外環(huán)西河泵閘排澇對(duì)蘇州河通航的影響

傅建彬，孫 龍

（杭州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

水閘既能擋水又能泄水，在平原地區(qū)防洪、灌溉、排水、航運(yùn)等水利工程中應(yīng)用十分廣泛。由于其多為低水頭水工建筑物，水閘一般采用底流式（水躍）消能[1]，過閘水流在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，使閘下急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，但是低水頭水工建筑物存在弗汝德數(shù)低、水躍消能效果較差的問題[2]，下泄水流攜帶大量能量，水流紊動(dòng)劇烈，危及下游河床及通航安全[3]。外環(huán)西河泵閘工程位于外環(huán)西河河口入蘇州河處（約110 m），由8 m寬節(jié)制閘（設(shè)計(jì)流量40 m3/s）和20 m3/s的排澇泵站組成，工程平面布置見圖1。而蘇州河是1條通航河道，通航等級(jí)為Ⅵ級(jí)，為確保通航船只安全，蘇州河最大橫向流速不得大于0.3 m/s。如何解決外環(huán)西河泵閘在排澇時(shí)，下泄水流對(duì)蘇州河通航的影響是本次研究的重點(diǎn)。本文通過合理確定外河消力池的消能、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工程的總體布置，并對(duì)水閘安全運(yùn)行提出合理的調(diào)度要求。

圖1 工程平面布置圖 單位：m

2 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧阻力相似，幾何正態(tài)，具體各設(shè)計(jì)參數(shù)比尺：

模型長(zhǎng)度比尺：λL=20；流速比尺：λV= 200.5=4.47；流量比尺：λQ=202.5=1 788.85；糙率比尺：λn=201/6=1.648。

泵閘模型全長(zhǎng)約25 m，采用灰塑板制作，模擬了節(jié)制閘、泵站、內(nèi)外引渠、蘇州河的部分河段（見圖2）。

圖2 模型布置示意圖

3 工程設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)成果

3.1 原設(shè)計(jì)方案

工程排澇利用水閘自排，在汛期內(nèi)河水位高于2.50 m或暴雨前，需騰空內(nèi)河庫(kù)容時(shí)開閘排水，因此主要考慮水閘單向排澇對(duì)蘇州河通航安全影響。原設(shè)計(jì)方案中，內(nèi)外河進(jìn)出水池長(zhǎng)均為15 m，連接外環(huán)西河泵閘與蘇州河段的外河海漫段長(zhǎng)45 m，河底寬20 m，底高程-0.50 m，邊坡1:2.5，口寬40 m，河坡高程3.30 m以上采用鋼筋混凝土懸臂式擋墻。

（1）按節(jié)制閘排澇流量40 m3/s控制，結(jié)合蘇州河側(cè)不同水位測(cè)試蘇州河橫向流速、閘門開啟度，結(jié)果見表1。

表1 按流量控制排澇試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：在蘇州河高水位狀況下排澇，其橫向流速較?。划?dāng)外河水位2.50 m時(shí)，蘇州河最大橫向流速為0.94 m/s；當(dāng)外河水位降至規(guī)劃控制最低水位1.50 m時(shí)，蘇州河最大橫向流速為1.45 m/s。由此可見，在蘇州河平潮，外河水位降至規(guī)劃控制最低水位1.50 m狀態(tài)下排澇的工況為最不利通航的工況。

（2）按蘇州河橫向流速0.30 m/s控制，結(jié)合蘇州河平潮狀態(tài)測(cè)試節(jié)制閘允許排澇量，結(jié)果見表2。

正如我們?cè)诘谝还?jié)的最后所總結(jié)的一樣，推薦系統(tǒng)中的各種算法也具備算法的基本條件，但它們的特別之處在于它們是在通過一個(gè)特定的矩陣來分析各個(gè)用戶的行為數(shù)據(jù)而得到的一些相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(如下圖所示)，這其實(shí)就是為什么推薦系統(tǒng)一般能夠準(zhǔn)確的得出一個(gè)人的喜好的背后原理所在。

表2 按橫向流速控制排澇試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：在滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標(biāo)準(zhǔn)下，節(jié)制閘的允許排澇流量為15.5 ~25.6 m3/s。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案在滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標(biāo)準(zhǔn)下，不能有效發(fā)揮水閘原規(guī)劃排澇能力（40 m3/s）；受征地拆遷限制，本工程泵閘位置及外河海漫段河口寬度均無調(diào)整空間。因此本階段在現(xiàn)有泵閘閘址的基礎(chǔ)上，對(duì)外河海漫段進(jìn)行優(yōu)化，具體方案如下。

3.2.1 調(diào)整外河海漫段斷面

將原外河海漫梯形斷面調(diào)整為矩形斷面，河底與河口寬均為40 m，河底高程由-0.50 m降至-1.00 m，節(jié)制閘按40 m3/s排澇時(shí)，蘇州河橫向流速結(jié)果見表3。

表3 按流量控制排澇試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，外河海漫段斷面調(diào)整后，增加河道過水面積，但由于閘孔凈寬與外河海漫過水面積相差甚大，過閘水流缺乏海漫兩側(cè)擋墻的約束，不能充分?jǐn)U散，其主流的集中度比原方案更加明顯。

3.2.2 增加整流措施

針對(duì)梯形斷面對(duì)過閘水流缺乏約束，過閘水流較集中，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出增設(shè)整流措施，以便將過閘水流快速向兩側(cè)引導(dǎo)擴(kuò)散，具體采用4種整流措施試驗(yàn)進(jìn)行比較：

