牌樞紐位于離入江口700 m 處，外江側(cè)口門寬度320 m。節(jié)制閘正對于主河道，泵站布置于大夾江側(cè)，船閘布置于蒲河側(cè)，閘站之間兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)流墻，引航道兩側(cè)口門區(qū)均設(shè)有導(dǎo)航墻。節(jié)制閘雙向引排，總凈寬80 m，設(shè)計流量為745 m3/s；泵站亦雙向引排，泵房寬度100 m，設(shè)計流量為300 m3/s；船閘等級為Ⅵ級，閘室尺度為16 m×180 m。

2 樞紐水動力特征及存在問題

采用物理模型研究樞紐現(xiàn)狀閘址條件下的整體水流條件，同時采用數(shù)學(xué)模型研究不同閘址條件下的整體水流條件，模型的建立、驗證及樞紐整體水流條件詳見文獻[14]，總結(jié)主要水動力特征及存在問題如下：落潮引水為樞紐運行常態(tài)工況，堤頭水流平穩(wěn)分流進入引河，受閘站間隔流墩遮蔽作用，節(jié)制閘進口水流分布不均勻，設(shè)計引水工況下，最左側(cè)閘孔平均流速為0.5 m/s，最右側(cè)閘孔平均流速1.5 m/s；落潮排水工況下，受到堤頭挑流作用，水流以較大的夾角與大夾江匯合，對大夾江頂沖明顯，設(shè)計排水工況下，可頂沖深入大夾江240 m 范圍；漲潮引水工況下，受堤頭的挑流作用，船閘引航道口門區(qū)表面橫流超標，設(shè)計引水工況下達0.5 m/s，同時受到閘站間隔流墩遮蔽作用，泵站進口處流速分布不均勻，設(shè)計引水工況下，最左側(cè)閘孔平均流速為0.34 m/s，其臨近閘孔平均流速0.53 m/s；漲潮排水工況，水流以較小的夾角與大夾江匯合，整體水流平順。

總體而言，樞紐外江側(cè)口門開敞，引排水受漲落潮牽制明顯，致使入江口堤頭凸出挑流，泵站、節(jié)制閘進口及引航道口門區(qū)存在斜流；而樞紐內(nèi)河側(cè)邊界固定，且節(jié)制閘正對引河，引航道處于遮蔽區(qū)，引排水流平順；樞紐引水、排澇、通航等多功能協(xié)調(diào)困難。

3 樞紐布置原則

根據(jù)上述樞紐整體水流條件，提出感潮河段多功能樞紐整體布置原則，包括引河口門與主河道的夾角，樞紐離主河道的距離，泵站、節(jié)制閘及船閘相互位置，入江口堤頭形式。

3.1 引河口門與主河道的夾角

引河縱軸線與主河道縱軸線的夾角定義為引河與主河道的夾角，取決于大夾江水流河勢條件及樞紐主要功能發(fā)揮，為二者綜合協(xié)調(diào)的結(jié)果，同時夾角的確定可參考附近自然條件形成支流河口的河勢。

大夾江為感潮河段，漲落潮歷時不對稱，新孟河主體功能為節(jié)制閘自引水，漲落潮情形下引水發(fā)生的概率分別為TF/(TF+TE)及 TE/(TF+TE)，其中TF為漲潮歷時，TE為落潮歷時。為盡量保持引河水流平順及河勢穩(wěn)定，漲潮引水引河與主河道的夾角宜大于90°，落潮引水引河與主河道的夾角宜小于90°，綜合角度取決于二者的相對比例TE/TF，可表示為：

顯然，漲潮歷時大于落潮歷時情形下，夾角為鈍角；漲潮歷時等于落潮歷時時，樞紐呈正交布置；漲潮歷時小于落潮歷時情形下，夾角為銳角。感潮河段屬于第三種情形，因此夾角為銳角。

引河入江口下游側(cè)即為小夾江入江口，而小夾江入江口門平面形態(tài)及整體河勢是由大夾江長期漲落潮動力及泥沙條件下自然塑造的，為當?shù)厮畡恿εc泥沙相互作用和適應(yīng)的結(jié)果，代表大夾江水動力及泥沙條件下，支流口門最為適宜和穩(wěn)定的形態(tài)和河勢，對新開引河入江口門與主河道夾角的確定具有重要的參考意義。新孟河入江口門夾角應(yīng)最大程度地尊重自然態(tài)勢，盡可能保持與鄰近小夾江口門平行布置，有利于入江口區(qū)引水條件協(xié)調(diào)及河勢的長期穩(wěn)定。現(xiàn)設(shè)計方案新孟河入江口門與大夾江的夾角為57.8°（圖1），呈銳角，且平面形態(tài)基本與小夾江平行，符合上述兩條原則，說明入江口門夾角布置合適。

3.2 樞紐離江邊距離

樞紐軸線離主河道岸邊的距離定義為樞紐離江邊的距離，在引河口門與主河道夾角確定的前提下，進一步確定樞紐離江邊距離。樞紐受到用地條件的限制，目前離江邊距離為700 m，為河寬（B=320 m）的2.2 倍，口門開敞，外江側(cè)水流受到夾江牽制作用明顯，落潮節(jié)制閘引水時，隔流墩頭部斜流嚴重，導(dǎo)致節(jié)制閘靠泵站側(cè)邊孔位于回流區(qū)，影響過流能力；同時漲潮泵站及節(jié)制閘引水時，外江側(cè)導(dǎo)航墻頭部存在折沖水流，引航道口門區(qū)橫流超標，樞紐各個功能協(xié)調(diào)存在著困難。采用數(shù)學(xué)模型來研究樞紐離江邊不同距離時水流條件。

數(shù)學(xué)模型計算方案為樞紐在離江現(xiàn)狀距離的基礎(chǔ)上前進100 m、后退100 m、后退1 000 m 布置，即樞紐離江邊600 m（1.9B），800 m（2.5B）及1 700 m（5.3B）布置。節(jié)制閘前斷面流速分布如圖2（a）所示，其中x1為離隔流墩距離，b1為節(jié)制閘的寬度，可見由于落潮引水時水流沿泵站側(cè)岸壁而下，隔流墩頭部依然存在橫流，流態(tài)無本質(zhì)改善，盡管隨著樞紐離江邊距離的增加，水流朝著口門中心有所擴散，隔流墩頭部橫流有減弱的趨勢，由于泵站所阻塞的主流流帶寬度較大，橫流減弱不明顯。外江側(cè)導(dǎo)航墻頭部表面橫流分布如圖2（b）所示，其中x2為離導(dǎo)航墻頭部距離，b2為船閘寬度，可見由于漲潮引水時主流仍貼節(jié)制閘側(cè)岸壁而下，導(dǎo)航墻處依然存在折沖水流，而橫流超標，流態(tài)無本質(zhì)改善。隨著樞紐離江邊距離的增加，水流逐漸朝口門中心擴散，流速分布趨于均勻，由于引航道遮蔽流帶寬度較窄，導(dǎo)航墻頭部的橫流有所減小，當樞紐離江1 700 m（5.3B）時，與原方案比，口門區(qū)表面橫流由0.70 m/s 減小至0.37 m/s。

圖2 樞紐離江不同距離條件下水流條件Fig.2 Branch mouth flow characteristics with different distances between the junction and the main river

因此，節(jié)制閘、泵站及引航道均開敞布置條件下，盡管樞紐遠離江邊具有一定的減弱節(jié)制閘堤頭斜流及引航道口門區(qū)橫流趨勢，但并沒有從本質(zhì)上改善不良流態(tài)。樞紐離江邊具有足夠空間距離的條件，考慮泵站側(cè)及船閘側(cè)岸壁均向河推進，縮窄口門區(qū)，引河正對主河道，泵站及引航道均處于遮蔽區(qū)，從本質(zhì)上改善不良流態(tài)（圖3）。

對于界牌樞紐，由于受到用地的限制，樞紐外江側(cè)不具備遮蔽型布置的條件，外江側(cè)不良流態(tài)需要局部工程措施來解決，比如外江側(cè)堤頭透空以消弱橫流，節(jié)制閘進口處增設(shè)整流墩來消弱橫流等，具體措施需要根據(jù)模型試驗來確定。

圖3 樞紐外江側(cè)泵站及引航道遮蔽型布置Fig.3 A shaded layout of the pumping station and approach channel at branch mouth