（1）在消力池后1.00 m處增設(shè)八字坎，坎高為1.75 m，寬8.00 m（見圖3）。

（2）在外河海漫段設(shè)置2排整流墩，第1排整流墩設(shè)置在閘后5 m處，5個(gè)墩，整流墩長(zhǎng)1.50 m，高0.50 m，厚0.80 m；第2排整流墩與第1排的凈間距4.20 m，錯(cuò)開布置，6個(gè)墩，整流墩尺寸與前排相同（見圖3）。

圖3 八字坎與整流墩布置圖 單位：m

（4）在海漫段布置W型坎，寬14.00 m，坎高1.75 m，厚0.80 m（見圖4）。

圖4 W型坎布置圖 單位：m

按照規(guī)劃排澇流量，對(duì)以上4種整流措施進(jìn)行排澇試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 增設(shè)整流措施后排澇試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在消力池側(cè)直接增設(shè)八字坎，過閘水流過八字坎后迅速向兩側(cè)擴(kuò)散，消除了由于主流集中而形成的回流，外河流態(tài)得到改善。蘇州河水位2.50~4.00 m時(shí)，河側(cè)橫向流速基本能滿足通航安全要求，允許排澇流量基本達(dá)到40 m3/s的要求。

（2）在海漫段設(shè)置整流墩群或折線式連續(xù)坎（高度由1.00 m漸變到1.75 m），若高度小于1.20 m，整流效果不明顯；墩高為1.50~1.75 m時(shí)，八字坎措施整流效果最好。其中設(shè)置整流墩后，海漫段水流形態(tài)較均勻；W坎措施存在水流偏流影響；八字坎措施對(duì)過閘水流的約束效果最好，外河擴(kuò)散段末端斷面流速分布為中間大兩側(cè)小，能滿足蘇州河橫向流速0.30 m/s安全通航標(biāo)準(zhǔn)，該方案較好。

3.2.3 擴(kuò)散式消力池翼墻+八字型尾坎

（1）由于保潔船只需要過閘，因此海漫段整流措施的高度不宜過高（頂高程不超過0.00 m）。但是根據(jù)試驗(yàn)，整流措施高于1.50 m（頂高程0.50 m）時(shí)才能較好地發(fā)揮整流效果。考慮到原水閘口寬相對(duì)外河海漫段口寬較小，為此提出將消力池翼墻改為擴(kuò)散式，其擴(kuò)散角為13°，并將消力池翼墻頂高程降為1.00 m。考慮到八字坎效能效果較好，將消力池尾坎改為八字坎（見圖5），實(shí)測(cè)各種通航工況下口門區(qū)的平均橫向流速均不大于0.30 m/s（最大橫向流速也不大于0.30 m/s），能滿足通航要求。

圖5 擴(kuò)散式消力池翼墻+八字型尾坎布置圖 單位：m

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用擴(kuò)散式消力池翼墻+八字型尾坎，過閘水流均為淹沒閘孔出流，消力池內(nèi)形成淹沒水躍；消力池尾坎處水流的垂線流速分布呈下大上小，通過海漫段的調(diào)整，至防沖槽末，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，說明海漫段長(zhǎng)度合適，消力池的規(guī)模能滿足要求。

（2）考慮到水閘具有引水功能，因此試驗(yàn)中以內(nèi)河側(cè)防沖槽末端斷面平均流速0.80 m/s為控制條件，試驗(yàn)內(nèi)河海漫布置的合理性及蘇州河橫向流速的安全性，結(jié)果見表5。

表5 節(jié)制閘引水試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)河側(cè)消力池水流的垂線流速分布呈下大上小，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，說明內(nèi)河消力池和內(nèi)河海漫段長(zhǎng)度合適。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）消力池采用擴(kuò)散式翼墻和八字型尾坎，能夠較好地促使過閘水流向兩側(cè)擴(kuò)散。外河側(cè)流速分布較為均勻，減小了蘇州河航道口門區(qū)的橫向流速，實(shí)測(cè)各種通航工況下口門區(qū)的平均橫向流速均不大于0.30 m/s（最大橫向流速也不大于0.30 m/s），能滿足通航要求。

（2）外河海漫河口寬需要和閘孔寬度相配套，以便發(fā)揮兩側(cè)翼墻對(duì)水流調(diào)整的效果。調(diào)整方案將河道由梯形改為矩形，河底高程降為-1.00 m，增大河道斷面尺寸后，外河水流集中程度將會(huì)比原方案更明顯，消能效果更明顯。

（3）在消力池末段增設(shè)整流墩或八字坎，能有效調(diào)整過閘水流流態(tài)，在相同的排澇流量下，蘇州河內(nèi)橫向流速較原方案減小約40%，但是整流墩與八字坎高度不能過低。

（4）節(jié)制閘排澇流量為40 m3/s時(shí)，閘門局部開啟，過閘水流為淹沒閘孔出流。外河防沖槽末，水流垂線流速呈上大下小的分布狀態(tài)，消力池的規(guī)模及海漫段長(zhǎng)度合適。

（5）節(jié)制閘引水時(shí)，引水流量受內(nèi)河河道抗沖條件限制，若以內(nèi)河防沖槽末端斷面平均流速0.80 m/s為控制條件，蘇州河航道口門區(qū)平均橫向流速小于0.30 m/s（最大橫向流速也小于0.30 m/s），對(duì)通航?jīng)]有影響。