3.3 泵站、節(jié)制閘及船閘相對位置

在引河口門與主河道夾角及樞紐離入江口距離確定的前提下，需要根據(jù)樞紐的整體水動力條件及樞紐的主體功能確定泵站、節(jié)制閘及船閘的相互平面位置。

界牌水利樞紐的主體功能為落潮情形下節(jié)制閘引水，且節(jié)制閘引水主要以自引水為主，因此節(jié)制閘應(yīng)正對引河布置，使得水流進入引河后直往前行，減小阻力，最大程度滿足引水功能。在界牌樞紐常態(tài)運行工況即落潮節(jié)制閘引水情形下，引水分流后沿泵站側(cè)岸壁前行，至泵站前折沖進入節(jié)制閘，引水主流趨于泵站側(cè)岸壁，外江側(cè)引航道口門區(qū)遠離引水主流而為緩流區(qū)，水流出節(jié)制閘后，正對主河道直往前行，內(nèi)河側(cè)引航道口門區(qū)位于主流遮蔽區(qū)，通航水流條件較好，因此船閘宜布置在引河左側(cè)堤岸，協(xié)調(diào)通航功能。在此基礎(chǔ)上，為避免泵站進出流對船閘引航道通航水流條件的影響，同時考慮到泵站進出流與引河銜接時盡量避免較大的轉(zhuǎn)角，泵站宜布置在節(jié)制閘的另外一側(cè)。目前界牌樞紐節(jié)制閘、泵站、船閘的布置符合上述原則，相對位置布置合理。

3.4 入江口堤頭形狀

在樞紐整體平面布置確定的前提下，入江口堤頭形狀需要重點關(guān)注。由于引河口門與主河道呈銳角狀態(tài)，使得常態(tài)落潮引水水流平順，然而在落潮排水情形下挑流嚴重，水流直接頂沖大夾江，隨后較大的角度折沖轉(zhuǎn)向，向下游行進，落潮排水功能協(xié)調(diào)困難。

小夾江下游側(cè)堤頭形態(tài)是在大夾江漲落潮動力及泥沙條件下自然塑造形成的，是適應(yīng)各種水沙條件最為穩(wěn)定的形態(tài)。小夾江入江口上、下游堤頭形態(tài)如圖4 所示，上游堤頭為鈍角，坡度較陡峭；而下游堤頭為銳角且呈現(xiàn)梯級形式，下梯級角度約30°，而上梯級角度大于90°，下梯級銳角可以保證長時間落潮引水水流在下游側(cè)堤頭處平穩(wěn)分流，而上梯級鈍角主要保證短時間洪水落潮時平順排江，同時兼顧短時間漲潮引水水流平順入引江，對新孟河入江口下游側(cè)堤頭的形態(tài)布置具有重要的借鑒意義。

新孟河入江口與主河道間堤頭形態(tài)目前為銳角布置，堤頭斜坡坡度為1:3，按照上述原則，堤頭設(shè)置為梯級布置，中水位2 m 以上部分保持坡度不變后退50 m 形成上梯級，中水位2 m 以下部分堤頭坡腳線保持不變，坡度減緩與上梯級坡腳線銜接形成下梯級（圖4）。

圖4 入江口下游側(cè)堤頭形態(tài)Fig.4 The shape of the lower embankment head at branch mouth

4 結(jié) 語

感潮河段支流口門樞紐外江側(cè)口門開敞，引排水受漲落潮牽制明顯，致使入江口堤頭凸出挑流，泵站、節(jié)制閘進口及引航道口門區(qū)存在斜流；而樞紐內(nèi)河側(cè)邊界固定，且節(jié)制閘正對引河，引航道處于遮蔽區(qū)，引排水流平順。樞紐整體布置遵循以下方法：新開引河口門區(qū)與主河道呈銳角布置，具體角度取決于漲落潮歷時對比，協(xié)調(diào)引水功能；引河與主河道之間堤頭形態(tài)呈梯級布置，下梯級為銳角，上梯級為鈍角，協(xié)調(diào)排水功能；節(jié)制閘正對引河布置，船閘布置在節(jié)制閘常態(tài)緩流區(qū)側(cè)，泵站布置在節(jié)制閘另一側(cè)，重點協(xié)調(diào)通航功能；在場地空間不受限情形下，樞紐盡可能遠離口門區(qū)，使泵站和引航道位于岸線遮蔽區(qū)，減弱泵站進口、節(jié)制閘進口及引航道口門區(qū)不良流態(tài)，協(xié)調(diào)樞紐各功能充分發(fā)揮。